Способ и устройство определения координат источника радиоизлучения
METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING THE COORDINATES OF THE RADIO EMISSION SOURCE

Заявляемые объекты относятся к радиотехнике и могут быть использованы в навигационных, пеленгационных, локационных средствах для определения местоположения априорно неизвестного источника радиоизлучения (ИРИ).
0
0
v
v
Известен способ определения координат ИРИ, описанный в Пат. РФ №2536609, МПК G01S 5/04, опубл. 28.10.2014 г., бюл. №36. На подготовительном этапе аналог включает вычисление количества N=S/S элементарных зон привязки, где S и S соответственно площади зоны контроля и элементарной зоны привязки, присвоение каждой элементарной зоне привязки порядкового номера n, n = 1, 2, … N, определение координат местоположения центров элементарных зон привязки  расчет и запоминание эталонных значений первичных пространственно-информационных параметров (ППИП) на выходах  антенных элементов, где  относительно направлений прихода тестирующего сигнала с дискретностью  причем ППИП рассчитываются для средних частот ƒ, а в процессе работы при обнаружении сигнала ИРИ на частоте ƒ способ-аналог включает измерения ППИП на выходах  антенных элементов (АЭ) решетки с одновременным измерением вторичных параметров, вычисление для каждого направления в горизонтальной плоскости разности между эталонными и измеренными значениями ППИП, возведение в квадрат полученных разностей и их суммирование, формирование матрицы измерений  из сумм  определение после выполнения J измерений ППИП минимальной суммы  в элементах матрицы измерений  принятие координат местоположения центра элементарной зоны привязки  соответствующие min  за координаты местоположения обнаруженного ИРИ.
Аналог позволяет повысить доступность и точность определения координат ИРИ за счет реализации одноэтапной обработки результатов измерений и размещения пеленгатора на летно-подъемном средстве (ЛПС), учету его пространственной ориентации.
Однако точность определения координат ИРИ с борта ЛПС в диапазоне волн 30-300 МГц остается низкой в силу несогласованных размеров пеленгаторной антенной системы.
Известен способ определения координат источника радиоизлучения, описанный в Пат. РФ №2305851, МПК G01S 5/04, опубл. 10.09.2007 г. Аналог включает прием сигнала ИРИ на антенно-приемные модули (АПМ), установленные на двух движущихся механически связанных носителях и образующих узкобазисную систему основной позиции (ОП) и выносную позицию (ВП) пассивного локатора (ПЛ), обнаружение сигналов ИРИ и определение его несущей частоты, формирование во время движения ОП и ВП квадратурных составляющих огибающих сигнала ИРИ на выходах АПМ, неоднократное измерение на интервале дальности, являющимся интервалом синтезирования, этих квадратурных составляющих и их совместное запоминание с временем измерения и положением фазового центра приемной антенны АПМ в пространстве ОП и ВП в момент каждого такта измерения этих огибающих с последующим нахождением на основе данных, полученных на интервале синтезирования, местоположения ИРИ.
Способ-аналог позволяет повысить точность определения координат ИРИ за счет использования выносного пункта путем увеличения (согласования) базы пеленгования.
Однако аналог обладает недостатками, ограничивающими его применение. К их числу можно отнести:
относительно низкую точность оценивания пространственных параметров сигнала ИРИ из-за несогласованной (узкобазисной) антенны ОП и отсутствия учета пространственной ориентации (не учитывается угол сноса ЛПС) носителя ОП;
перемещение ОП и ВП в пространстве относительно ИРИ коррелировано и не может быть оптимизировано относительно точностных характеристик;
не учитывается неизвестная отстройка частоты между АПМ и ИРИ;
фазовая нестабильность в приемном и передающем трактах ограничивает способ по времени когерентного накопления оцениваемого сигнала;
относительная сложность и значительная себестоимость измерителя (предполагает использование в качестве носителя самолет со значительными габаритами для размещения пеленгаторной антенны и многоканального оборудования).
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому является способ определения координат источника радиоизлучения, описанный в Пат. РФ №2594759, МПК G01S 5/04, опубл. 20.08.2016, бюл. №23.
ds
i
i
1
i
i
i
В способе-прототипе принимают сигнал источника радиоизлучения на антенно-приемные модули, установленные на двух движущихся механически не связанных носителях и образующих основную и выносную позиции пассивного локатора, обнаруживают сигнал ИРИ и определяют его несущую частоту, формируют во время движения с помощью ОП и ВП квадратурные составляющие огибающих сигнала ИРИ на выходах АПМ с частотой F, неоднократно измеряют на интервале дальности, являющимся интервалом синтезирования, эти квадратурные составляющие и их совместно запоминают с временем измерения в момент каждого такта оценивания этих огибающих с последующим нахождением на основе данных, полученных на интервалах синтезирования, местоположения ИРИ. Формируют наземный пункт управления (НПУ), по командам которого осуществляют одновременный синхронный прием сигнала ИРИ антенно-приемными модулями ОП и ВП и формирование квадратурных составляющих огибающих сигнала и передачу их по соответствующим каналам связи на НПУ совместно с данными о времени приема сигнала t и пространственном положении фазовых центров приемных антенн АПМ ОП и ВП, совместное упорядоченное запоминание на НПУ значений квадратурных составляющих сигнала и их временных параметров, а также временных и пространственных параметров, соответствующих ОП и ВП, формирование на их основе разностных траекторных значений S(t) путем попарного перемножения запомненных квадратурных составляющих сигнала S(t), принятых на ОП в момент времени t, с соответствующими комплексно сопряженными значениями квадратурных составляющих сигнала  принятыми на ВП в момент времени  нахождение на основе данных S(t), полученных на интервале синтезирования I⋅Δt, местоположения ИРИ с применением метода согласованной обработки.
Количество выносных позиций пассивного локатора N выбирают из условия N≥1.
На основном и выносных позициях используются только по одному антенно-приемному модулю.
Для согласованной обработки результатов измерений умножают принятый разностный траекторный сигнал на опорную функцию, представляющую собой комплексно сопряженный разностный траекторный сигнал от ИРИ, расположенного в элементе разрешения с заданными координатами, накапливают сигнал по модулю в течении времени синтеза, нормируют, получают величины, характеризующие элементы разрешения, находят местоположение ИРИ путем поиска элемента разрешения с наибольшей данной величиной.
Синхронизацию измерения параметров на ОП и ВП осуществляют автономно каждым носителем с использованием меток времени спутниковой системы навигации.
ds
d
d
ds
d
Способ-прототип не требует запоминания положения фазовых центров приемных антенн АПМ в пространстве на каждый такт измерения квадратурных составляющих огибающих сигнала ИРИ F, а может фиксироваться с частотой F=F<F, необходимой для обеспечения однозначности результатов измерений F.
В прототипе за счет использования пассивного синтеза разностной апертуры (ПСА) устраняется отстройка по частоте АПМ и ИРИ, нестабильность фазы в передающем тракте ИРИ, а также фазовая модуляция сигнала, чем и обеспечивается повышение точности определения координат ИРИ.
Однако способу-прототипу также присущи недостатки, ограничивающие его применение. В качестве последних следует отметить большой объем необходимых вычислений, что негативно сказывается на его быстродействии. Кроме того, прототип сохраняет свою работоспособность в ограниченном диапазоне волн (30-300 МГц) для класса узкополосных сигналов (до 30 кГц).
Известно устройство определения координат источника радиоизлучения по Пат. РФ №2536609, МПК 5/04, опубл. 27.12.2014, бюл. №36. Устройство-аналог содержит блок определения пространственных параметров, первый, второй, третий, четвертый и пятый вычислители-формирователи, первый и второй блоки памяти, радионавигатор, устройство угловой ориентации, блок измерения первичных пространственно-информационных параметров, генератор синхроимпульсов, блок оценивания, блок определения координат и блок индикации, определенным образом соединенные между собой. Устройство размещается на летно-подъемном средстве (самолет, вертолет) и обеспечивает повышение доступности сигналов ИРИ УКВ-СВЧ-диапазонов частот и точность их местоопределения. Однако в силу значительных габаритных размеров пеленгаторной антенной системы блока определения пространственных параметров и сложности реализации собственно устройства определения координат ИРИ (габаритно-весовых характеристик) делает невозможным его размещение на беспилотных летательных аппаратах среднего и малого классов. Кроме того, использование аналога ограничено из-за высокой себестоимости носителя и его эксплуатации.
Известно устройство определения координат ИРИ по Пат. РФ №2550811, МПК G01S 13/46, опубл. 20.05.2015, бюл. №14.
Устройство-аналог содержит два и более беспилотных летательных аппарата (БПЛА) и наземный пункт управления (НПУ), причем каждый из БПЛА содержит последовательно соединенные контроллер, рулевой привод и аэродинамические рули, автопилот, группа информационных входов которого соединена с второй группой информационных выходов контроллера, первая группа информационных входов которого соединена с группой информационных выходов автопилота, двигательную установку, группа информационных входов которой соединена с третьей группой информационных выходов контроллера, первый приемо-передающий модуль, группа информационных входов которого соединена с четвертой группой информационных выходов контроллера, вторая группа информационных входов которого соединена с группой информационных выходов первого приемо-передающего модуля, последовательно соединенные блок видеонаблюдения, первое запоминающее устройство и передающий модуль, блок навигации БПЛА, группа информационных выходов которого соединена со второй группой информационных входов первого запоминающего устройства, а НПУ выполнен содержащим последовательно соединенные первый блок управления, предназначенный для управления взлетом, полетом и посадкой БПЛА, второй приемо-передающий модель и первое устройство обработки и отображения информации, последовательно соединенные второе запоминающее устройство, выполненное L-канальным, устройство распознавания, выполненное L-канальным, второй блок управления, предназначенный для задания исходных данных и формирования команды на определение координат объектов, и второе устройство обработки и отображения информации, группа информационных выходов которого является первой выходной шиной НПУ, вторая группа информационных входов объединена со второй группой информационных входов второго блока управления и группой информационных выходов приемного модуля, выполненного L-канальным, группа информационных входов второго запоминающего устройства является входной шиной НПУ, вторая выходная шина которого соединена с второй группой информационных выходов устройства распознавания, третья группа информационных выходов которого соединена с группой адресных входов второго запоминающего устройства.
Устройство-аналог обеспечивает повышение пропускной способности за счет более эффективного обнаружения и распознавания заданных объектов на основе видеоизображений с борта нескольких БПЛА, путем реализации процедуры «компьютерного зрения».
Однако аналогу также присущ недостаток, связанный с низкой точностью определения координат объектов из-за неоптимальных габаритных размеров пеленгаторной антенны в рассматриваемом диапазоне частот, что в конечном счете существенно увеличивает временные затраты на обнаружение заданных объектов.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому является устройство определения координат источника радиоизлучения, описанное в Пат. РФ №2594759, МПК G01S 5/04, опубл. 20.08.2016, бюл. №23.
Устройство-прототип содержит два и более БПЛА и наземный пункт управления, причем каждый из БПЛА содержит последовательно соединенные контроллер, рулевой привод и аэродинамические рули, автопилот, группа информационных входов которого соединена с второй группой информационных выходов контроллера, первая группа информационных входов которого соединена с группой информационных выходов автопилота, двигательную установку, группа информационных входов которой соединена с третьей группой информационных выходов контроллера, первый L-канальный приемопередающий модуль, группа информационных входов которого соединена с четвертой группой информационных выходов контроллера, вторая группа информационных входов которого соединена с первой группой информационных выходов первого приемо-передающего модуля, последовательно соединенные антенно-приемный модуль (АПМ), первое запоминающее устройство и передающий модуль, блок навигации БПЛА, группа информационных выходов которого соединена со второй группой информационных входов первого запоминающего устройства, группа входов управления АПМ соединена со второй группой информационных выходов первого приемо-передающего модуля, а НПУ выполнен содержащим последовательно соединенные первый блок управления, предназначенный для управления взлетом, полетом и посадкой БПЛА, второй L-канальный приемопередающий модель и первое устройство обработки и отображения информации, последовательно соединенные L-канальный приемный модуль, второй блок управления, предназначенный для задания исходных данных и формирования команды на определение координат источника радиосигнала и второе устройство обработки и отображения информации, группа информационных выходов которого является выходной шиной наземного пункта управления, коррелятор, группа информационных выходов которого соединена со второй группой информационных входов второго устройства обработки и отображения информации, а группа информационных входов объединена с первой группой входов второго блока управления, вторая группа выходов которого соединена со второй группой информационных входов второго приемо-передающего модуля, второе запоминающее устройство, группа информационных входов которого является второй установочной шиной наземного пункта управления, а вторая группа информационных входов второго блока управления является первой установочной шиной наземного пункта управления.
В прототипе за счет использования ПСА устраняется отстройка по частоте АПМ и ИРИ, нестабильность фазы в передающем тракте ИРИ, фазовая модуляция сигнала, чем и обеспечивается повышение точности определения координат ИРИ.
Однако, устройству-прототипу также присущи недостатки, ограничивающие его применение:
большой объем выполняемых вычислений, что негативно сказывается на его быстродействии;
прототип сохраняет свою работоспособность в ограниченном диапазоне волн (30-300 МГц) для класса узкополосных сигналов (до 30 кГц).
Целью заявляемых технических решений является разработка способа и устройства определения координат источника радиоизлучения, обеспечивающих сокращение временных затрат на нахождение местоположения ИРИ при увеличении диапазона рабочих частот и расширении класса оцениваемых сигналов.
ds
i
SA
i
1
i
i
ds
ds
SA
i
SA
i
В заявляемом способе поставленная цель достигается тем, что принимают сигнал ИРИ на антенно-приемные модули, установленные на двух и более движущихся автономных носителях и образующих основную и выносные позиции пассивного локатора, формируют наземной пункт управления, по командам которого осуществляют одновременный синхронный прием сигналов ИРИ антенно-приемными модулями ОП и ВП, обнаруживают сигнал ИРИ и определят его несущую частоту, формируют во время движения с помощью ОП и ВП квадратурные составляющие огибающих обнаруженного сигнала на выходах АПМ с частотой F и передают их по соответствующим каналам связи на НПУ совместно с данными о времени приема сигнала t и пространственном положении фазовых центров приемных антенн АПМ ОП и ВП, неоднократно измеряют на интервале времени T, являющимся интервалом синтезирования, эти квадратурные составляющие и их запоминают на НПУ совместно и упорядоченно вместе с их временными параметрами, а также временных и пространственных параметров, соответствующих ОП и ВП, формируют на их основе разностные траекторные значения S(t) путем попарного перемножения запомненных квадратурных составляющих сигнала S(t), принятых на ОП в момент времени t, с соответствующими комплексно сопряженными значениями квадратурных составляющих сигнала , принятых на ВП в момент времени  где Δt = 1/F, F – частота дискретизации, I – количество комплексных отсчетов радиосигнала за время синтеза апертуры T, находят на основе данных S(t), полученных на интервале синтезирования T=I⋅Δt, местоположение ИРИ с применением метода согласованной обработки, а согласованную обработку принятых сигналов осуществляют в два этапа, при этом на первом этапе формируют функцию пространственной неопределенности для усредненных навигационных параметров ОП и ВП пассивного локатора для одной дальности и апертуры в каждой точке зоны поиска исходного контролируемого района на каждом интервале усреднения, и по максимуму найденной функции пространственной неопределенности определяют грубую оценку местоположения источника радиоизлучения, на втором этапе с учетом полученной грубой оценки местоположения ИРИ выделяют уточненный район для анализа, площадь которого существенно меньше исходного контролируемого района, и рассчитывают функцию пространственной неопределенности для уточненного района на основе неусредненных навигационных данных ОП и ВП, по максимуму которой определяют точную оценку координат ИРИ, при этом при согласованной обработке в качестве разностных траекторных значений S(t) используют разности фаз анализируемого сигнала, принятого на ОП и ВП, и их взаимную временную задержку.
В заявляемом устройстве поставленная цель достигается тем, что в устройстве определения координат ИРИ, содержащем два и более БПЛА и наземный пункт управления, причем каждый из БПЛА содержит последовательно соединенные контроллер, рулевой привод и аэродинамические рули, автопилот, группа информационных входов которого соединена с второй группой информационных выходов контроллера, первая группа информационных входов которого соединена с группой информационных выходов автопилота, двигательную установку, группа информационных входов которой соединена с третьей группой информационных выходов контроллера, первый L-канальный приемопередающий модуль, группа информационных входов которого соединена с четвертой группой информационных выходов контроллера, вторая группа информационных входов которого соединена с первой группой информационных выходов первого приемо-передающего модуля, последовательно соединенные антенно-приемный модуль, первое запоминающее устройство и передающий модуль, блок навигации БПЛА, группа информационных выходов которого соединена со второй группой информационных входов первого запоминающего устройства, группа входов управления АПМ соединена со второй группой информационных выходов первого приемо-передающего модуля, а НПУ выполнен содержащим последовательно соединенные первый блок управления, предназначенный для управления взлетом, полетом и посадкой БПЛА, второй L-канальный приемопередающий модель и первое устройство обработки и отображения информации, последовательно соединенные L-канальный приемный модуль, второй блок управления, предназначенный для задания исходных данных и формирования команды на определение координат источника радиосигнала и второе устройство обработки и отображения информации, группа информационных выходов которого является выходной шиной наземного пункта управления, коррелятор, группа информационных входов которого объединена с первой группой входов второго блока управления, вторая группа выходов которого соединена со второй группой информационных входов второго приемо-передающего модуля, второе запоминающее устройство, группа информационных входов которого является второй установочной шиной наземного пункта управления, а группа информационных выходов соединена со второй группой информационных входов второго устройства обработки и отображения информации, вторая группа информационных входов второго блока управления является первой установочной шиной наземного пункта управления, в НПУ дополнительно введен блок предварительной обработки, предназначенный для грубого определения координат источника радиоизлучения, первая и вторая группы информационных входов которого объединены соответственно с первой и второй группами информационных входов второго устройства обработки и отображения информации, группа выходов блока предварительной обработки соединена с третьей группой информационных входов второго устройства обработки и отображения информации, а третья группа информационных входов соединена с группой информационных выходов коррелятора.
Заявляемый объект поясняется чертежами, на которых показаны:
на фиг.1 - обобщенный алгоритм определения координат ИРИ;
на фиг.2 - алгоритм работы блока предварительной обработки;
на фиг.3 - обобщенная структурная схема устройства определения координат ИРИ;
на фиг.4 - структурная схема антенно-приемного модуля;
на фиг.5 - структурная схема блока предварительной обработки;
на фиг.6 - структурная схема второго устройства обработки и отображения информации;
на фиг.7 - алгоритм работы второго устройства обработки и отображения информации;
на фиг.8 - внешний вид функций неопределенности для сигнала на частоте 90 МГц с шириной спектра 25 кГц, полученные:
а) методом пассивного синтеза апертур;
б) разностно-дальномерно-фазовым методом;
на фиг.9 - внешний вид функций неопределенности для сигнала на частоте 6 ГГц с шириной спектра 800 кГц, полученные:
а) методом пассивного синтеза апертур;
б) разностно-дальномерно-фазовым методом.
i
Сущность изобретения состоит в следующем. В рамках предложенных материалов акцент сделан на использовании способа пассивного синтеза апертур (Пат. РФ №2594759 - прототип, Пат. РФ №2659808 - аналог и др.), обеспечивающего наиболее высокую точность определения координат узкополосных ИРИ в диапазоне 30-300 МГц. Последний базируется, как правило, на использовании небольших летательных аппаратов, что является экономически обоснованным. Данный подход предлагает использование интерферометрических измерителей (см. Кондратенков Г.С. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли / Г.С. Кондратенков, А.Ю. Фролов. - М.: Радиотехника, 2005. - 368 с). Различают интерферометры фазовые и корреляционные (см. Torrieri L.J. Principles of military communications system. Dedham. Massachusetts, Artech House, inc., 1981. - 298 p.). Потенциальные возможности оценки пространственных параметров ИРИ путем сравнения его фазы выше, чем у корреляционного интерферометра (см. там же), если оцениваемый сигнал узкополосен и имеет малую нестабильность несущей частоты. Поэтому известные способы оценки координат ИРИ, реализующие способ ПСА, при согласованной обработке в качестве разности траекторных значений S(t) используют разность фаз анализируемых сигналов. Однако это приводит к ограничениям используемого диапазона рабочих частот до одной октавы (30-300 МГц) и сокращению класса анализируемых сигналов.
i
Названные недостатки и ограничения в предлагаемом способе устраняются благодаря двухэтапной обработке анализируемых сигналов и совместному использованию в качестве разностных траекторных значений S(t) совокупности разности фаз анализируемого сигнала и их временной задержки (одновременное использование фазового и корреляционного подходов при реализации интерферометра). Назовем данный подход к оцениванию пространственных параметров сигналов разностно-дальномерно-фазовым (РДФ). Практические испытания РДФ измерений показали увеличение верхней границы рабочего диапазона частот измерителя до 16 ГГц и выше, были сняты в значительной степени ограничения по широкополосности оцениваемых сигналов (до 400 МГц).
Другой важный недостаток прототипа и пассивного синтеза апертур в целом состоит в недозволительно большом объеме вычислений, что в ряде случаев ограничивает его применение. Данная проблема в предлагаемом способе решена с использованием двухэтапной обработки сигналов. На первом этапе осуществляют грубую оценку местоположения ИРИ благодаря использованию метода усреднения навигационных параметров (МУН) беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). На втором этапе определяют координаты ИРИ на основе метода согласованной обработки РДФ только в выделенном ограниченном районе на основе текущих (неусредненных) навигационных параметров БПЛА.
Моделирование и практические испытания показали, что совместное использование фазовых и временных параметров сигналов позволяет повысить контрастность формируемого максимума функции неопределенности (на уровне 0,1-0,9), что повышает вероятность правильного определения координат ИРИ. В результате в рабочем диапазоне частот прототипа достигается некоторое (примерно на 3-5%) увеличение точности определения координат ИРИ по мере увеличения ширины спектра сигнала до 30 кГц. Возникающий при этом рост временных затрат полностью компенсируется двухэтапной обработкой сигналов и существенного влияния на их сокращение не оказывает.
0
c
ds
Реализация способа достигается следующей последовательностью действий. На первом этапе с помощью АПМ ОП и ВП, размещенных на подвижных ЛПС (БПЛА) (фиг.1-3), осуществляют прием сигнала ИРИ. При этом на каждом из ЛПС размещают по одному АПМ. Принятый на интервале времени [t; t] высокочастотный сигнал преобразуют в электрический сигнал промежуточной частоты, дискретизируют с частотой F и квантуют его, формируют две последовательности отсчетов квадратурных составляющих на нулевой частоте. Всего получают  комплексных отсчетов радиосигнала ИРИ за время синтеза апертуры  измеренных в моменты времени
0
c
d
Одновременно в интервале времени [t; t] осуществляют определение местоположения фазовых центров антенн (ФЦА) АПМ. Частоту измерений F выбирают из условия получения однозначных результатов пеленгования. Для этого расстояние между отдельными элементами апертуры должно составлять менее половины длины принимаемой радиоволны. В качестве системы координат может быть использована земная гринвичская геоцентрическая система координат (Е) (см. Wang W.Q. Multi-Antennas Synthetic Aperture Radar, Boca Raton, FL; CRC Press, Taylor & Francis, cop., 2013. - 438 p.), или локальная (L) для данного носителя навигационная система координат (ЛСК). Центр последней совпадает с координатами ФЦА в начальный to момент синтеза. Ось Y совпадает с вектором путевой скорости носителя в момент времени to, ось Z - по геофизической вертикали вверх, а ось X дополняет систему до правой. В результате имеем  отсчетов траектории ФЦА за время синтеза апертуры, измеренных в моменты времени  причем
Как правило, навигационные системы носителей измеряют местоположение в земной гринвичской геоцентрической системе координат (ЗСК), а в ЛСК удобно анализировать свойства антенны с синтезированной апертурой. Для пересчета координат ФЦА между ЗСК и ЛСК, примем, что ось Z ЗСК направлена в сторону опорного меридиана, ось Y направлена вдоль оси вращения Земли, ось X дополняет систему до правой, и введем матрицу
где сХ = cos(Х), sX = sin(X). Тогда матрица направляющих косинусов для перехода из ЛСК в ЗСК примет вид:
L
L
V
0
где B, L - геодезические координаты начала ЛСК, Ψ - путевой угол в момент времени t.
0
SA
Известно, что для синфазного сложения радиосигналов в элементах антенной системы допустимой является ошибка положения точек апертуры относительно заданного порядка λ/8, где λ - длина радиоволны, что соответствует ошибке измерения фазы сигнала π/4. В предлагаемом способе необходимо различать ошибки в знании начального положения ФЦА в момент времени t и ошибки его положения относительно начального положения в течение времени синтеза T.
Ошибка в знании начального положения ФЦА приводит к равной ошибке определения местоположения ИРИ, но не влияет на когерентное накопление радиосигнала в апертуре (см. Кондратенков Г.С. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли / Г.С. Кондратенков, А.Ю. Фролов. - М.: Радиотехника, 2005. - 368 с). Требования к знанию начального положения ФЦА определяют исходя из условий обеспечения требуемой точности оценки пространственных параметров сигнала. Ошибка, представляющая собой линейный набег координат ФЦА за время синтеза апертуры, вызванная погрешностями в оценке скорости смещения, повлечет за собой смещение максимума функции неопределенности без ухудшения разрешающей способности измерителя (см. там же). Поэтому требования к частоте измерения местоположения ФЦА вытекают из условий обеспечения требуемой точности пеленгования.
SA
Таким образом, в предлагаемом способе для обеспечения когерентного накопления радиосигнала в апертуре на интервале синтеза T для задачи пассивной локации в качестве допустимой принимается точность считывания координат ФЦА относительно линейного набега в пределах ±λ/8.
i
n
i
n
Измеренные значения квадратурных составляющих сигнала, принятого на ОП и ВП, совместно с данными о пространственном положении ФЦА АПМ и времени их измерения t и t соответственно по соответствующим каналам связи передают на НПУ. Поступившие на НПУ данные о сигнале совместно запоминают (значения квадратурных составляющих сигнала соответствующего пункта и время их измерения t, а также координаты фазового центра антенны АПМ соответствующего пункта и время их измерения t).
Дискретные отсчеты квадратурных составляющих огибающих сигнала, принятые на интервале синтезирования 1-м АПМ от неподвижного источника с длиной волны X в прототипе представлены в виде
ds
m
где  - амплитуда сигнала,  - расстояние от ИРИ до траектории перемещение ФЦА  АПМ в момент времени i,  - отстройка между  АПМ и ИРИ, Δt=1/F - шаг по времени, ϕ(i) - фазовая модуляция сигнала ИРИ,  - нестабильность фазы передающего модуля ИРИ,  - нестабильность фазы  АПМ,  - постоянный фазовый сдвиг для  АПМ. Из выражения (3) следует, что полезной информацией для определения местоположения ИРИ является составляющая фазы, вызванная изменением расстояния от ИРИ до АПМ. Для выделения полезной информации в способе-прототипе предлагается выполнить перемножение сигналов, принятых разными АПМ:
1
где S(i) - сигнал, принятый от ИРИ на первом носителе ОП,  - комплексно сопряженный сигнал, принятый от ИРИ на втором носителе ВП.
1
2
В выражении (4) сделано допущение о возможности пренебречь величиной задержки между сигналами S(i) и S(i), что ограничивает способ-прототип выполнением условия
где Δƒ - полоса принимаемого сигнала, с - скорость света.
0
1
2
В предлагаемом способе снимается ограничение (5), а для определения местоположения ИРИ одновременно используют фазовую составляющую сигнала ϕ и задержку между сигналами S(i) и S(i). В этом случае выражение (4) для результирующего сигнала S(i) примет вид:
12
0
12
1
2
где  Δƒ - отстройка по частоте между первым и вторым АПМ, ϕ - постоянный фазовый сдвиг, Δr(i)= r(i)r(i).
Из выражения (6) видно, что операция (4) устраняет неизвестную отстройку по частоте ИРИ, нестабильность фазы в передающем тракте ИРИ, а также фазовую модуляцию радиосигнала. Синхронизацию приемников ОП и ВП осуществляют с помощью секундных меток времени от навигационного спутникового приемника, точность которых составляет 50 не. Последние используют в совокупности с высокостабильными генераторами, подстраиваемыми по секундной метке времени.
d
Результирующий сигнал S(i) обладает меньшей полосой частот, чем исходные сигналы , принятые АПМ. Полезная информация заключена в составляющей фазы сигнала  и его взаимной задержке  из чего следует, что полоса полезного сигнала определяется диапазоном доплеровских частот, присутствующих в траекторном сигнале. Поэтому частота дискретизации результирующего сигнала (4) может быть понижена до значения F.
На следующем этапе задают систему координат, в которой будет синтезироваться разностная апертура (S). В качестве последней может быть выбрана фиксированная (F) относительно земли декартова система координат (ФСК), местоположение которой задает оператор. При этом ось Y направлена на север по касательной к географическому меридиану, ось Z - по геодезической вертикали вверх, а ось X дополняет систему до правой. В этом случае с учетом (1) матрица направляющих косинусов для перехода от ФСК к ЗСК имеет вид:
F
F
где B, L - геодезические координаты начала ФСК. В качестве альтернативы может быть выбрана одна из ЛСК для используемых носителей. Матрица направляющих конусов для перехода из ЛСК в ФСК имеет вид
Так как система координат может быть задана на первом (предварительном) этапе работы, то в процессе работы задают лишь координаты ее начала.
Далее осуществляют пересчет траекторий двух ФЦА в единую систему координат.
Если траектории ФЦА измеряют в ЗСК, а в качестве системы координат для синтеза разностной апертуры (6) выбрана ФСК (S=F), то пересчет выполняют в соответствии с выражением (7)
где  - номер носителя,  - координаты  ФЦА в ЗСК в момент времени n,  - координаты центра системы координат для синтеза в ЗСК.
с
c
c
х
у
z
х
у
z
На следующем этапе задают рабочую зону для поиска местоположения ИРИ. Данная операция в ряде случаев (при наличии априорной информации о ИРИ) может выполняться одной из первых на подготовительном этапе для повышения быстродействия предлагаемого способа (аналогично известным решениям, предложенным в Пат. РФ №№2296341, 2327186, 2659808 и др.). В общем случае и для удобства рассмотрения задание используемой в измерениях системы координат и рабочей зоны поиска ИРИ осуществляет оператор совместно. С этой целью координаты центра рабочей зоны поиска (Х, Y, Z), максимальное отклонение от центра по трем осям выбранной системы координат (М, М, M), шаг квантования пространства по каждой из осей (А, А, A) задают из условия обеспечения требуемой точности и разрешающей способности измерителя. При этом число градаций по осям координат составляет , где  - операция округления до целого.
x
y
z
Точки пространства в пределах рабочей зоны в соответствии с выбранными шагами дискретизации по каждой из осей нумеруют:  по оси X,  по оси Y,  по оси Z. При этом (k, k, k)-тая точка имеет координаты  Всего получается  элементов разрешения, при этом k-й элемент разрешения задается трехмерным вектором
Шаг квантования пространства по каждой из осей должен быть меньше разрешающей способности измерителя по соответствующей оси.
Известно, что разрешение вдоль линии движения носителя (по азимуту) и при условии прохождения радиосигнала в одном направлении определяется выражением (см. Кондратенков Г.С. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли / Г.С. Кондратенков, А.Ю. Фролов. - М.: Радиотехника, 2005. - 368 с.)
н
н
где R - наклонная дальность от носителя до ИРИ, d - размер синтезированной апертуры, θ - угол наблюдения ИРИ. Очевидно, что разрешение зависит от расстояния между носителем и ИРИ, а так же от угла наблюдения. Минимально достижимое разрешение по одной из координат для апертуры, синтезированной на 1-й носителе, в пределах рабочей зоны определяет как
где  - минимальная наклонная дальность от  носителя до ИРИ.
Предусматривая возможность двукратного улучшения разрешения в случае синтеза разностной апертуры для произвольной траектории полета  носителя шаг квантования пространства по горизонтальным осям может быть установлен
На следующем этапе способа формируют опорные (эталонные) сигналы для всех K элементов разрешения с заданной длиной волны λ. Опорный (эталонный) траекторный сигнал от монохроматического стационарного источника с длиной волны λ расположенного в k-м элементе разрешения с координатами  определяется как
n
где  - координаты  ФЦА в системе координат (S) в момент времени t. Опорный (эталонный) разностный траекторный сигнал для k-го элемента разрешения из совокупности K находят из выражения
Далее осуществляют обработку траекторного сигнала. Для каждого k-го элемента разрешения вычисляют характеризующую его величину:
k
На основании полученных значений A приступают к построению пространственного изображения.
k
k
Совокупность величин A представляет собой функцию пространственной неопределенности (ФН), которая характеризует рассогласование принятого разностного траекторного сигнала от ИРИ и опорного (эталонного) разностного траекторного сигнала, рассчитанного при известных траекториях движения задействованных ФЦА и известных координатах ИРИ. Для каждой точки пространства вдоль вертикальной оси  строят пространственное изображение ФН на плоскости, проходящей через z. Данную двумерную ФН обозначим
В связи с тем, что нахождение функции пространственной неопределенности  предполагает выполнение большого объема вычислений в заявляемом способе разбивают эту операцию на два этапа: грубую оценку (первый этап) и точную (второй этап).
На первом этапе нахождения функции пространственной неопределенности используют метод усреднения навигационных данных (МУН) вектора скорости БПЛА  и координат его местоположения  Длительность интервала усреднения (апертуры) навигационных параметров  определяется из выражения
c
c
нав
а
где с - скорость света, ƒ - несущая частота ИРИ, v - скорость ЛПС в i-й момент времени,  - необходимое разрешение по пространству. Так, для ƒ=700 МГц, v=40 м/с, а=0,0175 рад. (1 градус), Т=0,6 с, что примерно совпадает с максимумом по достигаемой точности измерений.
гр
В результате выполнения первого этапа вычислений на основе использования усредненных значений скорости перемещения ОП и ВП и координат их нахождения формируют функцию пространственной неопределенности и грубо определяют местоположение ИРИ по ее максимуму (x, y, z).
При реализации первого этапа измерений (см. фиг.1, 2) методом МУН эталонные значения  рассчитывают на каждом интервале усреднения для одной дальности и одной апертуры для каждой точки к зоны поиска. В прототипе, реализующем метод ПСА, эталоны определяют для каждого отсчета навигации (географического положения БПЛА) для каждой точки контролируемого района. Сокращение количества формируемых эталонов приводит к резкому сокращению временных затрат на их поиск.
На втором этапе (см. фиг.1, 7) выделяют уточненный район для анализа, площадь которого существенно меньше исходного. Координаты центра последнего соответствуют (х', у', z'). Размеры этого района (объема) обычно задают на подготовительном этапе с помощью значений . Рассчитывают ФН для найденного района по аналогии с прототипом с использованием метода РДФ на основе соответствующих навигационных данных ОП и ВП. Определение максимума ФН (координат ИРИ) на обоих этапах осуществляют с помощью «детектора постоянной ложной тревоги» (см. CHEN Gang and WANG Jun, Target detection method in passive bistatic radar // National Laboratory of Radar Signal Processing, Xidian University. - 2020. - 514-515 p.). Границы уточненного района могут быть заданы с использованием определенного уровня от максимального значения ФН, полученному на первом этапе оценивания.
В связи с тем, что размеры уточненного района существенно меньше исходного контролируемого района, временные затраты на определение эталонных значений  пропорционально сокращаются, чем и достигается положительный эффект.
1
m
1
m
Устройство определения координат источника радиоизлучения (см. фиг.3), содержит два и более идентичных БПЛА 1-1 и наземный пункт управления 2, причем каждый БПЛА 1-1 выполнен содержащим последовательно соединенные контроллер 1.6, рулевой привод 1.7 и аэродинамические рули 1.9, автопилот 1.2, группа информационных входов которого соединена с второй группой информационных выходов контроллера 1.6, первая группа информационных входов которого соединена с группой информационных выходов автопилота 1.2, двигательную установку 1.1, группа информационных входов которой соединена с третьей группой информационных выходов контроллера 1.6, первый L-канальный приемопередающий модуль 1.8, группа информационных входов которого соединена с четвертой группой информационных выходов контроллера 1.6, вторая группа информационных входов которого соединена с первой группой информационных выходов первого приемо-передающего модуля 1.8, последовательно соединенные антенно-приемный модуль 1.3, первое запоминающее устройство 1.4 и передающий модуль 1.10, блок навигации БПЛА 1.5, группа информационных выходов которого соединена со второй группой информационных входов первого запоминающего устройства 1.4, а группа входов управления антенно-приемного модуля 1.3 соединена с второй группой информационных выходов первого приемо-передающего модуля 1.8, а наземный пункт управления 2 выполнен содержащим последовательно соединенные первый блок управления 2.1, второй L-канальный приемо-передающий модуль 2.2 и первое устройство обработки и отображения информации 2.7, последовательно соединенные L-канальный приемный модуль 2.3, второй блок управления 2.8, блок предварительной обработки 2.5 и второе устройство обработки и отображения информации 2.6, группа информационных выходов которого является выходной шиной 2.12 наземного пункта управления 2, коррелятор 2.4, группа информационных выходов которого соединена с группой информационных входов блока предварительной обработки 2.5, группа информационных входов объединена с первой группой входов второго блока управления 2.8, вторая группа выходов которого соединена со второй группой информационных входов второго приемо-передающего модуля 2.2, второе запоминающее устройство 2.9, группа информационных входов которого является второй установочной шиной 2.11 наземного пункта управления 2, а группа информационных выходов соединена со вторыми группами входов блока предварительной обработки 2.5 и второго устройства обработки и отображения информации 2.6, первая группа входов которого объединена с первой группой входов блока предварительной обработки 2.5, а вторая группа информационных входов второго блока управления 2.8 является первой установочной шиной 2.10 наземного пункта управления 2.
Заявляемое устройство определения координат источника радиоизлучения работает следующим образом (см. фиг.1 и 3).
1
2
ds
d
ds
n
с
c
c
х
у
z
х
у
z
На подготовительном этапе по первой входной шине 2.10 наземного пункта управления 2 задают диапазон рабочих частот ΔF и маршруты полета БПЛА 1 и 1, значения F и F, T, T. По второй входной шине 2.11 задают цифровую карту района контроля, координаты центра зоны контроля (Х, Y, Z), максимальное отклонение от центра зоны контроля по трем осям (М, М, M), максимальное отклонение от центра уточненной зоны контроля  шаг квантования пространства по каждой из осей (Δ, Δ, Δ) из условия обеспечения требуемой точности и разрешения измерителя, число градаций по осям координат  где  - операция округления до целого.
x
y
z
Точки пространства в пределах заданной зоны контроля в соответствии с выбранными шагами дискретизации по каждой из осей нумеруют:  по оси  по оси Y,  по оси Z. При этом (k, k, k)-я точка имеет координаты:  Всего получается  элементов разрешения, при этом k-й элемент разрешения задается трехмерным вектором
Названные величины записываются во второе запоминающее устройство 2.9, представляющее собой буферную память. В процессе работы заявляемого устройства названные величины могут быть откорректированы.
Квантование пространства зоны контроля и его описание может быть также выполнено другим известным способом, подробно рассмотренным в пат. РФ №№2283505,2327186.
1
2
1
2
Управление взлетом, полетом и посадкой БПЛА 1 и 1 осуществляют с первого автоматизированного рабочего места наземного пункта управления 2, состоящего из первого блока управления 2.1, второго приемопередающего модуля 2.2 и первого устройства обработки и отображения информации 2.7. Данную операцию осуществляют по первому низкоскоростному дуплексному радиоканалу с использованием модулей 1.8 и 2.2. Маршруты полета БПЛА 1 и 1 определяются исходя их заданной зоны контроля в соответствии с рекомендациями, сформированными в Пат. РФ №2394759. Сигналы управления блока 2.1 по аналогии с прототипом, через модули 2.2 и  поступают на вход контроллера  где они преобразуются к виду, необходимому для управления двигательной установкой 1.1. Далее с выхода блока  они следуют на группу входов двигательной установки  и через рулевой привод  изменяют углы настройки крыльев, конфигурацию их поверхности и другие параметры управления движением БПЛА  Автопилот  обеспечивает необходимую стабилизацию положения БПЛА  в пространстве на заданной блоком 2.1 высоте, парирование ветровых возмущений, движение по заданному маршруту и т.д. Воздействие автопилота  на двигательную установку  и через рулевой привод  - на аэродинамические рули  осуществляется через контроллер  Последний формирует по исходным данным блока  необходимые команды управления функциональным узлам БПЛА. Следует отметить, что первое автоматизированное рабочее место в состоянии одновременно управлять полетом до четырех БПЛА типа «Орлан-10».
1
2
Непосредственное участие в измерении координат источников радиоизлучений на борту БПЛА 1 и 1 принимают антенно-приемный модуль  первое запоминающее устройство  блок навигации БПЛА  и передающий модуль  а в наземном пункте управления 2 - второе автоматизированное рабочее место в составе приемного модуля 2.3, коррелятора 2.4, блока предварительной обработки 2.5, второго устройства обработки и отображения информацией 2.6, второго блока управления 2.8 и второго запоминающего устройства 2.9.
1
2
С помощью АПМ 1.3 и 1.3 ОП и ВП соответственно (см. фиг.4), размещенных на БПЛА, осуществляют прием сигнала ИРИ. На каждом из носителей (например, Орлан-10) размещается по одному АПМ. Данное обстоятельство позволило резко сократить массогабаритные характеристики АПМ и потребляемую ими электроэнергию и как следствие - возможность их размещения на малых БПЛА.
0
c
ds
i
Принятый антенным элементом (АЭ) блока  на интервале времени [t; t] высокочастотный сигнал преобразуют в электрический сигнал промежуточной частоты, дискретизируют с частотой F и квантуют его. В качестве АЭ используют штыревую антенну согласованной длины. В связи с тем, что рабочая полоса частот достаточно широка (30 МГц-16 ГГц), потребовало дополнительное введение в модуль  широкополосного (до 400 МГц) антенного усилителя. Далее в блоке  формируют две последовательности отсчетов квадратурных составляющих на нулевой частоте. Всего получают  комплексных отсчетов радиосигнала ИРИ за время синтеза апертуры  измеренных в моменты времени  Измеренные значения квадратурных составляющих сигнала поступают на первую группу информационных входов совместно со значениями времени их получения t. Здесь они попарно  запоминаются.
0
c
d
Одновременно с помощью блока 1.5 в интервале времени [t;t] осуществляют определение местоположения фазовых центров антенн АПМ  в гринвичской (Е) геоцентрической системе координат. Под ФЦА будем понимать местоположение точки крепления АЭ к корпусу БПЛА. Частота измерений F выбирается из условия получения однозначных результатов измерений, а, следовательно, расстояние между отдельными элементами апертуры должно составлять менее половины длины принимаемого радиосигнала. Измеренные координаты БПЛА  и время их измерения совместно поступают на вторую группу информационных входов блока  где осуществляется их запоминание. Следует отметить, что блок  выполняет функцию буферного запоминающего устройства. Две пары измеренных параметров (квадратурные составляющие сигнала и их время измерение, координаты местоположения БПЛА и время их измерения) поступают на группу информационных входов передающего модуля 1.10 и далее по высокоскоростному симплексному каналу на второе АРМ НПУ 2. Реализация блока  по сравнению с аналогичными блоками известных аналогов, реализующих угломерный способ местоопределения, существенно упрощается. Это связано с тем, что в заявляемом устройстве не востребована информация о угле сноса БПЛА  в силу того обстоятельства, что в качестве антенны блока  используется штырь с круговой диаграммой направленности.
SA
n
Измеренные за время синтеза T значения оцениваемых параметров  и координаты БПЛА  с борта  БПЛА  через блок 2.3 поступают на соответствующую группу информационных входов коррелятора 2.4. Здесь  - соответственно широта, долгота и высота  БПЛА в момент времени t. Аналогичная информация поступает на соответствую группу информационных входов блока 2.4 с другого БПЛА  В функцию блока 2.4 входит выполнение операции (4). В результате устраняется неизвестная отстройка по частоте приемного тракта блока 1.3 и анализируемого ИРИ, нестабильность фазы в передающем тракте этого ИРИ, а также фазовая модуляция радиосигнала. Синхронная работа блоков  и  осуществляется с помощью секундных меток времени, принимаемых блоками  Последние дополнены высокостабильными генераторами, запускаемыми этими метками.
Полученные результаты поступают на вторую группу входов блока предварительной обработки 2.5. Одновременно значения квадратурных составляющих сигналов с обоих БПЛА  поступают на соответствующие входы первой группы входов второго блока управления 2.8. В блоке 2.8 осуществляется анализ принятых квадратур сигналов (пороговая обработка) на предмет одновременного наличия сигналов с бортов обоих БПЛА. В случае принятия сигнала обоими модулями  на выходе блока 2.8 формируется управляющий сигнал блоку 2.5 на реализацию синтеза разностной апертуры. В противном случае, когда прием сигнала обеспечивается только одним АПМ  блок 2.8 сигнализирует о необходимости изменения маршрута полета соответствующего носителя (БПЛА).
В функции блока предварительной обработки 2.5 (см. фиг.2.5) входит грубое оценивание местоположения ИРИ (метод МУН) на основе вычисления усредненных пространственных параметров БПЛА (14), формировании синтезированной апертуры на основе S(n) (4), вычисления эталонных траекторных сигналов в соответствии с (11) и (12), выполнение согласованной обработки траекторных сигналов (13), построения пространственного изображения (13) с целью нахождения элемента разрешения с наибольшей величиной функции пространственной неопределенности
Полученные на основе  координаты являются предварительными.
Далее они используются в качестве центра уточненной зоны для последующего анализа. Ее размеры задают на подготовительном этапе. Для этого может быть использован один из подходов:
зона со стандартным (заданным) размером  и центром с координатами  которые соответствуют
зона анализа с границами, в которой значение функции пространственной неопределенности conv  не менее заданной величины. На выходе блока предварительной обработки 2.5 присутствует информация о координатах центра уточненного района для последующего анализа во втором устройстве обработки и отображения информации 2.6.
В функции второго устройства обработки и отображения информации 2.6 (см. фиг.6 и 7) входит формирование границ уточненной зоны (объема) контроля, формирование синтезированной апертуры на основе S(n) (4) для уточненной зоны, вычисление сигналов эталонных траекторных сигналов в соответствие с (11) и (12), выполнение согласованной обработки траекторных сигналов и построение пространственного изображения в соответствии с (13) с последующим нахождением элемента разрешения с наибольшей величиной функции пространственной неопределенности . Формирование уточненной зоны контроля осуществляют на основе полученных с группы выходов блока 2.5 координат ее центра (x',y',z') на основе значений максимального отклонения от него по трем осям выбранной системы координат . Последние задают на подготовительном этапе по второй входной шине 2.11 (см. фиг.3 и 6).
1
2
Результаты определения координат отражаются на мониторе блока 2.6 на фоне цифровой карты заданного района и одновременно в заданном формате поступают на выходную шину 2.12 НПУ 2. С помощью блока 2.8 осуществляется управление одновременной перестройкой приемных трактов АПМ 1.3 и 1.3.
Все функциональные элементы и блоки предполагаемого устройства широко освещены в литературе и серийно выпускаются.
1
L
В качестве БПЛА 1-1 целесообразно использовать серийно выпускаемый Обществом с ограниченной ответственностью «Специальный Технологический Центр», город Санкт-Петербург, БПЛА «Орлан-10» (см. http://bp-la.ru/bpla-orlan-10/). Масса полезной нагрузки БПЛА составляет 5 кг, способ старта - с разборной катапульты, приземление - на парашюте. Воздушная скорость БПЛА 90-150 км/ч, максимальная продолжительность полета - 16 часов, максимальная дальность - 600 км, максимальная высота - 5 км.
Антенно-приемный модуль 1.3 предназначен для приема сигналов ИРИ в диапазоне частот 30 МГц-16 ГГц, преобразования их на промежуточную частоту, например, 90 МГц, с последующим преобразованием принятых сигналов в цифровую форму (см. фиг.4). Его реализация известна и трудностей не вызывает. Модуль 1.3 содержит последовательно соединенные штыревую антенну 1.3.1, антенный усилитель и разветвитель 1.3.2, блок приема и преобразования 1.3.3 и блока аналого-цифровых преобразователей 1.3.4, группа информационных выходов которого является группой информационных выходов антенно-приемного модуля 1.3, блок опорных частот 1.3.5, первая группа входов которого является входом управления антенно-приемного модуля 1.3, вторая группа входов является опорным входом антенно-приемного модуля 1.3, первый, второй и третий выходы блока 1.3.5 соединены с опорными входами соответствующих приемных каналов блока приема и преобразования 1.3.3, а четвертый выход соединен с опорными входами блока аналого-цифрового преобразователей.
1
2
Работа антенно-приемного модуля 1.3 осуществляется следующим образом. Принимаемый антенной 1.3.1 сигнал усиливается в блоке 1.3.2 и через разветвитель поступает на входы трехканального блока приема и преобразования 1.3.3. Последний предназначен для одновременного приема радиосигналов в полосе 60 МГц, обеспечения предварительной селекции сигналов и преобразования их на промежуточную частоту, например, 90 МГц. Полоса  в 60 МГц обеспечивается компактной настройкой трех приемных каналов по 20 МГц каждый. При необходимости полоса приема сигналов антенно-приемного модуля 1.3 может быть увеличена до необходимого значения, например, до 1 ГГц. Такую настройку каналов блока 1.3.3 обеспечивают опорные напряжения, формируемые блоком 1.3.5. Перестройка блока 1.3.3 в рабочей полосе ΔF (30 МГц-16 ГГц) осуществляется также блоком 1.3.5 по командам второго блока управления 2.8. Синхронность перестройки АПМ 1.3 и 1.3 в полосе AF осуществляется по секундным меткам, поступающим на опорные входы модулей 1.3 (блоки 1.3.5).
Принятые в блоке 1.3.3 и преобразованные сигналы с выходов приемных каналов поступают на соответствующие входы трехканального блока аналого-цифровых преобразователей 1.3.4. Здесь принятые сигналы раскладываются на квадратуры и оцифровываются. В результате на выходе модуля 1.3 формируется цифровой поток квадратур, принятых в полосе 60 МГц.
Реализация всех элементов модуля 1.3 известна и трудностей не вызывает. Блок приема и преобразования 1.3.3 предназначен для одновременного приема сигналов в широкой 60 МГц полосе частот и преобразование их на промежуточную частоту, например, 90 МГц. Его реализация известна и трудностей не вызывает (см. Фомин Н.Н., Буга Н.Н. и др. Радиоприемные устройства: Учебник для вузов. - 3-е изд., стереотип. - М.: Горячая линия-Телеком, 2007. - С. 520; Головин О.В. Радиоприемные устройства, - М.: Горячая линия - Телеком, 2004 г.).
Блок аналого-цифровых преобразователей 1.3.4 может быть реализован на серийно выпускаемых фирмой ZETlab Studio изделиях (http://www.zetlab.ru/catalog/). Возможны и другие реализации блока 1.3.4 (см. «Профессиональное оборудование и технологии» http://www.protehnology.ru/page/about/).
Блок опорных частот 1.3.5 предназначен для формирования высокостабильного сигнала с частотой 120 МГц. Он содержит опорный генератор, обеспечивающий формирование высокостабильного аналогового сигнала с частотой 10 МГц (выполняется на основе DDS-синтезатора).
С выхода синтезатора сигнал с уровнем - 4 дБм поступает на усилитель с коэффициентом усиления 14 дБ и далее на формирователь меандра с частотой 120 МГц. Последний целесообразно изготовить на компараторе ADCMP 551 фирмы Analog Devices (http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADCMP551_552_553.pdf).
Антенный усилитель может быть реализован с помощью изделия фирмы IKUSI SBA 110, а разветвитель: TLPG-3E фирмы LANS. В качестве 1.3.1 использован согласованный несимметричный вибратор.
n
n
Первое запоминающее устройство  предназначен для упорядоченного хранения квадратурных составляющих сигнала  совместно со значениями времени их получения и, а также координат БПЛА (X, Y, Z) и времени их измерения t. Представляет собой буферное запоминающее устройство и легко реализуется на репрограммируемых постоянных запоминающих устройствах (серии КМ 1609) и дискретных элементах ТТЛ-серии (см. Большие интегральные схемы запоминающих устройств: Справочник / А.Ю. Гордонов и др.; Под ред. А.Ю. Гордонова. - М.: Радио и связь, 1990. - 288 с.)
Реализация блока навигации 1.5 известна и трудностей не вызывает. Для обеспечения более высокой точности местоопределения (3-5 м) блок 1.5 может быть реализован в соответствие с Пат. РФ №№2553270, 2371733 или 2374659.
1
2
1
L
Управление БПЛА «Орлан-10» реализуют с первого АРМ (блоки 2.1,2.2 и 2.7) по низкоскоростному каналу связи на частотах 900-920 МГц в режиме псевдослучайной перестройки рабочей частоты. По этому каналу (блоки 2.2 и 1.8) осуществляют задание маршрута полета, высоту полета и порядок облета: проход на высоте или барражирование и т.д. Управляющая информация формируется с помощью блока 2.1, в качестве которого может использоваться ноутбук. Кроме того, блоком 2.8 формируются команды на перестройку АПМ 1.3 БПЛА 1 и 1 (в общем случае 1-1).
1
2
Результаты измерений с бортов БПЛА 1 и 1 на НПУ 2 поступают по соответствующим высокоскоростным каналам на второе АРМ наземного пункта управления 2. Дальность связи зависит от высоты полета и местных условий и в среднем составляет 100-130 км. С помощью второго АРМ осуществляют обнаружение, распознавание и определение координат заданных ИРИ.
Коррелятор 2.4 предназначен для выполнения вычислений в соответствии с выражением (4). Его реализация известна и трудностей не вызывает (см., например, Пат. РФ №1840069, МПК G06F 17/15; Залмазон Л.А. Преобразование Фурье, Уолша, Харра и их применение в управлении, связи и других областях. - М.: Наука, 1989. - 496 с).
с
c
c
х
у
z
x
y
z
x
y
z
Второе запоминающее устройство 2.9 предназначено для хранения исходных данных: координат центра района поиска (Х, Y, Z), максимального отклонения от центра района поиска (М, М, M) и уточненного района поиска  шага квантования пространства поиска (Δ, Δ, Δ), числа градаций по осям координат (N, N, N), цифровой карты района поиска (зоны контроля). Эти данные поступают перед началом работы устройства по второй входной шине 2.11 наземного пункта управления 2. Они необходимы для выполнения вычислений, выполняемых блоками 2.5 и 2.6 в процессе работы заявляемого устройства, а также индикации полученных результатов на экране блока 2.13. Реализация блока 2.9 известна и трудностей не вызывает (см. Лебедев О.Н. Микросхемы памяти и их применение. - М.: Радио и связь, 1990. - 160 с; Большие интегральные схемы запоминающих устройств: справочник / А.Ю. Гордонов и др.; Под ред. А.Ю. Гордонова и Ю.Н. Дьякова. - М.: Радио и связь, 1990. - 288 с.).
Блок предварительной обработки 2.5 (см. фиг.5) предназначен для грубого определения координат ИРИ путем реализации операций МУН в соответствии с выражениями (11) - (14). На постоянной основе в алгоритме работы блока 2.5 прописана система координат, в которой будет синтезироваться разностная апертура. В качестве последней целесообразно использовать фиксированную относительно земли декартову систему координат (F). Местоположение начала которой задает оператор через второй блок управления 2.8. При этом ось Y направлена на север по касательной к географическому меридиану, ось Z- по геодезической вертикали вверх, а ось X дополняет систему до правой. Известно, что навигационная система носителя  измеряет местоположение в земной системе координат (Е), то пересчет траекторий ФЦА двух АПМ в блоке 2.5 осуществляют в единой системе координат (S) в соответствии с выражением (7)
- номер носителя,  - координаты  ФЦА в земной (Е) системе координат в момент времени n.
Кроме того, для расчета эталонных сигналов в соответствии с (11) и (12) на третью группу входов блока 2.5 поступают (с группы информационных выходов блока 2.9) исходные данные:
Блок предварительной обработки 2.5 (см. фиг.5) содержит последовательно соединенные первый коррелятор 2.5.5, второй сумматор 2.5.6, делитель 2.5.7, блок памяти 2.5.8 и блок анализа 2.5.9, группа выходов которого является группой выходов блока предварительной обработки 2.5, последовательно соединенные блок возведения в квадрат 2.5.1, первый сумматор 2.5.2, блок извлечения квадратного корня 2.5.3 и умножитель 2.5.4, группа информационных выходов которого соединена с группой входов делителя блока 2.5.7, последовательно соединенные первый вычислитель 2.5.10, второй вычислитель 2.5.11 и второй коррелятор 2.5.12, группа выходов которого соединена со второй группой информационных входов первого коррелятора 2.5.5, вторая группа информационных входов умножителя 2.5.4 объединена с группами входов управления первого 2.5.2 и второго 2.5.6 сумматоров и второй группой информационных входов первого вычислителя 2.5.10 и является первой группой входов блока предварительной обработки 2.5, вторая группа входов которого соединена со второй группой входов первого вычислителя 2.5.10, первая группа информационных входов которого объединена с группой информационных входов блока возведения в квадрат 2.5.1, второй группой информационных входов блока анализа 2.9 и группой информационных входов первого коррелятора 2.5.5 и является третьей группой входов блока 2.5.
Работа блока предварительной обработки 2.5 осуществляется под управлением блока 2.8.
1
2
Штатный режим работы заявляемого устройства предусматривает синтез разностной апертуры при одновременном приеме НПУ 2 сигналов от двух пространственно разнесенных АПМ 1.3 и 1.3.
k
SA
k
2
нав
k
Разностные траекторные сигналы S(n), взятые в момент времени  с выходов коррелятора 2.4 поступают на первую группу входов первого коррелятора 2.5.5. Кроме того, значение S(n) одновременно поступает на информационные входы блока возведения в квадрат 2.5.1 и первого вычислителя 2.5.11. С помощью блоков 2.5.1 - 2.5.4, 2.5.5 - 2.5.7 и 2.5.10 - 2.5.12 для каждого элемента разрешения зоны контроля вычисляется характеризующая его величина A в соответствии с (13). При этом с помощью блоков 2.5.5, 2.5.6 и 2.5.10-2.5.12 определяется модуль суммы корреляционных функций  для n=0, 1,…, N. Эталонный разностный траекторный сигнал P (n) находится с помощью блоков 2.5.10-2.5.12. В первом вычислителе 2.5.10 осуществляется пересчет траекторий двух ФЦА в единую систему координат (S) в соответствии с (7). С учетом того, что выполняют переход от земной системы координат (Е) к фиксированной относительно земли декартовой системе координат (S) выражение (7) преобразуется в (16). Для реализации данной функции на первую группу информационных входов блока 2.5.10 с первой группы входов второго блока управления 2.8 поступают геодезические координаты начала ФСК (S). На второй группе его информационных входов присутствуют координаты  ФЦА в земной (Е) системе координат в момент времени n . Полученные на выходе блока 2.5.10 значения  поступают на группу информационных входов второго вычислителя 2.5.11. В функции последнего входит определение интервала усреднения пространственных параметров БПЛА 11 и 1 Т в соответствии с (14), вычисление опорных (эталонных) сигналов с длиной волны λ для каждого элемента разрешения заданной зоны контроля  в соответствии с (10). Далее в корреляторе 2.5.13 определяется разностный траекторный сигнал P(n) в соответствии с (11). Значение  поступает на вторую группу информационных входов первого коррелятора 2.5.5.
Блоки 2.5.1 - 2.5.4 предназначены для определения величины, необходимой для выполнения операции нормирования в выражении (12).
k
k
На выходе делителя 2.5.7 формируется величина A, характеризующая k-й элемент разрешения зоны контроля. Полученные по выше рассмотренному алгоритму значения A, k=0,1,…K-1, запоминаются в соответствующих ячейках блока памяти 2.5.9. Предварительное нахождение местоположения ИРИ осуществляют путем поиска элемента разрешения с наибольшей данной величиной
с помощью блока анализа 2.5.9. Результаты измерений координат ИРИ (x',y',z') совместно с разностными траекторными сигналами S'(n) поступают на третью группу информационных входов второго устройства анализа и отображения информации 2.6.
1
2
В случае необходимости перестройки приемных трактов АПМ 1.3 и 1.3 в частотном диапазоне AF блоком управления 2.8 формируется соответствующая команда, поступающая через блоки 2.2 и 1.8 на борт БПЛА (блок 1.3.5).
При возникновении ситуации, когда обеспечен прием сигналов лишь одним АПМ 1.31, блоком управления 2.8 формируется информация для оператора о необходимости изменения маршрута полета соответствующего БПЛА.
F
F
1
2
Второе устройство обработки и отображения информации 2.6 (см. фиг.6) предназначено для точного определения координат ИРИ (второй этап оценивания) в ограниченной (уточненной) зоне путем реализации метода РДФ при совместном использовании временных и фазовых параметров сигнала. В блоке 2.6 используют фиксированную относительно Земли декартову систему координат (F). Местоположение начала координат задает блок 2.5. Кроме того, для расчета эталонных сигналов в соответствии с (11) и (12) на вторую группу входов блока 2.6 (с группы информационных выходов блока 2.9) поступают данные о размерах уточненной зоны контроля . Дополнительно для обеспечения наглядности результатов определения координат ИРИ на вторую группу входов блока 2.6 подают цифровую карту зоны контроля (района поиска) и уточненного района контроля. На первую группу входов блока 2.6 с группы выходов второго блока управления 2.8 поступают данные о пространственном положении (B, L, 0) АПМ 1.3 и 1.3.
Второе устройство обработки и отображения информации 2.6 (см. фиг.6) содержит блок индикации, последовательно соединенные блок расчета нормирующего коэффициента 2.6.1, делитель 2.6.4, блок памяти 2.6.6 и блок анализа 2.6.8, группа выходов которого является выходной шиной 2.12 наземного пункта управления 2, последовательно соединенные блок расчета эталонов 2.6.5, коррелятор 2.6.2 и сумматор 2.6.3, группа выходов которого соединена с второй группой входов делителя 2.6.4, третья группа входов блока расчета эталонов 2.6.5 объединена со второй группой входов блока индикации 2.6.7 и является второй группой входов устройства обработки и отображения информации 2.6, вторая группа входов блока расчета эталонов 2.6.5 объединена со второй группой входов блока расчета нормирующего коэффициента 2.6.1, второй группой входов сумматора 2.6.3 и является первой группой входов второго устройства обработки и отображения информации 2.6, первая группа входов блока 2.6.5 объединена с группами входов блока расчета нормирующего коэффициента 2.6.1 и второй группой входов коррелятора 2.6.2 и является третьей группой входов второго устройства обработки и отображения информации 2.6.
n
k
Разностные траекторные сигналы S'(n), полученные в моменты времени t,  с выхода блока 2.5 поступает на вторую группу входов коррелятора 2.6.2. Кроме того, значение S'(n) поступает на вход блока расчета нормирующего коэффициента 2.6.1. С помощью блоков 2.6.1 - 2.6.6 и 2.6.8 для каждого элемента разрешения уточненной зоны контроля вычисляют значение A в соответствии с (13).
В функции блока 2.6.5 входит определение значения разностного траекторного сигнала  в соответствии с (12). Значение  поступает на первую группу информационных входов коррелятора 2.6.2.
Блок 2.6.1 предназначен для нахождения величины  необходимой для выполнения операции нормирования (см. выражение 13).
k
k
На выходе делителя 2.6.4 формируется A, характеризующее k-й элемент разрешения ФН уточненной зоны контроля. Полученные значения A запоминают в соответствующих ячейках блока памяти 2.6.6. Уточненное местоположение ИРИ осуществляют путем поиска элемента размещения с наибольшей данной величиной
с помощью блока 2.6.8. Результаты измерений координат ИРИ поступают на первую группу вход блока индикации 2.6.7 и подсвечиваются на мониторе на фоне цифровой карты заданного района. Последняя поступает на вторую группу информационных входов блока 2.6.7 с группы выходов блока 2.9. Кроме того, результаты измерений с выхода блока 2.6.8 в заданном формате поступают на выходную шину 2.12 НПУ 2.
Реализация всех элементов блока 2.5 и 2.6 известна и трудностей не вызывает. Для уменьшения массогабаритных характеристик, потребляемого тока последние целесообразно реализовать на специализированном процессоре TMS320c6416 (см. TMS320c6416: http://www.ti.com/lit/ds/sprs226m/sprs226m.pdf). Алгоритм работы блоков 2.5 и 2.6 приведен на фиг.2 и 7 соответственно.
ds
SA
d
SA
F
F
SA
Второй блок управления 2.8 предназначен для управления работой АПМ  (с его помощью задаются значения F, T, F, N, управляет перестройкой приемных трактов в полосе частот ΔF), блока предварительно обработки 2.5 (задает точку начала координат (B, L, 0), параметр N), и второго устройства обработки и отображения информации 2.6. Кроме того, блок 2.8 обеспечивает принятие решения о текущем приеме сигналов одного или обеих АПМ. Реализация блока известна и трудностей не вызывает. Может быть реализован на микропроцессорной сборке с достаточным быстродействием (см. Шевкопляс Б.В. микропроцессорные структуры, инженерные решения: Справочник. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1990. - 512 с.)
В обществе с ограниченной ответственностью «Специальный Технологический Центр», г. Санкт-Петербург, выполнено макетирование предлагаемого устройства.
В качестве блока приема и преобразования 1.3.3 использован «Модуль приема и преобразования», разработанный ООО «СТЦ» и получивший наименование УИЕС 468151.013. Последний представляет из себя трехканальное радиоприемное устройство с полосой пропускания 20 МГц каждого из каналов. Обеспечивает одновременный прием сигналов в полосе 60 МГц. В качестве блока опорных частот 1.3.5 использован «Модуль генераторов частот 10/120 МГц», получивший наименование УИЕС 467871.006, разработанный ООО «СТЦ». Блоки 2.4, 2.5, 2.6, 2.8 и 2.9 были одновременно реализованы на персональном компьютере. В качестве минимальных требований к нему можно предъявить следующее: процессор Core i 5 2000 МГц, 1 ГБ оперативной памяти, 200 МБ свободного пространства на жестком диске. Программная составляющая: операционная система Windows ХР SP2 и выше, библиотека NetFrame Work 4.0, цифровая карта местности с информацией о рельефе и формате совместимом с картами «Группы «Панорама».
Выполнено моделирование и экспериментальная проверка предлагаемых способа и устройства определения координат ИРИ. Для этой цели совместно с названными элементами макета устройства были использованы БПЛА «Орлан-10» производства ООО «СТЦ» г. Санкт-Петербург. В качестве источника сигналов применялись радиостанции TR 600 с, VX-6R и генератор фирмы Marconi Instruments SG 2022 с. Геодезические координаты источников были известны с высокой точностью. Во всех экспериментах, для удобства, начало ФСК было совмещено с координатами ИРИ. Последние обеспечивали излучение радиосигналов на различных частотах с наиболее распространенными видами модуляции для диапазона волн 30 МГц - 16 ГГц.
ds
Выполнен сравнительный временной анализ для методов ПСА (прототип), РДФ и предлагаемого способа на основе двухэтапной обработки (МУН на первом этапе и РДФ на втором) в зависимости от частоты дискретизации сигнала F на частоте 60 МГц (см. табл.1) на уровне 0,5 от максимального значения нормированной ФН.
ds
Представленные результаты свидетельствуют о том, что использование двух параметров сигнала в методе РДФ приводит к дополнительным временным задержкам при определении координат ИРИ. Однако предлагаемая двухэтапная обработка полностью компенсирует эту задержку. В результате в заявляемом способе достигается выигрыш по быстродействию при различных значениях F примерно в три раза и в основном определяется отношение площадей заданной и уточненной зон анализа. Площадь уточненной зоны анализа в свою очередь зависит от уровня среза максимума нормированной ФН.
Выполнена сравнительная оценка точностных характеристик ПСА и РДФ методов в зависимости от используемого диапазона радиоволн и ширины спектра сигнала. Моделирование выполнено для следующих исходных данных:
площадь заданного района (зоны) 3000×3000 м;
шаг квантования района 30×30 м;
6
частота дискретизации сигнала 1⋅10 Гц;
радиус полета БПЛА 3 км, расстояние между БПЛА 5,65 км.
На фиг.8 а, б показаны результаты моделирования местоположения ИРИ, работающего на частоте 90 МГц с шириной спектра 25 кГц (стандартный для этого диапазона сигнал с относительно-фазовой модуляцией), с использованием метода ПСА (фиг.8 а) и РДФ (фиг.8 б). Из их рассмотрения следует, что оба метода ПСА и РДФ в состоянии с заданным качеством 30 м измерять координаты ИРИ. Всплески ненормированных ФН контрастно выделяются на общем фоне, а смещение экстремумов функций неопределенности отсутствует. При этом уровень максимума ФН для РДФ выше. После выполнения операции нормирования ФН (13) максимум для РДФ метода становится более контрастным (более узким в плоскостях X и Y).
На фиг.9 а, б иллюстрируются результаты оценивания местоположения ИРИ, работающего на частоте 6 ГГц с шириной спектра 800 кГц. Из их рассмотрения следует, что при названных условиях прототип (фиг.9 а) неработоспособен, в то время как предлагаемый способ на основе РДФ метода позволяет осуществлять оценивание пространственных параметров излучателя. Данный вывод подтверждают и результаты моделирования, приведенные в табл.2.
В таблице 2 приведена зависимость среднеквадратической ошибки (ско) для РДФ и ПСА методов измерений от ширины спектра сигнала и рабочей частоты. В полосе частот 30-300 МГц и ширине спектра сигнала до 30 кГц характеристики ПСА и РДФ близки между собой. Наблюдается некоторое (до 3-5%) увеличение точности местоопределения ИРИ предлагаемым способом по мере возрастания ширины спектра сигнала до 30 кГц. Расширение спектра оцениваемого сигнала за границы в 30 кГц ведет к резкому возрастанию ско в способе-прототипе (ПСА). На рабочих частотах 300 МГц и выше прототип обладает низкой точностью и не пригоден для определения координат ИРИ, о чем свидетельствует и фиг.9.
Выполненное моделирование и практические испытания показали, что предлагаемые способ и устройство сохраняют свою работоспособность в полосе частот от 30 МГц до 16 ГГц и более с шириной спектра до 400 МГ. При этом следует отметить, что с увеличением ширины спектра анализируемого сигнала точность определения координат ИРИ растет.
Вышесказанное поясняется следующим образом. В заявляемых объектах положительный эффект обеспечивается одновременным использованием двух параметров анализируемого сигнала: фазового на частотах 30-300 МГц, в то время как увеличение частотного диапазона до 16 ГГц и выше и расширение класса анализируемых сигналов с шириной спектра до 400 МГц базируется на измерении задержки в его приеме. Сокращение временных затрат при реализации заявляемых объектов достигается использованием двухэтапной обработки.