Способ однозначного пеленгования источника радиосигнала

 

Изобретение относится к радиопеленгации и может быть использовано в системах определения местоположения источников радиоизлучения. Технический результат изобретения - повышение точности однозначного пеленгования. В способе пеленгования, включающем прием радиосигнала с помощью трех ненаправленных антенн, образующих круговую антенную решетку с одинаковыми расстояниями между антеннами b , и измерение разностей фаз между сигналами, принятыми последовательными парами антенн, согласно изобретению суммируют пару сигналов, модуль разности фаз между которыми минимален, измеряют разность фаз между сигналом, не входящим в выбранную пару, и суммарным сигналом и используя значения этой разности фаз, разности фаз между выбранной парой сигналов, а также угловое положение относительно опорного направления точки приема сигнала, не входящего в выбранную пару, однозначно определяют азимут Θ и угол места β источника радиосигнала, минимальное значение длины волны которого превышает . 2 ил.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиопеленгации? и может быть использовано в системах определения местоположения источников радиоизлучения.

Известен способ однозначного пеленгования источника радиосигнала, включающий прием радиосигнала с помощью четырех идентичных ненаправленных антенн, расположенных в плоскости пеленгования в вершинах квадрата с длиной стороны b, причем положение первой, второй, третьей и четвертой антенн ориентировано относительно опорного направления, проходящего через центр квадрата под углами O, соответственно, измерение разностей фаз между сигналами, принятыми двумя парами антенн, расположенными на диагоналях квадрата, и определение угла прихода радиосигнала в плоскости пеленгования (азимута) Θ и угла прихода радиосигнала в плоскости, перпендикулярной плоскости пеленгования, (угла места) β по формулам: где ϕ₁₃(ϕ₂₄) - разность фаз между сигналами, принятыми первой и третьей (второй и четвертой) антеннами; d - расстояние между антеннами каждой пары (база); λ - длина волны радиосигнала, минимальное значение которой λ_min превышает 2d (Заявка Великобритании N 2076152, кл. G 01 S 3/74, 1981).

Недостатком известного способа однозначного пеленгования является низкая точность пеленгования, что обусловлено малой по сравнению с длиной волны радиосигнала базой Увеличение базы приводит к неоднозначности измерения разности фаз между принятыми парой антенн сигналами и, следовательно, к неоднозначности пеленгования. Кроме того, малые расстояния между соседними антеннами приводят к наличию взаимного влияния между антеннами, следствием чего является искажение структуры электромагнитного поля радиосигнала в точках размещения антенн, приводящее к снижению точности пеленгования.

Известен способ однозначного пеленгования источника радиосигнала, включающий прием радиосигнала с помощью трех идентичных ненаправленных антенн, расположенных в плоскости пеленгования в вершинах равнобедренного прямоугольного треугольника с длиной катетов (базой) b, причем положение первой и второй антенн ориентировано относительно опорного направления, проходящего через точку размещения третьей антенны под углами O и соответственно, измерение разностей фаз между сигналами, принятыми двумя парами антенн, расположенными на катетах треугольника, и определение азимута Θ и угла места β источника радиосигнала по формулам: где
ϕ₁₃(ϕ₂₃) - разность фаз между сигналами, принятыми первой и третьей (второй и третьей) антеннами;
λ - длина волны радиосигнала, минимальное значение которой превышает 2b (О. В. Белавин, М.В. Зерова. Современные средства радионавигации. - М., Сов. радио, 1965, с. 48 - 53).

Недостатком известного способа является низкая точность пеленгования, что обусловлено малой по сравнению с длиной волны радиосигнала базой Увеличение базы приводит к неоднозначности измерения разности фаз между принятыми парой антенн сигналами и, следовательно, к неоднозначности пеленгования. Кроме того, малые расстояния между антеннами в двух парах приводят к наличию взаимного влияния между антеннами, следствием чего является искажение структуры электромагнитного поля радиосигнала в точках размещения антенн, приводящее к снижению точности пеленгования. И наконец, различные значения расстояний между соседними антеннами (определяемые длиной катета и гипотенузы прямоугольного треугольника), приводят к разной степени искажения структуры электромагнитного поля радиосигнала в каждой из точек размещения антенн, зависящей, кроме того, от направления прихода радиосигнала, что также приводит к дополнительному снижению точности пеленгования.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному способу является способ однозначного пеленгования источника радиосигнала, включающий прием радиосигнала с помощью трех идентичных ненаправленных антенн, образующих в плоскости пеленгования круговую антенную решетку с одинаковыми расстояниями между антеннами (базами) b, причем положение первой, второй и третьей антенн ориентировано относительно опорного направления в плоскости пеленгования, проходящего через центр антенной решетки, под углами O, и соответственно, измерение трех разностей фаз ϕ_i между сигналами и принятыми l-той и k-той антеннами, по правилу:

где
i = 1, 2, 3;
l = i + 1 - 3δ(i-3);
k = l + 1 - 3δ(l-3);
δ(X) - дельта-функция числа X,
и определение направления прихода радиосигнала относительно опорного направления по формуле, являющейся решением системы уравнений, описывающих зависимость каждой измеренной разности фаз ϕ_i (i= 1, 2, 3) от направления прихода радиосигнала, минимальная длина волны которого превышает 3b (Заявка ЕПВ N 0137745, кл. G 01 S 3/48, 1985).

Недостатком известного способа является низкая точность пеленгования, что обусловлено малой по сравнению с длиной волны радиосигнала базой Увеличение базы до значения приводит к снижению точности оценки направления прихода радиосигнала, что является особенностью приведенного в способе правила определения прихода радиосигнала по измеренным разностям фаз между сигналами, принятыми последовательными парами антенн (И. С. Кукес, М.Е. Старик. Основы радиопеленгации. - М., Сов. радио, 1964, с. 506). Увеличение базы до значения, равного половине или превышающего половину минимальной длины волны радиосигнала, приводит к неоднозначности измерения разностей фаз между принятыми парами антенн сигналами, следствием чего является неоднозначность определения направления прихода радиосигнала. Кроме того, малые (относительно длины волны радиосигнала) расстояния между точками приема приводят к наличию взаимного влияния между антеннами, следствием чего является искажение структуры электромагнитного поля радиосигнала в точках размещения антенн, приводящее к снижению точности пеленгования.

Задачей данного изобретения является повышение точности однозначного пеленгования источника радиосигнала.

Это достигается тем, что в известном способе однозначного пеленгования источника радиосигнала, заключающемся в приеме радиосигнала с помощью трех идентичных ненаправленных антенн, образующих в плоскости пеленгования круговую антенную решетку с одинаковыми расстояниями между антеннами b, причем положение первой, второй и третьей антенн ориентировано относительно опорного направления в плоскости пеленгования, проходящего через центр антенной решетки, под углами O, и соответственно, и измерении трех разностей фаз ϕ_i между сигналами и , принятыми l-той и k-той антеннами, по известному правилу:
(1)
где
i = 1, 2, 3;
l = i + 1 - 3δ(i-3);
k = l + 1 - 3δ(l-3);
δ(X) - дельта-функция числа X, выбирают из трех разностей фаз i-тую, значение модуля которой является минимальным или одним из минимальных значений модулей разностей фаз, формируют дополнительный сигнал путем суммирования сигналов, принятых l-той и k-той антеннами, измеряют разность фаз ϕ₄ между сигналом, принятым i-той антенной, и дополнительным сигналом и определяют угол прихода радиосигнала в плоскости пеленгования (азимут) Θ и угол прихода радиосигнала в плоскости, перпендикулярной плоскости пеленгования, (угол места) β по формулам:


где
λ - длина волны радиосигнала, минимальное значение которой превышает
Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что предложенный способ отличается от известного наличием, во-первых, новых действий над сигналами: формирование по определенному правилу дополнительного сигнала, измерение дополнительной разности фаз между сигналами и определение по новому правилу направления прихода радиосигнала, во-вторых, новых условий осуществления действий над сигналами: расстояние между точками приема радиосигнала (антеннами) может превышать половину минимальной длины волны радиосигнала
При изучении других известных технических решений в данной области техники указанная совокупность признаков, отличающая изобретение от прототипа, не была выявлена.

Сформированный по предложенному правилу дополнительный суммарный сигнал эквивалентен сигналу, который мог бы быть принят дополнительной антенной в дополнительной (четвертой) точке, расположенной в центре линии, соединяющей выбранную пару точек приема с наиболее "сфазированными" сигналами. Расстояние b' от дополнительной точки приема радиосигнала до точки приема радиосигнала, не входящей в выбранную пару точек приема (третьей точки приема), оказывается меньше расстояния между точками приема радиосигнала в раз (в такое количество раз высота равностороннего треугольника меньше его стороны). Таким образом, для радиосигнала, минимальная длина волны которого превышает 2b', разность фаз между сигналом, принятым в третьей точке приема, и дополнительным сигналом не может превышать значения ±π и, следовательно, измеряется однозначно. При этом расстояние между физически существующими точками приема радиосигнала в раз превышает b', то есть однозначное измерение указанной разности фаз осуществляется для радиосигнала, минимальная длина волны которого превышает Кроме того, разность фаз между "самыми синфазными" сигналами из трех пар сигналов, принятыми в выбранной паре точек, при выполнении условия также не превышает ±π и, следовательно, измеряется однозначно.

Использование однозначно измеренных значений дополнительной разности фаз и разности фаз между выбранной парой сигналов позволяет однозначно определить азимут Θ и угол места β источника радиосигнала, минимальная длина волны которого превышает , при этом одновременно, за счет увеличенного в расстояния между точками приема радиосигнала, во-первых, уменьшаются ошибки пеленгования, однозначно связанные с отношением базы к длине волны радиосигнала, во-вторых, уменьшаются ошибки пеленгования, обусловленные искажением структуры электромагнитного поля за счет взаимного влияния близко расположенных в точках приема антенн.

То есть, предложенный способ пеленгования именно за счет формирования по определенному правилу дополнительного сигнала, измерения дополнительной разности фаз между сигналами, измерения по новому правилу направления прихода радиосигнала и нового условия осуществления действий над сигналами (минимальная длина волны радиосигнала превышает ) позволяет повысить точность и сохранить однозначность пеленгования.

На фиг. 1 приведена схема расположения антенн в плоскости пеленгования, поясняющая сущность предложенного способа. На фиг. 2 - структурная электрическая схема устройства, реализующего предложенный способ однозначного пеленгования.

Электромагнитное поле источника радиосигнала, характеризуемое, во-первых, амплитудой E и фазой Ψ₀ в точке O (см. фиг. 1), являющейся центром антенной решетки, образованной первой, второй и третьей антеннами A₁, A₂ и A₃ соответственно; во-вторых, направлением распространения описываемым углом Θ между проекцией направления на плоскость пеленгования OP и линией ON (опорным направлением) и углом β между направлением и проекцией направления на плоскость пеленгования OP, формирует в антеннах A₁, A₂ и A₃ сигналы и соответственно, которые описываются выражениями:
(4)
(5)
(6)
где
h - коэффициент эффективности формирования сигнала в антенне под действием электромагнитного поля радиосигнала (в частности действующая длина антенны);
ω - круговая частота радиосигнала;
t - время;
параметр, характеризующий задержку фазы сигнала в точках размещения антенн относительно центра антенной решетки, где a = расстояние от центра антенной решетки до любой из антенн.

Разности фаз ϕ_i (i = 1, 2, 3) между сигналами, принятыми l-той и k-той антеннами, определяемые по правилу (1), согласно (4), (5) и (6) описываются выражениями:



Путем несложных тригонометрических преобразований выражений (7), (8), (9) нетрудно показать, что любая разность фаз ϕ_i может быть представлена в виде:

где

Необходимо отметить, что угол Θ_i является углом между проекцией направления распространения радиосигнала OP и линией OA_i (см. фиг. 1), т.е. выражения (11) описывают "поворот" линии отсчета азимута относительно опорного направления ON.

Сравнение модулей разностей фаз (которые, согласно (10), пропорциональны модулям углов Θ_i ) по критерию минимального значения позволяет выбрать линию отсчета азимута OA_i, наиболее близкую к линии распространения радиосигнала OP. Максимальный угол α_max между линией распространения радиосигнала и наиболее близкой линией отсчета азимута OA_i составляет Необходимо отметить, при две линии отсчета азимута могут быть одинаково близкими к линии распространения радиосигнала, признаком чего является равенство модулей двух минимальных значений разностей фаз. В этом случае выбирается одна из этих минимальных разностей фаз ϕ_i и соответствующая ей линия отсчета азимута OA_i.

Выбор минимального значения ϕ_i свидетельствует о том, что, согласно (1), пара сигналов, принятых l-той и k-той антеннами, является наиболее синфазной по сравнению с любой другой парой сигналов, что обеспечивает формирование (путем суммирования сигналов, принятых l-той и k-той антеннами) дополнительного сигнала с максимальной (по сравнению с суммарными сигналами других пар сигналов) амплитудой.

Дополнительный сигнал являющийся суммой сигналов, принятых l-той и k-той антеннами, с учетом (10), (11), (5) и (6), описывается выражением:

где

Необходимо отметить, что сформированный таким образом сигнал эквивалентен сигналу, который был бы принят дополнительной антенной C_i (i = 1, 2, 3), расположенной на середине базы между антеннами A_l и A_k (см. фиг. 1) и имеющей эффективность (действующую длину), превышающую в m раз эффективность любой из антенн антенной решетки.

Разность фаз ϕ₄, измеряемая между сигналом, принятым i-той антенной, и дополнительным сигналом с учетом (11) и (4), описывается выражением:

Система уравнений (10) и (14) позволяет получить следующую формулу для определения Θ_i

Из формул (11) и (15) непосредственно следует формула для определения азимута Θ, описываемая выражением (2).

Кроме того, решение системы уравнений (10) и (14) позволяет получить формулу для определения угла места β, описываемую выражением (3).

Полученное решение системы уравнений (10) и (14) является однозначным в случае выполнения условия:

из которого непосредственно следует ограничение на условия осуществления однозначного пеленгования:
(17)
Устройство, реализующее предложенный способ однозначного пеленгования (см. фиг. 2), содержит три идентичные ненаправленные антенны 1.1, 1.2 и 1.3, образующие в плоскости пеленгования круговую антенную решетку с одинаковыми расстояниями между антеннами b, три радиоприемных блока (РПБ) 2.1, 2.2 и 2.3, четыре блока измерения разности фаз (БИРФ) 3.1, 3.2, 3.3 и 3.4, два коммутатора 4.1 и 4.2, компаратор 5, сумматор 6, блок вычисления азимута (БВА) 7 и блок вычисления угла места (БВУМ) 8. При этом выходы антенн 1.1, 1.2 и 1.3 соединены с входами соответствующих РПБ 2.1, 2.2 и 2.3. Выход первого РПБ 2.1 соединен с объединенными вторым входом второго БИРФ 3.2 и первыми входами третьего БИРФ 3.3 и первого коммутатора 4.1. Выход второго РПБ 2.2 соединен с объединенными первым входом первого БИРФ 3.1 и вторыми входами третьего БИРФ 3.3 и первого коммутатора 4.1. Выход третьего РПБ 2.3 соединен с объединенными вторым входом первого БИРФ 3.1, первым входом второго БИРФ 3.2 и третьим входом первого коммутатора 4.1. Выходы БИРФ 3.1, 3.2 и 3.3 соответственно соединены с объединенными первыми, вторыми и третьими входами второго коммутатора 4.2 и компаратора 5, выход которого соединен с объединенными управляющими входами коммутаторов 4.1 и 4.2 и третьим входом БВА 7. Первый, второй и третий выходы первого коммутатора 4.1 соединены соответственно с первым входом четвертого БИРФ 3.4 и парой входов сумматора 6, выход которого соединен с вторым входом четвертого БИРФ 3.4. Выходы второго коммутатора 4.2 и четвертого БИРФ 3.4 соответственно соединены с объединенными первыми и вторыми входами БВА 7 и БВУМ 8, на третий вход которого поступают значения длины волны радиосигнала λ. Выходы БВА 7 и БВУМ 8 являются выходами значений азимута Θ и угла места β источника радиосигнала соответственно.

В устройстве, реализующем предложенный способ, используются известные типовые для многоканальных радиопеленгаторов блоки: радиоприемные устройства, измерители разности фаз и т.д., которые на современном уровне развития техники реализуются, как правило, с использованием цифровой обработки сигналов.

Устройство, реализующее предложенный способ, работает следующим образом.

Электромагнитное поле источника радиосигнала принимается антеннами 1.1, 1.2 и 1.3. Сигналы, принятые антеннами 1.1, 1.2 и 1.3, поступают на входы соответствующих РПБ 2.1, 2.2 и 2.3, где подвергаются типовым для радиоприемных блоков преобразованиям (усилению, переносу на промежуточную частоту и т.д.). Сигнал с выхода первого РПБ 2.1 поступает одновременно на второй вход второго БИРФ 3.2 и первые входы третьего БИРФ 3.3 и первого коммутатора 4.1. Сигнал с выхода второго РПБ 2.2 поступает одновременно на первый вход первого БИРФ 3.1 и вторые входы третьего БИРФ 3.3 и первого коммутатора 4.1. Сигнал с выхода третьего РПБ 2.3 поступает одновременно на второй вход первого БИРФ 3.1, первый вход второго БИРФ 3.2 и третий вход первого коммутатора 4.1. В БИРФ 3.1, 3.2 и 3.3 производится измерение разностей фаз между парами сигналов, поступившими на их соответствующие входы. Сигналы, соответствующие измеренным разностям фаз, с выходов первого, второго и третьего БИРФ 3.1, 3.2 и 3.3 соответственно поступают на объединенные первые, вторые и третьи входы второго коммутатора 4.2 и компаратора 5. В компараторе 5 производится сравнение модулей сигналов, поступивших соответственно на его первый, второй и третий входы, и формируется сигнал, соответствующий i-тому номеру входа (i = 1, 2, 3), модуль входного сигнала которого минимален. Выходной сигнал компаратора 5 одновременно поступает на управляющие входы первого и второго коммутаторов 4.1 и 4.2 и третий вход БВА 7. При воздействии на управляющий вход первого коммутатора 4.1 сигнала, соответствующего i-тому номеру, сигнал с его i-того входа поступает на его первый выход и далее - на первый вход четвертого БИРФ 3.4, а пара сигналов с его других входов поступает соответственно на его второй и третий выходы и далее - на пару входов сумматора 6. При воздействии на управляющий вход второго коммутатора 4.2 сигнала, соответствующего i-тому номеру, сигнал с его i-того входа поступает на его выход и далее - на объединенные первые входы БВА 7 и БВУМ 8.

Сигнал с выхода сумматора 6, являющийся суммой его входных сигналов, поступает на второй вход четвертого БИРФ 3.4. Сигнал, соответствующий измеренной разности фаз, с выхода четвертого БИРФ 3.4 поступает на объединенные вторые входы БВА 7 и БВУМ 8.

Кроме того, на третий вход БВУМ 8 поступает сигнал, соответствующий значению длины волны λ источника радиоизлучения. Блок вычисления азимута 7 осуществляет определение азимута Θ по алгоритму (2), а блок вычисления угла места 8 - определение угла места β по алгоритму (3).

Для оценки технического результата (повышение точности пеленгования), достигаемого предлагаемым способом, по сравнению с прототипом и аналогами, целесообразно привести следующие соображения.

Согласно предлагаемому способу пеленгования, определение азимута Θ и угла места β источника радиосигнала производится на основе измерения двух разностей фаз Ф₁ и Ф₂, которые согласно (10) и (14) для общего случая можно представить в виде выражений:


После несложных преобразований выражений (18) и (19), аналогичных известным преобразованиям, можно получить следующие выражения, описывающие ошибки в определении углов Θ и β :


где
ΔΘ и Δβ - ошибки в определении углов Θ и β;
ΔФ₁ и ΔФ₂ - ошибки измерения разности фаз.

Кроме того, согласно (И.С. Кукес, М.Е. Старик. Основы радиопеленгации. - М., Сов. радио, 1964, с. 63 - 66), ошибка измерения разности фаз между двумя сигналами ΔФ зависит от отношений сигнал/шум, характеризующих первый и второй сигналы. Для общего случая ΔФ можно представить в виде:
(22)
где
q - отношение сигнал/шум для сигналов, принятых антеннами;
m₁ - коэффициент увеличения параметра сигнал/шум одного из сигналов относительно другого.

Тогда ошибки ΔФ₁ и ΔФ₂ с учетом (18), (19), (22) и (13) можно представить в виде:
(23)
(24)
Кроме того, как отмечалось ранее, за счет эффекта "близости" антенны (взаимного влияния антенн, расположенных в ближней зоне) структура принятого антеннами электромагнитного поля радиосигнала искажается, что можно представить появлением дополнительных ошибок ΔΘ_доп. и Δβ_доп., которые в первом приближении можно представить в виде:


где
ν_Θ,ν_β - некоторые коэффициенты пропорциональности, зависящие от геометрических размеров антенн и неравномерности расстояния между парами антенн в антенной решетке;
γ_Θ,γ_β - показатели, характеризующие степень влияния расстояния между точками приема сигнала по отношению к длине волны, значения которых могут находиться в пределах от 1 до 2.

Учитывая вышеизложенное, можно привести следующие количественные оценки повышения точности пеленгования, достигаемого согласно предлагаемому способу.

Во-первых, за счет возможности увеличения базы b до значения коэффициенты первых слагаемых ошибок (20) и (21) уменьшаются:
а) по сравнению с аналогами - в раз (на 15%);
б) по сравнению с прототипом - в раз (на 73%),
а значения дополнительных ошибок ΔΘ_доп. и Δβ_доп. согласно (25) и (26) уменьшаются (ориентировочно):
а) по сравнению с аналогами - в (1 - 2) раз (на 24 - 48%);
б) по сравнению с прототипом - в (0,5 - 0,6) раз (на 14 - 36%).

Во-вторых, за счет уменьшения ошибки измерения разности фаз ΔФ₂ согласно (24) и (13) и с учетом пределов возможного изменения m (от 2 до 1,23) вторые слагаемые ошибок (20) и (21) уменьшаются по сравнению с аналогами и прототипами на 27 - 10%.

Обобщая приведенные аргументы, можно сделать вывод о повышении точности однозначного пеленгования источника радиосигнала предложенным способом по сравнению с известными техническими решениями в среднем на 50 - 80%.

Формула изобретения

Способ однозначного пеленгования источника радиосигнала, включающий прием радиосигнала с помощью трех идентичных ненаправленных антенн, образующих в плоскости пеленгования круговую антенную решетку с одинаковыми расстояниями между антеннами В, причем положение первой, второй и третьей антенн ориентировано относительно опорного направления в плоскости пеленгования, проходящего через центр антенной решетки, под углами 0, и соответственно, и измерение трех разностей фаз ϕ_i между сигналами принятыми l-й и k-й антеннами, по правилу:

где i = 1,2,3;
l = i + 1-3δ(i-3);
k = l + 1-3δ(l-3);
δ(X) - дельта-функция числа Х,
отличающийся тем, что выбирают из трех разностей фаз i-ю, значение модуля которой является минимальным или одним из минимальных значений модулей разностей фаз, формируют дополнительный сигнал путем суммирования сигналов, принятых l-й и k-й антеннами, измеряют разность фаз ϕ₄ между сигналом, принятым i-й антенной, и дополнительным сигналом и определяют азимут Θ и угол места β источника радиосигнала по формулам:
Θ = (-1)ⁱ
где λ - длина волны радиосигнала, минимальное значение которой превышает а

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2