СПОСОБ ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО ПЕЛЕНГОВАНИЯ РАДИОСИГНАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТРИОРТОГОНАЛЬНОЙ АНТЕННОЙ СИСТЕМЫ
METHOD FOR POLARIZATION DIRECTION FINDING OF RADIO SIGNALS USING A TRI-ORTHOGONAL ANTENNA SYSTEM

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах обнаружения и пеленгования источников радиоизлучения (ИРИ) в условиях априорной неопределенности относительно поляризационных и пространственных параметров радиосигналов, шумов и помех, когда налагаются ограничения на габаритные размеры пеленгаторной антенной системы.
Известен способ пеленгования многолучевых сигналов по патенту RUS №2309422 [1], согласно которому выполняют следующую последовательность действий:
принимают радиосигнал неизвестной поляризации многоэлементной антенной решеткой;
n
формируют ансамбль радиосигналов x(t), зависящих от времени t и номера n антенны,  где N - число антенн;
n
n
синхронно преобразуют ансамбль принятых радиосигналов x(t) в цифровые сигналы x(z), где z - номер временного отсчета сигнала;
n
преобразуют цифровые сигналы x(z) в сигнал комплексного амплитудно-фазового распределения (АФР)  описывающий распределение амплитуд и фаз принятого радиосигнала на элементах решетки и запоминают его;
формируют идеальный сигнал комплексной фазирующей функции  описывающий возможные направления прихода сигнала от каждого m-го потенциального источника;
используя сигнал фазирующей функции  преобразуют сигнал измеренного АФР  в сигнал комплексного углового спектра  где  - матрица, эрмитово сопряженная с ;
по максимуму модуля сигнала комплексного углового спектра  определяют азимут θ и угол места β на ИРИ.
При таком способе устраняется неопределенность, связанная с отсутствием данных об угле места прихода электромагнитной волны, за счет чего уменьшается количество ошибок измерения азимута θ и угла места β на ИРИ.
Недостатком аналога является относительно низкая точность измерения азимута θ и угла места β на ИРИ, так как не обеспечивается согласование по поляризации между приемной антенной системой (АС) и приходящей электромагнитной волной.
Известен способ поляризационно-чувствительного пеленгования радиосигналов по патенту RUS №2393498 [2], согласно которому:
принимают радиосигнал неизвестной поляризации многоэлементной антенной решеткой;
формируют ансамбль радиосигналов, зависящих от времени и номера антенного элемента;
синхронно преобразуют ансамбль принятых радиосигналов в цифровые сигналы;
из цифровых сигналов получают сигнал комплексного АФР  описывающий распределение амплитуд и фаз принятого радиосигнала на элементах решетки;
m
m
формируют и запоминают поляризационно-зависимые идеальные сигналы  комплексной фазирующей функции для заданной частоты приема и требуемых узлов сетки наведения по азимуту θ и углу места β;
используя сигналы комплексной фазирующей функции  преобразуют сигнал АФР  в обобщенный сигнал  значение максимума которого используют для определения азимутально-угломестного пеленга θ и β, на источник принятого радиосигнала и его достоверности, а соответствующее найденному пеленгу θ и β, значение  сигнала фазирующей функции применяют для преобразования сигнала АФР  в сигнал  описывающий поляризацию принятого радиосигнала.
m
m
Предварительно до начала приема радиосигнала формируют и запоминают для всех возможных частот приема и требуемых узлов сетки наведения по азимутам θ и углам места β поляризационно-зависимые идеальные сигналы  комплексной фазирующей функции и комплексные взвешивающие сигналы  а при приеме на заданной частоте соответствующие взвешивающие сигналы используют для преобразования сигнала АФР  в обобщенный сигнал  значение максимума которого используют для определения азимутально-угломестного пеленга на источник принятого радиосигнала и его достоверности, а соответствующее найденному пеленгу значение сигнала фазирующей функции применяют для преобразования сигнала АФР в сигнал, описывающий состояние поляризации принятого радиосигнала.
В указанном способе улучшается селекция пеленгуемых радиосигналов на фоне шумов и помех за счет использования обобщенного критерия формы волнового фронта.
Недостатками аналога являются относительно низкая точность измерения азимута θ и угла места β на ИРИ в условиях априорной неопределенности относительно поляризационных и пространственных параметров радиосигналов, шумов и помех, когда налагаются ограничения на габаритные размеры пеленгаторной антенной системы, а также значительные временные затраты при измерении азимута и угла места на ИРИ, вызванные операциями сканирования по пространственным и поляризационным параметрам.
Из известных способов наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого способа по своей технической сущности является способ поляризационно-чувствительного пеленгования радиосигналов по патенту RUS №2624449 [3] заключающийся в том, что:
выбирают 3-мерную декартову систему координат (ДСК) OXYZ для производства измерений и расчетов;
x
y
z
1
2
принимают аналоговый радиосигнал неизвестной поляризации триортогональной антенной системой (ТОАС), состоящей из трех антенных элементов (АЭ) АЭ, АЭ, AЭ с центром, совпадающим с началом О выбранной ДСК, от источника радиоизлучения (ИРИ) с неизвестными координатами в моменты времени t и t;
x1
у1
z1
х2
y2
z2
формируют совокупность аналоговых радиосигналов E, Е, E и Е, E, E, зависящих от момента времени и антенного элемента ТОАС на которые они приняты;
х1
у1
z1
x2
y2
z2
1
2
путем векторного сложения ортогональных компонент Е, Е, E E, E, E определяют ориентацию векторов напряженностей электрического поля  и  в пространстве в моменты времени t и t и запоминают их;
1
2
формируют две вспомогательные плоскости Ω и Ω, каждая из которых проходит через начало О выбранной ДСК и перпендикулярна вектору напряженности электрического поля  и  соответственно;
1
2
строят линию положения ИРИ OI на пересечении вспомогательных плоскостей Ω и Ω;
измеряют азимут θ и угол места β на ИРИ, как углы ориентации линии положения ИРИ OI в выбранной ДСК OXYZ в горизонтальной плоскости и в вертикальной плоскости соответственно.
Недостатками способа прототипа являются:
1
2
относительно длительное время определения азимута θ и угла места β на ИРИ, обусловленное необходимостью проведения измерений параметров электрического поля минимум два раза - в моменты времени t и t;
1
2
1
2
ограниченность области применения способа - отсутствует возможность пеленговать радиосигналы с линейной поляризацией, поскольку в этом случае в любые два момента времени t и t, векторы напряженностей электрического поля  и  будут параллельными, а вспомогательные плоскости Ω и Ω будут совпадать.
Целью изобретения является разработка способа, обеспечивающего снижении времени пеленгования и обеспечение более широкой области применения в условиях априорной неопределенности относительно поляризационных и пространственных параметров радиосигналов, шумов и помех, когда налагаются ограничения на габаритные размеры пеленгаторной АС.
1
х1
у1
z1
х1
у1
z1
E
E
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе поляризационного пеленгования радиосигналов с использованием ТОАС, заключающимся в том, что выбирают 3-мерную ДСК OXYZ для производства измерений и расчетов, принимают аналоговый радиосигнал неизвестной поляризации триортогональной антенной системой с центром, совпадающим с началом О выбранной ДСК, от ИРИ с неизвестными координатами в момент времени t, измеряют с помощью ТОАС ортогональные компоненты Е, Е, E вектора напряженности электрического поля  принятого аналогового радиосигнала в момент времени и, и определяют ориентацию  в пространстве путем векторного сложения измеренных ортогональных компонент Е, Е, E, формируют вспомогательную плоскость Ω, так, что бы она была перпендикулярна вектору  и проходила через начало координат О, после чего измеряют азимут θ и угол места β на ИРИ используя вспомогательную плоскость Ω в качестве ТОАС используют комбинированную триортогональную антенную систему (КТОАС), состоящую из трех АЭ в виде несимметричных вибраторов штыревого типа и трех рамочных АЭ.
1
х1
у1
z1
x1
y1
z1
В момент времени t дополнительно измеряют с помощью рамочных АЭ ортогональные компоненты Н, Н, H вектора напряженности магнитного поля  принятого аналогового радиосигнала. Определяют ориентацию вектора  в ДСК OXYZ путем векторного сложения ортогональных компонент H, H, H.
H
Строят вспомогательную плоскость Ω, так, что бы она была перпендикулярна вектору  и проходила через начало координат О.
E
H
Строят линию положения ИРИ на пересечении вспомогательных плоскостей Ω и Ω. Измеряют углы наклона линии положения ИРИ в выбранной ДСК OXYZ в горизонтальной θ и вертикальной β плоскостях. В качестве азимута и угла места на ИРИ принимают углы θ и β соответственно.
Благодаря указанной новой совокупности существенных признаков за счет использования КТОАС, состоящей из трех антенных элементов в виде несимметричных вибраторов штыревого типа и трех рамочных антенных элементов, достигается цель изобретения: снижении времени пеленгования и обеспечение более широкой области применения разработанного способа в условиях априорной неопределенности относительно поляризационных и пространственных параметров радиосигналов, шумов и помех, когда налагаются ограничения на габаритные размеры пеленгаторной АС.
Совместное определение ориентации векторов напряженности электрического  и магнитного  полей в пространстве позволяет исключить операции дальнейшего измерения параметров электромагнитного поля, что сокращает временные затраты при измерении азимута и угла места на ИРИ.
E
H
1
E
H
С помощью разработанного способа возможно пеленгование радиосигналов с произвольной поляризацией, в том числе с линейной, поскольку векторы  и  всегда ортогональны, следовательно и вспомогательные плоскости Ω и Ω также ортогональны между собой. Таким образом, в любой момент времени, например в момент времени t, возможно получение пеленга, как линии пересечения вспомогательных плоскостей Ω и Ω.
Заявленное изобретение поясняется чертежами, на которых показаны:
1
на фиг. 1 положение вектора Пойтинга  а также векторов  и  в момент времени t;
на фиг. 2 конфигурация КТОАС в ДСК;
на фиг. 3 конфигурация части КТОАС - трех АЭ в виде несимметричных вибраторов штыревого типа в ДСК;
х1
у1
z1
1
на фиг. 4 ортогональные компоненты Е, Е, E вектора напряженности электрического поля  в момент времени t в ДСК OXYZ;
на фиг. 5 конфигурация части КТОАС - трех рамочных АЭ в ДСК;
х1
у1
z1
1
на фиг. 6 ортогональные компоненты Н, Н, H вектора напряженности магнитного поля  в момент времени t в ДСК OXYZ;
х
у
z
х1
у1
z1
1
на фиг. 7 временные диаграммы ортогональных компонент Е, Е, E, принятых на АЭ 3, 4 и 5 КТОАС, а также их значения Е, Е, E, измеренные в момент времени t;
х
у
z
х1
у1
z1
1
на фиг. 8 временные диаграммы ортогональных компонент Н, Н, H, принятых на АЭ 6, 7 и 8 КТОАС, а также их значения Н, Н, H, измеренные в момент времени t;
E
на фиг. 9 графическое представление плоскости Ω в ДСК OXYZ;
H
на фиг. 10 графическое представление плоскости Ω в ДСК OXYZ;
E
H
на фиг. 11 графическое представление линии пересечения OI плоскостей Ω и Ω в ДСК OXYZ.
Традиционно физической основой любого способа пеленгования радиосигналов принято считать различие времени прихода радиоволны в разнесенные точки пространства. При этом точность пеленгования радиосигналов неизвестной поляризации классическими способами, ориентированными на обработку электромагнитного поля определенной поляризации, дает значительные погрешности пеленгования, если поляризационные характеристики пеленгаторной АС не согласованы с поляризацией падающих волн. Повышение точности пеленгования в большинстве случаев достигается увеличением базы пеленгаторной антенной системы, то есть разнесением в пространстве антенных элементов пеленгаторной антенной системы.
Однако существует возможность определения направления на ИРИ с помощью сосредоточенной АС, способной определить поляризацию радиосигнала в точке приема.
Поляризация электромагнитной волны является ее пространственно-временной характеристикой и определяется видом траектории, описываемой концом вектора напряженности магнитного  и/или электрического  поля в фиксированной точке пространства [4].
На фиг. 1 отображены ИРИ 1 и измеритель 2 параметров электромагнитного волны.
Распространение электромагнитной волны сопровождается переносом энергии. Для характеристики этого явления вводят вектор Пойтинга  Он определяет направление и величину плотности потока мощности электромагнитного поля от ИРИ в каждой точке пространства.
Вектор Пойтинга  совпадает с направлением распространения электромагнитной волны и является результатом векторного произведения векторов напряженности электрического  и магнитного  полей, то есть образует вместе с ними правую тройку векторов.
1
0
На фиг. 1 отображены положения вектора Пойтинга , а также векторов напряженности электрического  и магнитного  полей в момент времени t. Кроме того, на фиг. 1 показана часть фазового фронта волны Ω, определяемого как поверхность одинаковых фаз векторов поля  и  перпендикулярная направлению распространения электромагнитной волны.
Сопоставив векторы напряженностей магнитного поля  и  возможно определить направление вектора Пойтинга  а следовательно и направление на ИРИ.
В способе используют КТОАС, состоящая из трех взаимно-ортогональных АЭ в виде несимметричных вибраторов штыревого типа 3, 4 и 5 и трех взаимно-ортогональных рамочных АЭ 6, 7 и 8 (см. фиг. 2).
В способе используют ДСК OXYZ, в которой центр координат О совмещен с центром КТОАС, оси OX, OY и OZ направлены вдоль АЭ 3, 4 и 5. Кроме того, оси OX, OY и OZ перпендикулярны АЭ 6, 7 и 8 соответственно (см. фиг. 2).
Для измерения ортогональных компонент вектора напряженности электрического поля  в заявленном способе используют часть КТОАС, состоящую из трех АЭ в виде несимметричных вибраторов штыревого типа 3, 4 и 5 (см. фиг. 3).
x1
у1
z1
1
Векторная сумма ортогональных компонент напряженностей электрического поля E, Е и E, измеренных на АЭ 3, 4 и 5 КТОАС соответственно в момент времени t составляет вектор напряженности электрического поля  (см. фиг. 4).
х
у
z
х1
y1
z1
На фиг. 7 представлены временные диаграммы ортогональных компонент Е, Е, E, принятого в общем случае эллиптически поляризованного аналогового радиосигнала на АЭ 3, 4 и 5 КТОАС соответственно. В момент времени и измеряют и запоминают значения компонент Е, E, E с помощью АЭ 3, 4 и 5 КТОАС соответственно.
х1
у1
z1
Путем векторного сложения ортогональных компонент Е, Е, E определяют ориентацию вектора  в пространстве.
E
E
Строят вспомогательную плоскость Ω, ортогональную вектору напряженности электрического поля  проходящую через центр КТОАС совмещенный с началом ДСК OXYZ (см. фиг. 9). Вспомогательная плоскость Ω описывается уравнением:
Для измерения ортогональных компонент вектора напряженности магнитного поля  в заявленном способе используют часть КТОАС, состоящую из трех ортогональных рамочных АЭ 6, 7 и 8 (см. фиг. 5).
х1
у1
z1
Векторная сумма ортогональных компонент напряженностей магнитного поля Н, Н и H, измеренных на АЭ 6, 7 и 8 КТОАС соответственно в момент времени и составляет вектор напряженности магнитного поля  (см. фиг. 6).
х
y
z
1
х1
у1
z1
На фиг. 8 представлены временные диаграммы ортогональных компонент Н, H, H, принятого в общем случае эллиптически поляризованного аналогового радиосигнала на АЭ 6, 7 и 8 КТОАС соответственно. В момент времени t измеряют и запоминают значения компонент Н, Н, H с помощью АЭ 6, 7 и 8 КТОАС соответственно.
х1
у1
z1
Путем векторного сложения ортогональных компонент Н, Н, H определяют ориентацию вектора  в пространстве.
H
H
Строят вспомогательную плоскость Ω, ортогональную вектору напряженности магнитного поля  проходящую через центр КТОАС совмещенный с началом ДСК OXYZ (фиг. 10). Вспомогательная плоскость Ω описывается уравнением:
E
H
Для измерения значений азимута θ и угла места β, определяют линию положения ИРИ OI - линию пересечения вспомогательных плоскостей Ω и Ω, которая задается системой уравнений (1) и (2):
Измеряют углы наклона линии положения ИРИ в выбранной ДСК OXYZ в горизонтальной θ и вертикальной β плоскостях (см. фиг. 8), а в качестве азимута и угла места на ИРИ принимают углы θ и β соответственно.
Реализация заявленного способа преимущественно целесообразна при размещении КТОАС на подвижном объекте, в частности на беспилотном летательном аппарате.
Совместное имитационное моделирование заявленного способа поляризационного пеленгования радиосигналов и способа прототипа показало возможность снижения времени пеленгования радиосигналов ИРИ до двух раз по за счет отсутствия необходимости двукратного измерения параметров электромагнитного поля, а также расширения области применения разработанного способа, выражающегося в способности пеленгования радиосигналов с произвольной поляризацией, в том числе с линейной, в условиях априорной неопределенности относительно поляризационных и пространственных параметров радиосигналов, шумов и помех, когда налагаются ограничения на габаритные размеры пеленгаторной антенной системы, что указывает на возможность достижения указанного технического результата.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Шевченко В.Н., Иванов Н.М., Звездина Ю.А. Способ пеленгования многолучевых сигналов. Патент на изобретение RUS №2309422 от 27.10.2007.
2. Шевченко В.Н., Иванов Н.М., Шевченко Е.А. Способ поляризационно-чувствительного пеленгования радиосигналов (Варианты). Патент на изобретение RUS №2393498 от 27.06.2010.
3. Богдановский С.В., Волков Р.В., Севидов В.В., Симонов А.Н. Способ поляризационного пеленгования радиосигналов. Патент на изобретение RUS №2624449 от 19.10.2016.
4. Комарович В.Ф., Никитченко В.В. Методы пространственной обработки радиосигналов. - Л.: ВАС, 1989. - 278 с.