УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ РАЗНОСТИ МОМЕНТОВ ПРИЕМА РАДИОСИГНАЛОВ В ДВУХ РАЗНЕСЕННЫХ ПРИЕМНЫХ ПУНКТАХ

Полезная модель относится к радиотехнике, и может быть использована при разработке систем для определения координат источника радиоизлучения (ИРИ), а также в пассивной радиолокации.
Известно устройство для оценки разности моментов приема сигналов, приведенное в описании изобретения под названием "Разностно-дальномерный способ пеленгования источника радиоизлучения и реализующее его устройство" [1]. Устройство содержит первую и вторую антенны, измеритель разности времени приема сигнала, вычислительный блок и блок индикации, причем выход первой и второй антенн соединены соответственно с первым и вторым входами измерителя разности времени, выходы которого подключены к входу вычислительного блока, выход которого подключен ко входу блока индикации. В данном устройстве оценка разности моментов приема реализуется в измерителе разности времени, причем для оценки разности времени используются только прямые сигналы.
Недостатком данного устройства является низкая точность определения разности моментов приема при низкой мощности прямого сигнала, а также при распространении в многолучевом канале.
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство, приведенное в описании изобретения под названием: "Разнесенный разностно-дальномерный пеленгатор" [2]. Устройство состоит из двух разнесенных приемных пунктов, один из которых является периферийным, соединен каналом связи с центральным пунктом приема и обработки, при этом в состав периферийного приемного пункта входит антенна, выход которой соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к первому входу запоминающего устройства, к второму входу которого подключен выход хронизатора, вход которого подключен к системе единого времени, управляющий вход запоминающего устройства соединен с выходом устройства управления, предназначенного для формирования команд на передачу в канал управления соответствующего фрагмента хранящейся информации, а выход запоминающего устройства подключен к каналу связи с центральным пунктом приема и обработки; в состав центрального пункта приема и обработки входит антенна, выход которой соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к первому входу запоминающего устройства, к второму входу которого подключен выход хронизатора, вход которого подключен к системе единого времени, выход запоминающего устройства подключен к входу устройства обработки сигналов, предназначенного для обнаружения сигнала источника радиоизлучения, измерения ширины спектра обнаруженного сигнала, поиска и выделения фрагмента сигнала, имеющего соответствующие длительность и ширину спектра, при этом первый выход устройства обработки сигналов соединен с входом буферного запоминающего устройства, а второй выход - с входом формирователя запросов, выход которого соединен через канал связи с входом устройства управления, входящего в состав периферийного приемного пункта, вход буферного запоминающего устройства соединен через канал связи с выходом запоминающего устройства, входящего в состав периферийного приемного пункта; выход буферного запоминающего устройства подключен к первому входу измерителя разности времен приема сигнала, выход буферного запоминающего устройства подключен ко второму входу первого измерителя разности времени приема сигналов.
Точность оценки разности моментов приема сигнала в разнесенных приемных пунктах, зависит от уровня прямого сигнала на входе приемника, а также влияния многолучевого канала распространения радиоволн. При низком уровне прямого сигнала, точность оценки снижается. Недостатком устройства - прототипа является низкая точность определения разности моментов приема сигналов при распространении в многолучевом канале, а также при низком уровне прямого сигнала.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, - повышение точности оценки разности моментов приема сигналов ИРИ, в двух разнесенных приемных пунктах. Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройство для оценки разности моментов приема сигнала ИРИ в двух разнесенных приемных пунктах, состоящее из центрального и периферийного пунктов, при этом в состав центрального пункта приема и обработки входит первая антенна, выход которой соединен с входом первого аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к первому входу первого запоминающего устройства, а к второму входу которого подключен выход первого хронизатора, вход которого подключен к системе единого времени, выход запоминающего устройства, соединен с входом первого устройства обработки сигнала, вычислительный блок, выход которого соединен со вторым входом блока индикации, в состав периферийного пункта приема и обработки входит вторая антенна, выход которой соединен со входом второго аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с первым входом второго запоминающего устройства, а к второму входу подключен выход второго хронизатора, вход которого подключен к системе единого времени, в состав периферийного пункта дополнительно вводится устройство обработки сигнала, первый вход которого, соединен с выходом второго запоминающего устройства, а второй вход с четвертым выходом первого устройства обработки сигнала, в состав центрального пункта дополнительно вводится блок оценки задержки прямых сигналов, первый и второй входы которого соединены соответственно с первыми выходами первого и второго устройств обработки сигнала, а выход с первым входом блока индикации, блок оценки задержки отраженного сигнала относительно прямого, первый и второй входы которого соединены соответственно со вторыми выходами первого и второго устройств обработки сигнала, а выход с первым входом вычислительного блока, блок оценки задержки отраженных сигналов, первый и второй входы которого соединены соответственно с третьими выходами первого и второго устройств обработки сигнала, а выход со вторым входом вычислительного блока.
Функциональная схема предлагаемого устройства приведена на фиг.1, на которой обозначено: 1, 13 - первая и вторая антенны, 2, 12 - первый и второй аналого-цифровые преобразователи, 3, 11 - первое и второе запоминающие устройства, 4, 15 - первый и второй хронизаторы, 5, 14 - первое и второе устройство обработки сигнала, 6 - блок оценки задержки прямых сигналов, 7 - блок оценки задержки отраженного сигнала относительно прямого, 8 - блок оценки задержки отраженных сигналов, 9 -вычислительный блок, 10 - блок индикации, 16 - система единого времени.
Подробное описание устройства:
Основой работы устройства является предположение о том, что источник радиоизлучения и отражатели имеют разные угловые положения относительно приемного пункта, и, следовательно, прямой и отраженные сигналы могут быть разрешены по углу прихода. Необходимым условием разрешения сигналов является достаточно узкая диаграмма направленности (ДН) антенны в приемном пункте и возможность сканирования заданного сектора обзора. Фазированные антенны решетки удовлетворяют этим условиям, поскольку при использовании большого количества антенных элементов формируется достаточно узкая ДН (единицы градусов), а введение соответствующих фазовых сдвигов в каждый элемент решетки обеспечит электронное управление положением максимума диаграммы направленности антенной системы. Учитывая изложенные допущения, предполагаем, что при каждом угловом положении антенная система обеспечивает прием лишь одного сигнала (либо прямого, либо отраженного). Таким образом, в каждом приемном пункте регистрируется прямой и отраженные сигналы, разрешенные по углу прихода. Геометрия модели представлена на фиг.2, на которой обозначено: 1, 2 - первый и второй приемные пункты, 3 - источник радиоизлучения, 4, 5, 6 - отражатели.
Сигналы ИРИ принимаются антеннами центрального 1 и периферийного 13 приемных пунктов, напряжение на выходе антенны оцифровывается с помощью первого 2 и второго 12 аналого-цифровых преобразователей. Далее отсчеты оцифрованного сигнала сохраняются в запоминающем устройстве центрального 3 и периферийного 11 пунктов и привязываются к шкале единого времени при помощи хронизатора 15, подключенного к системе единого времени 16. После чего в первом 5 и втором 14 устройствах обработки сигнала производится выделение прямого и отраженного сигналов, принятых в центральном и периферийном приемных пунктах. Устройства обработки 5 и 14, производят выделение прямых и переотраженных сигналов, а также производится оценка мощности принятых сигналов. В случае если мощность прямых сигналов превышает мощность переотраженных сигналов, либо переотраженные сигналы не были зафиксированы, то прямые сигналы в цифровом виде поступают на вход блока оценки задержки прямых сигналов 6. В блоке 6 производится оценка разности моментов приема прямых сигналов только по прямым сигналам, искомую разность можно оценить по положению максимума ВКФ двух прямых сигналов [3]:
1ПР
2ПР
где Т - длительность записи сигнала; s(t),s(t) - нормированные по средней мощности прямые сигналы ИРИ, принятые в центральном и периферийном пунктах соответственно.
Довольно часто имеет место следующая ситуация: в приемных пунктах регистрируется прямой сигнал, излученный по боковому лепестку ДН антенны ИРИ, а излучение по главному лепестку направлено в сторону отражающих объектов (фиг.2). Согласно исследованиям [3, 4], точность оценки разности МП повышается при увеличении отношения сигнал/шум, поэтому для повышения точности результирующей оценки  предлагается использовать те отраженные сигналы, уровень которых выше или сравним с уровнем прямого сигнала. Математические модели каналов распространения сигналов в современных системах связи предполагают наличие до 15…20 отраженных сигналов, причем при принятых допущениях (фиг.2) можно полагать, что уровень отраженных сигналов будет выше уровня прямого сигнала [5].
В случае, если мощность прямых сигналов ниже мощности переотраженных (прямой сигнал принимается по боковому излучению передающей антенны), то прямые и переотраженные сигналы в цифровом виде поступают на первый и второй входы блока 7 оценки отраженного сигнала относительно прямого, также отраженные сигналы поступают на первый и второй входы блока 8 оценки задержки отраженных сигналов. Блоки оценки 7 и 8, а также вычислительный блок 9, реализуют следующий алгоритм оценки моментов приема прямых сигналов. В блоке 7 вычисляются оценки между прямым и отраженным сигналами для центрального и периферийного пунктов, обозначим эти оценки соответственно как t_1 и t_2. Затем в блоке 8 рассчитывается взаимная задержка между отраженными сигналами принятыми в центральном и периферийном пункте системы, обозначим задержку как t_12. Для оценки величин t_1, t_2 и t_l2, также используется взаимная корреляционная обработка [3]. Искомая разность моментов приема  прямых сигналов в вычислительном блоке 9 рассчитывается следующим образом:
На фиг.3 приведены сигналы, зарегистрированные в центральном и периферийном приемном пункте.
Для проверки работоспособности предложенного метода мы провели математическое моделирование в среде MATLAB. Цель моделирования - получить статистические характеристики разностей моментов прихода для случая приема сигнала от ИРИ двумя пространственно-разнесенными приемными пунктами системы мониторинга.
Исходные параметры для моделирования: сигнал от ИРИ - OFDM, Д/=10 кГц, 5=1024; задержка отраженного сигнала задается произвольным образом; количество реализации для усреднения - 5000.
Определить оценку разности МП  по формуле (1) можно лишь с точностью до одного временного дискрета, определяемого частотой дискретизации аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в приемных пунктах. Для обеспечения временного разрешения внутри дискрета и повышения точности оценки  применена сплайн-интерполяция по пяти точкам [6].
На фиг.4 приведены зависимости СКО результирующих оценок  от отношения энергии отраженного сигнала к энергии прямого сигнала.
По результатам, приведенным на фиг.4, видно, что весовое суммирование оценок , вычисленных по различным отраженным сигналам, позволяет увеличить точность
результирующей оценки.
Повышение точности оценки разности моментов приема прямых сигналов, при низком уровне прямого сигнала, в двух разнесенных приемных пунктах в предлагаемом устройстве, достигается за счет введения дополнительных блоков, позволяющих использовать отраженные сигналы, которые можно выделить по углу прихода, и может достигать 30% по сравнению с способом прототипом.
Использованные источники
1. Пат. РФ №2258242, МПК G01S 3/46, G01S 11/02. Разностно-дальномерный способ пеленгования источника радиоизлучения и реализующее его устройство. Опубл. 10.08.2005
2. Пат. РФ №2382378, МПК G01S 3/46. Разнесенный разностно-дальномерный пеленгатор. Опубл. 20.02.2010
3. Громов В.А. Оценка разности моментов прихода сигнала группировкой пространственно-разнесенных малых космических аппаратов / В.А.Громов, Е.П.Ворошилин, М.В.Миронов // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (Томск). - Томск: Издательство «В-Спектр». - 2010. - №2(22), часть 2. - С.7-13.
4. Повышение точности определения координат разностно-дальномерным методом с использованием группировки низкоорбитальных малых космических аппаратов / В.А.Громов, Е.П.Ворошилин, М.В.Миронов, Г.С.Шарыгин // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (Томск). - Томск: Издательство «В-Спектр». - 2010. - №2(22), часть 2. - С.14-16.
5. Channel Models: A Tutorial, 2007 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www1.cse.wustl.edu/~jain/cse574-08/ftp/channel_model_tutorial.pdf, свободный (дата обращения: 10.02.2012).
6. Айфичер Э.С. Цифровая обработка сигналов: практический подход / Э.С.Айфичер, Б.У.Джервис. - М.: Вильяме, 2004. - 992 с.