СПОСОБ ДВУХМЕРНОГО ПЕЛЕНГОВАНИЯ
TWO-DIMENSIONAL DIRECTION FINDING METHOD

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для двухмерного пеленгования наземных и воздушных объектов по их радиоизлучениям.
Известен способ амплитудного двухмерного пеленгования, включающий прием сигнала идентичными антеннами с симметричными диаграммами направленности относительно фокальных осей, углы ориентации которых сдвинуты один относительно другого с равномерным перекрытием сектора сферического обзора, измерение амплитуд принятых сигналов, преобразование результатов измерений с учетом амплитудных диаграмм направленности антенн в угловой спектр и определение направления на излучатель, как положения максимума углового спектра. [Патент РФ №2620130, 2017 г., G01S 5/04].
Недостатком способа является трудности обеспечения необходимой степени идентичности диаграмм направленности антенн при их установке на носителе.
Известен способ пеленгования, включающий прием сигналов с помощью антенн, образующих параллельную земной поверхности кольцевую решетку вертикальных вибраторов и дополнительных антенн, располагаемых на нормали из ее центра, измерение комплексных амплитуд принятых сигналов, преобразование с учетом фазовых диаграмм направленности антенн измерений в угловой спектр и определение по его максимуму углов прихода радиоволн. [Патент РФ №2567850, 2015 г., G01S 3/00].
Недостатками способа является увеличение габаритов антенно-фидерной системы в вертикальной плоскости вследствие установки дополнительных вертикально разнесенных антенн, что особенно существенно при пеленговании с борта летательного аппарата, а также низкая точность определения угла места воздушных целей наземным пеленгатором вследствие интерференции прямой и отраженной электромагнитной волны при разно знаковых значениях углов их прихода.
Известен способ определения двухмерного пеленга, включающий прием сигналов с помощью антенн, образующих параллельную земной поверхности кольцевую эквидистантную решетку, измерение комплексных амплитуд принятых сигналов, преобразование с учетом фазовых диаграмм направленности антенн результатов измерений в угловой спектр и определение положения его максимума по углам прихода радиоволн в горизонтальной, по азимуту, и в вертикальной, по углу места, плоскости. [Патент РФ №2190236, 2000 г., G01S 5/04].
Недостатком способа является низкая точность определения угла места вблизи его нулевого значения.
Из известных способов наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ включающий прием сигналов излучателя с помощью вертикальных вибраторов антенной решетки, плоскость которой параллельна земной поверхности, измерение комплексных амплитуд принятых сигналов и оценивание по результатам измерений с учетом фазовых диаграмм направленности антенн двухмерного пеленга. Антенная решетка включает кольцевую эквидистантную решетку из не менее трех вибраторов и центральную антенну, располагаемую в ее центре. [Патент РФ №2288481, 2006 г., G01S 3/00, 5/04].
Определение двухмерного пеленга может осуществляться путем предварительного преобразования комплексных амплитуд в угловой спектр по его максимуму или путем определения по комплексным амплитудам разности фаз между сигналами центральной и других антенн, и расчета по этим разностям фаз азимута и угла места.
Недостатком способа является низкая точность определения угла места особенно вблизи его нулевых до 20 град значений, когда фазовые набеги на элементах решетки изменяются от угла места незначительно, а погрешности измерений обратно пропорциональны синусу этого угла [Дзвонковская А.Л., Дмитриенко А.Н., Кузьмин А.В. Эффективность измерения углов прихода сигнала радиопеленгаторами на основе метода максимального правдоподобия. - Радиотехника и электроника, 2001, т. 46, №10, с. 1242-1247], и крутопадающих радиоволн с углом падения, превышающим 60 град, когда эффективность приема вертикальными вибраторами резко снижается.
Технической задачей данного изобретения является повышение точности определения угла места.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе двухмерного пеленгования, включающем прием сигналов излучателя с помощью вертикальных вибраторов антенной решетки, плоскость которой параллельна земной поверхности, измерение комплексных амплитуд принятых сигналов и оценивание по результатам измерений азимута излучателя, новым является то, что, дополнительно принимают сигналы с помощью горизонтальных вибраторов, суммируют эти сигналы и измеряют комплексную амплитуду суммарного сигнала, результаты всех измерений преобразуют в направлении оцененного азимута с учетом амплитудных и фазовых диаграмм направленности антенн в угловой спектр, по положению максимума которого определяют угол места излучателя, при этом горизонтальные вибраторы расположены в плоскости решетки, фазовые центры совмещены с ее центром, а оси равномерно повернуты друг относительно друга.
Поставленная задача решается также за счет того, что положение максимума углового спектра по углу места предварительно оценивают, как арктангенс отношения амплитуды суммарного сигнала, нормированной на сумму значений диаграмм направленности горизонтальных вибраторов в направлении зенита и оценочного азимута, к средней амплитуде сигналов вертикальных вибраторов.
Поставленная задача решается также за счет того, что угловой спектр определяют в точке предварительной оценки и в точках удаленных от нее на константу дифференцирования и уточняют положение максимума по интерполяционной формуле
где  - предварительная оценка угла места, F(θ,β) - угловой спектр,  - оценка азимута, δ - константа дифференцирования.
Решение поставленной технической задачи основывается на учете различий уровней сигналов принимаемых вертикальными и горизонтальными вибраторами. Амплитуды принятых сигналов определяются углами ориентации вектора электрического поля относительно антенн. Зависимости амплитуды от угла места горизонтальных и вертикальных вибраторов имеют разнонаправленный характер, при приеме электромагнитных волн с линейной поляризацией пропорциональны синусу и косинусу угла места излучателя. Привлечением горизонтальных вибраторов достигается повышение эффективности приема крутопадающих радиоволн при больших значениях углов места и увеличение крутизны дискриминационной характеристики в области малых значений с соответствующим повышением точности. Сигналы горизонтальных вибраторов дополнительно зависят от азимута. Указанные особенности приводят к необходимости учета совместно фазовых (способ-прототип) и амплитудных диаграмм направленности антенн. Операцией суммирования сигналов горизонтальных вибраторов с совмещенными фазовыми центрами, следовательно, с одинаковой начальной фазой обеспечивается формирование только одного относительно способа-прототипа дополнительного канала приема, а преобразованием в угловой спектр в направлении полученного азимута, действиями по предварительному оцениванию и уточнению угла места - сокращение потребного количества операций обработки.
Комплексирование систем вертикальных и горизонтальных вибраторов, учет указанных закономерностей в соответствии с предложенными новыми действиями, условиями и порядком их выполнения дает требуемый эффект, позволяет решить поставленную техническую задачу: повысить точность определения угла места прихода радиоволн.
Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемые фигуры.
На фиг. 1 представлена структурная схема радиопеленгатора для реализации заявленного способа;
на фиг. 2 показано расположение антенн радиопеленгатора в горизонтальной плоскости с координатными осями x, y, нормированными на длину волны излучения;
на фиг. 3 - графики зависимостей средней квадратичной погрешности определения углов прихода радиоволн от угла места.
Радиопеленгатор, фиг. 1, содержит: 1.1-1.4 - антенны-вертикальные вибраторы, 2.1-2.3 - антенны-горизонтальные вибраторы, 3 - сумматор сигналов, 4 - радиоприемное устройство, 5 - блок определения азимута, 6 - блок определения угла места, содержащий 7 - блок предварительной оценки, 8 - анализатор углового спектра, 9 - блок уточнения.
Антенны 1.1-1.4 подключены через радиоприемное устройство 4 ко входам блока определения азимута 5 и первым входам блока определения угла места 6, блока предварительной оценки 7 и анализатора углового спектра 8. Вторые входы блока определения угла места 6, блока предварительной оценки 7 и анализатора углового спектра 8 соединены с антеннами 2.1-2.3 через сумматор сигналов 3 и радиоприемное устройство 4. Выход блока определения азимута 5 соединен с третьим входом блока определения угла места 6, блока предварительной оценки 7 и анализатора углового спектра 8, выход которого соединен с первым входом блока уточнения 9, ко второму входу которого и четвертому входу анализатора углового спектра 8 подключен выход блока предварительной оценки 7.
Выходами радиопеленгатора являются выходы блока определения азимута 6 и блока уточнения 9 из состава блока определения угла места 6.
1
4
Антенны 1.1-1.3 в количестве не менее трех - симметричные вертикальные вибраторы, образуют кольцевую решетку, плоскость которой параллельна земной поверхности, расположены эквидистантно по окружности, вертикальный вибратор 1.4 установлен в центре решетки. На фиг. 2 эти антенны показаны точками и обозначены заглавными буквами A-A. В рассматриваемом далее примере число антенн решетки N=3, ее радиус R ограничен из условия обеспечения однозначности измерений разности фаз между сигналами антенн решетки и центрального вибратора: R<0,5λ, где λ - длина волны излучения.
а
а
1
3
Антенны 2.1-2.3 - горизонтальные вибраторы, располагают в плоскости решетки, они показаны на фиг. 2 толстыми линиями и обозначены прописными буквами -. Фазовые центры горизонтальных вибраторов совмещают с центром решетки, а оси ориентируют по линиям «центр - вертикальный вибратор», то есть равномерно по угловому расстоянию друг относительно друга. Число горизонтальных вибраторов равно N при N нечетном, иначе вдвое меньше.
Сумматор сигналов 3 выполнен по одному из известных вариантов приведенных, например в [Устройства сложения и распределения мощностей высокочастотных колебаний. Под. ред. З.И. Моделя. - М.: Сов. радио, 1980.]
Радиоприемное устройство 4 с числом каналов N+2 выполняет фильтрацию и синхронное преобразование принятых сигналов с цифровым представлением в виде комплексных амплитуд (квадратурных составляющих), например, по варианту, приведенному в [Побережский К.С. Цифровые радиоприемные устройства. М., Радио и связь, 1987, с. 67-68, рис. 3.140]. Тем самым выполняется измерение комплексных амплитуд принятых сигналов. Может быть использован двухканальный вариант приема с поочередным подключением антенн решетки и сумматора сигналов относительно центрального вертикального вибратора [Рембовский A.M., Ашихмин А.В., Козьмин В.А. Радио мониторинг: задачи, методы и средства. - М: Горячая линия - Телеком, 2006, с. 274-277].
В блоках определения азимута 5 и угла места 6 реализуются преобразования методами цифровой обработки сигналов.
Двухмерное пеленгование происходит следующим образом.
Радиоизлучение пеленгуемого источника принимают антеннами 1.1-1.4, 2.1-2.3.
Нормированная амплитудная диаграмма направленности вертикальных симметричных вибраторов определяется формулой [Белоцерковский Г.Б. Антенны. - М: ОБОРОНГИЗ, 1962, с. 146]
где β - угол места, L - длина вибратора, λ - длина волны излучения, π=3,14…
Отсчет положительных значений угла места осуществляется от горизонта вверх. Стрелкой указан предел для элементарного вибратора при L/λ→0.
Диаграмма направленности горизонтальных вибраторов с учетом поворотов фокальных осей антенн описывается формулой
где n'=0, …, N'-1 - номер горизонтального вибратора, N' - число горизонтальных вибраторов, α'=2π/N' - квант углового положения горизонтальных вибраторов, θ - азимут с отсчетом положительных значений по часовой стрелке от фокальной оси вибратора с номерном n'=0.
p
0
В случае когда излучателем является вертикальный вибратор с диаграммой направленности G(β) комплексные амплитуды сигналов на выходе вертикальных вибраторов определяются углом места β излучателя
где  - комплексная амплитуда сигнала всенаправленного излучателя в центре решетки,  - фазовая диаграмма направленности антенн кольцевой решетки, n=0, …, N-1, α=2π/N - квант углового положения ее антенн, R - радиус кольцевой решетки, λ - длина волны излучения, i - мнимая единица.
0
Сигналы на выходе горизонтальных вибраторов дополнительно зависят от азимута θ излучателя:
где n'=0, …, N'-1.
В соответствии с формулами (3), (4), (1), (2) амплитуда сигналов вертикальных и горизонтальных вибраторов различным образом зависит от угла прихода радиоволн в вертикальной плоскости, в пределе пропорционально его косинусу и синусу. Это свойство используется далее при пеленговании.
В сумматоре сигналов 3 выполняют когерентное сложение сигналов горизонтальных вибраторов
Суммарная диаграмма направленности горизонтальных вибраторов определяется по формуле
где  - суммарная диаграмма направленности горизонтальных вибраторов в зенитном направлении.
В радиоприемном устройстве 4 измеряют комплексную амплитуду сигналов, принятых вертикальными вибраторами и суммарного сигнала горизонтальных вибраторов
где  - шумы каналов приема.
По результатам измерений комплексных амплитуд вертикальных вибраторов в блоке 5 определяют азимут на излучатель одним из известных способов, например по методике приведенной в [Саидов А.С., Тагилаев А.Р., Алиев Н.М., Асланов Г.К. Проектирование фазовых автоматических радиопеленгаторов. - М.: Радио и связь, 1997, с. 40] выполняя преобразования следующего вида
где  - разность фаз между сигналами антенн кольцевой решетки и центрального вибратора, arg(⋅) - аргумент (фаза) комплексной величины, охваченной скобками, звездочка - операция комплексного сопряжения.
Результаты всех измерений в блоке 6 преобразуют в угловой спектр по максимуму которого определяют угол места излучателя.
Угловой спектр определяют по известному правилу [Козьмин В.А., Уфаев В.А. Оценка качества вычисления пеленгов в процессе пеленгования. Антенны. 2009. Вып. 4(123), с. 71-72], как отношение квадрата модуля суммы произведения комплексных амплитуд сигналов каналов приема на их комплексно сопряженные диаграммы направленности к сумме квадратов модулей этих диаграмм направленности, по формуле
Для сокращения числа операций обработки по определению двухмерного углового спектра и положения его максимума значения спектра получают, во-первых в направлении полученного азимута, во-вторых в окрестности первичной оценки угла места.
Указанную первичную оценку выполняют в блоке 7 предварительной оценки как арктангенс отношения амплитуды суммарного сигнала, нормированной на сумму значений диаграмм направленности горизонтальных вибраторов в направлении зенита и оценочного азимута, к средней амплитуде сигналов вертикальных вибраторов, по формуле
Эта формула непосредственно следует из формул (3), (4) при предельных значениях диаграмм направленности (1), (2).
В отсутствии шумов и в пределе вибратора с косинусной диаграммой направленности первичная оценка (10) является точной. При невыполнении этих условий результат уточняется. Осуществляется это с применением интерполяции и определения поправки через отношение первой ко второй производной углового спектра в точке первичной оценки. Производные получают численным методом, для чего в анализаторе углового спектра 8 определяют три значения углового спектра: в точке предварительной оценки и в точках удаленных от нее на константу дифференцирования δ, рекомендуемое значение которой порядка δ=0,002 радиана.
Уточняют положение максимума в блоке 9 уточнения по интерполяционной формуле [Уфаев В.А., Волобуев М.Ф. Измерение задержки радиосигналов с применением дискретных преобразований Фурье. Информационно-измерительные и управляющие системы. 2016. №3, т. 14, с. 5]
Результаты двухмерного пеленгования (8), (11) выдают потребителю.
Эффективность изобретения выражается в повышении точности определения угла места излучателя. Количественная оценка выполнена методом имитационного моделирования, для следующих условий. Исследовался радиопеленгатор с отношением радиуса решетки к длине волны излучения 0,4 при отношении амплитуды сигнала к среднему квадратическому значению шумов приема равном 37 для источника, находящегося в горизонтальной плоскости, что соответствует ошибке измерения азимута 0,5 град. Имитировалось излучение от вертикального вибратора с косинусной амплитудной диаграммой направленности. Число статистических экспериментов для каждого положения источника 5000. Результаты имитационного статистического моделирования показаны на фиг. 3 в виде зависимостей средних квадратичных погрешностей двухмерного пеленгования от угла места.
Средняя квадратичная погрешность σ определялась как корень квадратный из среднего квадрата разностей измеренных и истинных значений углов прихода радиоволн. Тонкой сплошной линией показана зависимость для азимута, другими линиями - для угла места. Сплошной линией с кружками выделены результаты, обеспечиваемые предлагаемым способом, пунктиром с ромбиками - для способа-прототипа. Анализ представленных результатов показывает, что в предлагаемом способе погрешность измерения угла места в диапазоне от 0 до 80 град в 2-6 раз меньше чем для способа-прототипа. Наибольший выигрыш достигается вблизи границ указанного диапазона, до 20 град и свыше 60 град.
Моделирующая программа разработана в системе Mathcad, имеется у авторов и патентообладателя.
Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает повышение точности определения угла места излучателя в 2-6 раз.