Способ калибровки мобильного пеленгатора коротковолнового диапазона с многоэлементной антенной решеткой
Владельцы патента RU 2451948:
Федеральное государственное унитарное предприятие "18 Центральный научно-исследовательский институт" Министерства обороны Российской Федерации (RU)
Изобретение может быть использовано для калибровки пеленгаторов источников радиосигналов, в частности для калибровки мобильных пеленгаторов коротковолнового (KB) диапазона с многоэлементной антенной решеткой (АР). Сущность изобретения заключается в том, что производят определение необходимого числа позиций излучателя для контрольных измерений, расстояния между позицией контрольного излучателя (КИ) и наиболее близким антенным элементом (АЭ) и координат позиций для установки КИ, прием контрольного сигнала на N-элементную распределенную АР, частотную селекцию и измерение фазы принятых сигнальных посылок, выбор опорного АЭ, после чего последовательно размещают КИ в каждой заданной позиции, производят определение исходной невязки измерений разностей фаз между каждым (N-1) и опорным АЭ и вычисляют среднее квадратическое отклонение (СКО) результатов измерений, путем последовательных итераций вводят поправки в оценку истинных координат АЭ и оцениваемых дефектов фаз фидеров и производят повторное определение невязок измерений разностей фаз между каждым (N-1) и опорным АЭ для каждой позиции КИ, добиваясь минимально достижимого СКО результатов измерений, и определяют значения координат фазовых центров АЭ и допустимые значения фазового разбаланса фидеров АР, необходимые для измерения с минимальной погрешностью пеленгов на контролируемые мобильным пеленгатором источники сигналов. Достигаемый технический результат - повышение точности калибровки мобильного пеленгатора KB диапазона с многоэлементной АР. 1 ил.
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для калибровки пеленгаторов источников радиосигналов, в частности для калибровки мобильных пеленгаторов коротковолнового (КВ) диапазона с многоэлементной антенной решеткой.
Повышение точности современных пеленгаторов добиваются за счет использования распределенных антенных решеток (АР) с большим числом антенных элементов (АЭ), в частности разреженных АР, размещенных в заданной геометрической конфигурации [1, 2]. Однако в КВ диапазоне практически невозможно создать условия для развертывания мобильных пеленгаторов с многоэлементной (N-элементной) распределенной АР, обеспечивающие необходимую точность установки фазовых центров АЭ и баланс каналов (фидеров) из-за неидеальной поверхности заданной для развертывания площадки, вследствие чего снижается точность пеленгования.
Необходимая эффективность мобильного пеленгатора КВ диапазона контролируется и обеспечивается специальной калибровкой [3].
Известен способ калибровки пеленгатора КВ диапазона [4, с.570], включающий прием контрольных сигналов радиостанций с известными координатами, частотную селекцию и измерение фазы принятых посылок. Известный способ позволяет проконтролировать работоспособность пеленгатора, но обеспечивает низкую точность калибровки и большое значение средней квадратической [5, с.280] ошибки пеленгования. Это объясняется отсутствием необходимого числа контрольных излучателей (КИ) при пеленговании с различных направлений, не позволяющего принять меры по снижению ошибок пеленгования.
При реализации известного способа отсутствует возможность анализа причин снижения точности калибровки при развертывании мобильного пеленгатора.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является способ калибровки пеленгаторов КВ диапазона с многоэлементной АР, сущность которого описана в [3, с.217-220] (прототип).
Известный способ включает определение необходимого числа позиций излучателя для контрольных измерений, расстояния между позицией КИ и наиболее близким АЭ и координат позиций для установки КИ, прием контрольного сигнала на N-элементную распределенную АР, частотную селекцию и измерение фазы принятых сигнальных посылок. Калибровка пеленгатора осуществляется путем облета летательного средства (самолета) с КИ на борту по маршруту, вокруг центра которого размещена АР, с пересечением предварительно выбранных ориентиров. Точность заходов должна быть не ниже 1°. Ошибка пеленга вычисляется как разность между истинным и средним пеленгом.
Известный способ позволяет производить калибровку мобильного пеленгатора КВ диапазона и оценивать ошибку пеленгования, однако точность калибровки ограничена.
Это объясняется тем, что в ходе калибровки АР рассматривается как статическая система, не учитывающая ошибки установки каждого АЭ и фазовый разбаланс каждого фидера АР.
Целью изобретения является повышение точности пеленгования источников радиоизлучений путем повышения точности калибровки мобильного пеленгатора КВ диапазона с многоэлементной АР.
Поставленная цель достигается за счет того, что в известном способе калибровки мобильного пеленгатора КВ диапазона с многоэлементной АР, включающем определение необходимого числа позиций излучателя для контрольных измерений, расстояния между позицией КИ и наиболее близким АЭ и координат позиций для установки КИ, прием контрольного сигнала на N-элементную распределенную АР, частотную селекцию и измерение фазы принятых сигнальных посылок, выбирают опорный АЭ, после чего последовательно размещают КИ в каждой заданной позиции, производят определение исходной невязки [6] измерений разностей фаз между каждым (N-1) и опорным АЭ и вычисляют среднее квадратическое отклонение (СКО) результатов измерений, путем последовательных итераций вводят поправки в оценку истинных координат АЭ и оцениваемых дефектов фаз фидеров и производят повторное определение невязок измерений разностей фаз между каждым (N-1) и опорным АЭ для каждой позиции КИ, добиваясь минимально достижимого значения СКО результатов измерений, и определяют значения координат фазовых центров АЭ и допустимые значения фазового разбаланса фидеров АР, необходимые для измерения с минимальной погрешностью пеленгов на контролируемые мобильным пеленгатором источники сигналов.
Предлагаемый способ позволяет существенно повысить точность калибровки за счет введения поправок, учитывающих ошибки развертывания всех АЭ антенной решетки и дефекты фидеров антенной системы.
Сочетания отличительных признаков и свойства предлагаемого способа калибровки мобильного пеленгатора КВ диапазона с многоэлементной распределенной АР из литературы не известны, поэтому способ соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
На фиг.1 приведена функциональная схема варианта устройства для калибровки мобильного пеленгатора КВ диапазона.
Устройство для калибровки мобильного пеленгатора КВ диапазона содержит вычислитель 1 невязки и СКО, блок 2 управления, блок 3 ввода поправок, регистратор 4 с индикацией полученных данных и полнодоступный коммутатор 5, сигнальные выходы которого через вычислитель 1 подключены к входу регистратора 4 с индикацией полученных данных, а на управляющий вход подается сигнал с первого выхода блока 2 управления, второй выход которого соединен с первым управляющим входом вычислителя 1 невязки и СКО и через блок 3 ввода поправок подключен к второму входу вычислителя 1 невязки и СКО, при этом сигнальные входы полнодоступного коммутатора 5 являются входами устройства для калибровки мобильного пеленгатора КВ диапазона.
Способ калибровки мобильного пеленгатора КВ диапазона с многоэлементной АР реализуется следующим образом.
Известно [3, с.217], что для пеленгаторов КВ диапазона практически невозможно обеспечить необходимую для развертывания антенной системы идеально ровную площадку, соответствующую геометрии АР и обеспечивающую необходимую точность установки фазовых центров АЭ и баланс каналов (фидеров). И если при проектировании стационарных пеленгаторов нужные требования учитываются при подготовке площадки развертывания, то в случае использования мобильных пеленгаторов КВ диапазона с N-элементными распределенными АР такие возможности отсутствуют.
Известно также [2], что использование разреженных АР, расстояние между соседними АЭ у которых превышает значение λ/2, где λ - длина волны принимаемого сигнала, может привести к неоднозначности измерений фазы сигнальных посылок и, соответственно, к ошибкам пеленгования.
Минимизировать СКО позволяет калибровка мобильного пеленгатора KB диапазона с N-элементной распределенной АР. Но если осуществлять калибровку способом прототипа [3], то АР рассматривается как статическая система, ошибки, вносимые неточностями установки каждого АЭ и каждым фидером, не учитываются.
При использовании предлагаемого способа калибровки пеленгатора KB диапазона с N-элементной распределенной АР алгоритм функционирования осуществляется в следующем порядке.
- Определяют необходимое число позиций излучателя для контрольных измерений в соответствии с формулой M≥(3N-4)/(N-3), устанавливают расстояние между КИ и наиболее близким АЭ в диапазоне R=10λ÷15λ, задают координаты позиций для установки КИ и выбирают опорный АЭ.
- Последовательно размещают КИ в каждой заданной позиции, производят определение исходной невязки измерений разностей фаз между каждым (N-1) и опорным АЭ и по результатам вычисляют СКО.
где NИ - число измерений;
σ - невязка измерений;
- среднее значение невязки измерений.
- Путем последовательных итераций вводят поправки в оценку истинных значений координат АЭ и оцениваемых дефектов фаз фидеров и производят повторное определение невязок измерений разностей фаз между каждым (N-1) и опорным АЭ для каждой позиции КИ, добиваясь минимально достижимого значения СКО, и определяют значения координат фазовых центров АЭ и значения фазового разбаланса фидеров АР, необходимые для измерения с минимальной погрешностью пеленгов на контролируемые мобильным пеленгатором источники сигнала.
С математической позиции задача сводится к решению системы из (N-1)·M нелинейных уравнений измерения сферического фазового фронта электромагнитной волны вида
φij=ρi-k(dij-d0j)+εij, i=1, …, N-1, j=1, …, M,
,
где φij - измеренная фаза на i-ом АЭ относительно фазы опорного (0-го)
АЭ в j-м измерении;
k - волновое число, k=2π/λ;
dij - расстояние от i-го АЭ до j-й позиции КИ;
xi - двумерные координаты i-го АЭ;
yj - двумерные координаты j-й позиции КИ;
εij - погрешность фазовых измерений;
ρ={ρi}, i=1, …, N-1 - оцениваемые дефекты фаз фидеров;
x={xi}, i=1, …, N-1 - уточняемые координаты АЭ;
y={yj}, j=1, …, M - координаты позиций КИ.
В векторном виде φ=f(ρ,x,y)+ε или φ=f(z)+ε, где z={ρ,x,y} (1)
В число неизвестных параметров входят: (N-1) элементов фазового разбаланса, (2N-3) уточняемых элементов вектора координат АЭ, 2M элементов вектора координат КИ, всего (3N+2M-4) неизвестных параметров.
Решение переопределенной нелинейной системы (1) может быть определено итерационно по Ньютону [7, с.653]:
На каждом шаге итерации решается линеаризированная система
,
где
i=1, …, N-1, j=1, …, M.
Предлагаемый способ может быть реализован с помощью устройства для калибровки мобильного пеленгатора КВ диапазона, функциональная схема варианта которого приведена на фиг.1.
Сигналы с выходов каждого фазометрического канала пеленгатора при калибровке подаются на полнодоступный коммутатор 5 и далее - на вычислитель 1 невязки и СКО. Полнодоступный коммутатор 5 действует по командам, поступающим с первого выхода блока 2 управления, и обеспечивают подключение любого входа к любому из двух сигнальных выходов.
Управление вычислителем 1 осуществляется с помощью управляющих команд, подаваемых через сигнальную шину с второго выхода блока 2 управления. Поправки в ходе итерационных измерений вводятся в вычислитель 1 с выхода блока 3 ввода поправок, управление которым производится с помощью блока 2 управления через сигнальную шину второго выхода.
В качестве полнодоступного коммутатора 5 может быть использован, например, аналог устройства ПДК-32/64 ТМБД 468643.001 разработки ОАО «НПК«ТРИСТАН», имеющий независимую формулу коммутации «любой с любым».
Устройства 1-3 могут быть выполнены, например, на базе цифрового сигнального процессора Texas Instruments TMS 320С 6416/6713, ПЛИС [8] и процессора 2 Xeon Quad 2,33 GHz, ОЗУ - 2 Гб.
Экспериментальная проверка предложенного способа калибровки мобильного пеленгатора КВ диапазона проводилась с помощью пеленгатора с восьмиэлементной АР с 18 разнесенных позиций на частоте 25 МГц. В ходе вычислительного процесса решалась система из 136 нелинейных уравнений с 56 неизвестными. В ходе предварительных измерений было определено СКО=13,77. В результате калибровки при погрешности измерений 0,01-0,02 градуса получено СКО=1,61, то есть снижение СКО составило 8,55 раз, максимальная поправка координат АЭ - 37 см, корректируемый фазовый разбаланс фидеров - до 7 градусов. Экспериментальные исследования показали устойчивость к выбору начального приближения и к погрешностям фазовых измерений, а также высокую скорость сходимости - не более 3-5 итераций.
Положительным свойством предложенного способа калибровки мобильного пеленгатора КВ диапазона является возможность его применения не только для случая АР, имеющих конфигурацию в виде набора различного числа колец [1], но и АР любой другой геометрической конфигурации.
Таким образом, моделирование и экспериментальная проверка показали, что использование предлагаемого способа позволяет в несколько раз повысить точность пеленгатора КВ диапазона с многоэлементной АР.
Источники информации
1. А.Д.Виноградов. Оптимизация структур малоэлементных кольцевых антенных решеток интерферометрических радиопеленгаторов. «Антенны», выпуск 1 (42), 1999, с.12-14.
2. А.В.Дубровин. Потенциальная точность пеленгования комплексами с антенными решетками, имеющими конфигурацию в виде набора произвольного числа колец. Радиотехника и электроника, 2006, том 51, №3, с.268-270.
3. В.А.Вартанесян, Э.Ш.Гойхман, М.И.Рогаткин. Радиопеленгация. Воениздат МО СССР, Москва, 1966.
4. И.С.Кукес, М.Е.Старик. Основы радиопеленгации. «Советское радио», Москва, 1964.
5. Б.Р.Левин. Теоретические основы статистической радиотехники. Книга вторая. Издательство «Советское радио». Москва, 1968.
6. Математический энциклопедический словарь. Москва, «Советская энциклопедия», 1988.
7. Г.Корн и Т.Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Изд. «Наука», Москва, 1972.
8. Потехин Д.С., Тарасов И.Е. Разработка систем цифровой обработки сигналов на базе ПЛИС. - М.; Горячая линия - Телеком, 2007.
Способ калибровки пеленгатора коротковолнового диапазона с многоэлементной антенной решеткой, включающий определение необходимого числа позиций излучателя для контрольных измерений, расстояния между позицией контрольного излучателя и наиболее близким антенным элементом и координат позиций для установки контрольного излучателя, прием контрольного сигнала на N-элементную распределенную антенную решетку, частотную селекцию и измерение фазы принятых сигнальных посылок, отличающийся тем, что выбирают опорный антенный элемент, после чего последовательно размещают контрольный излучатель в каждой заданной позиции, производят определение исходной невязки измерений разностей фаз между каждым (N-1) и опорным антенным элементом и вычисляют среднее квадратическое отклонение результатов измерений, путем последовательных итераций вводят поправки в оценку истинных значений координат антенных элементов и оцениваемых дефектов фаз фидеров и производят повторное определение невязок измерений разностей фаз между каждым (N-1) и опорным антенным элементом для каждой позиции контрольного излучателя, добиваясь минимально достижимого значения среднего квадратического отклонения результатов измерений, и определяют значения координат фазовых центров антенных элементов и допустимые значения фазового разбаланса фидеров антенной решетки, необходимые для измерения с минимальной погрешностью пеленгов на контролируемые мобильным пеленгатором источники сигналов.
