СПОСОБ АМПЛИТУДНОГО ДВУХМЕРНОГО ПЕЛЕНГОВАНИЯ
METHOD OF AMPLITUDE TWO-DIMENSIONAL DIRECTION-FINDING

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в наземных и авиационных радиотехнических системах для всеракурсного определения направления на источники радиоизлучений.
Известен амплитудный способ пеленгования, включающий прием излучаемого сигнала с помощью не менее трех идентичных антенн, фокальные оси которых сдвинуты в горизонтальной плоскости одна относительно другой с равномерным перекрытием сектора кругового обзора, измерение амплитуды принятых сигналов, преобразование результатов измерений, в угловой спектр и определение по его максимуму азимута на излучатель. Угловой спектр получают суммированием измеренных амплитуд с весом пропорциональным диаграммам направленности антенн в возможных направлениях на источник излучения. (Козьмин В.А., Уфаев В.А. Алгоритмы и характеристики точности амплитудного пеленгования. Антенны, 2010, №5, с. 55-60).
Под фокальной осью понимается вектор, исходящий из точки расположения антенны в направлении максимума ее диаграммы направленности.
Способ применим для измерения азимута в секторе кругового обзора в пределах ширины диаграммы направленности антенн по вертикали, но не обеспечивает всеракурсного пеленгования в двух ортогональных плоскостях, по азимуту и углу места.
Из известных способов наиболее близким к предлагаемому по технической сущности (прототип) является способ амплитудного двухмерного пеленгования, включающий прием излучаемого сигнала с помощью идентичных антенн с симметричными диаграммами направленности, углы ориентации которых сдвинуты один относительно другого с равномерным перекрытием всего сектора сферического обзора, измерение амплитуды принятых сигналов, преобразование их, суммированием по совокупности антенн с весом пропорциональным диаграммам направленности в возможных направлениях на излучатель, в двухмерный угловой спектр и определение по его максимуму направления на излучатель.
Прием сигнала осуществляют не менее чем пятью антеннами, одну из которых ориентируют в зенит, вторую отвесно вниз, а углы ориентации других антенн определяют из условия минимума удаленности по азимуту в ярусах и по углу места между ярусами.
В частном варианте способа, угловой спектр получают в точке первичной оценки угла места в виде первого сечения, по максимуму которого определяют азимут, и в точке полученного азимута в виде второго сечения, по максимуму которого определяют угол места, при этом первичную оценку угла места определяют как среднее взвешенное углов места ориентации антенн пропорционально измеренным амплитудам. [RU, №2620130, G01S 5/04, опубл. 23.05.2017].
Способу-прототипу присущи следующие недостатки.
Во-первых, большой объем операций при определении углового спектра и выполнении максимизации, которые должны выполняться в пределах всего диапазона возможных значений азимута ±180° и угла места ±90°. В частном варианте способа за счет перехода к срезам углового спектра и двум этапам однопараметрической максимизации затраты снижаются, но остаются значительными. Во-вторых, область применения ограничена числом антенн не менее 5, что обусловлено изначальным условием противоположной ориентации, по крайней мере, пары антенн.
Технической задачей настоящего изобретения является сокращение объема операций при определении и максимизации углового спектра и расширение области применимости на системы минимального состава с числом антенн равным четырем.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе амплитудного двухмерного пеленгования, включающем прием излучаемого сигнала с помощью идентичных антенн с симметричными диаграммами направленности и равномерным перекрытием сектора сферического обзора, измерение амплитуды принятых сигналов, по ним определение горизонтального и вертикального сечений углового спектра, по максимуму которых определяют соответственно азимут и угол места, согласно изобретению, дополнительно, как среднее взвешенное, пропорционально измеренным амплитудам значение векторов ориентации антенн, определяют вектор двухмерного пеленга, по которому выполняют первичную оценку совместно азимута и угла места, первоначально определяют вертикальное сечение в точке первичной оценки азимута, затем горизонтальное сечение в точке полученного угла места, при этом области определения сечений ограничивают пределами изменений погрешностей соответствующих первичных оценок, которые рассчитывают до начала процесса пеленгования, а в четырехэлементной системе антенны ориентируют из центра тетраэдра перпендикулярно его граням.
Предлагаемый способ отличается от известного совокупностью следующих признаков, необходимых для решения поставленной технической задачи.
1. Выполняют первичную оценку совместно угла места и азимута, причем по принципу отличному от прототипа: через вектор двухмерного пеленга. Этот вектор определяют, как среднее взвешенное, пропорционально измеренным амплитудам, значение векторов ориентации антенн. В основе такого решения лежат результаты статистического синтеза для 6-и элементной системы с диаграммами направленности в виде кардиоиды и их обобщение на системы произвольного состава.
2. До начала процесса пеленгования определяют пределы изменений погрешностей первичных оценок. Это дает возможность ограничить области определения вертикального и горизонтального сечения углового спектра и сократить необходимый объем операций при его определении.
3. Первоначально определяют вертикальное сечение в точке первичной оценки азимута, затем горизонтальное сечение в точке полученного угла места. Такой отличный от прототипа порядок выполнения операций обусловлен установленными свойствами первичных оценок: ошибки азимута распределены более компактно с концентрацией в окрестности нуля, угла места примерно равномерно. Учет свойства позволяет повысить точность.
4. В четырехэлементной системе антенны ориентируют из центра тетраэдра перпендикулярно его граням, то есть в центр граней. Поскольку при этом, как и во всех пяти правильных многогранниках, все грани - правильные многоугольники, а все многогранные углы равны, то достигается строго равномерное распределение антенн. [Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. - М.: Наука, Гл. ред. физ. - мат. лит., 1986, с. 187, 188].
Таким образом, выполнение первичной совместной оценки угла места и азимута, определение пределов изменений их погрешностей, изменение последовательности выполнения и ограничение области определения сечений углового спектра, ориентирование антенн из центра тетраэдра перпендикулярно его граням, позволяет решить поставленную техническую задачу: сократить объем операций при определении и максимизации углового спектра и расширить область применимости на системы из четырех антенн.
На фиг. 1 показаны гистограммы погрешностей первичных оценок системы из шести антенн, иллюстрирующие указанные ранее свойства.
Проиллюстрируем предлагаемое решение на примере выполнения способа в системах из 4 и 6 антенн. Антенны идентичные с симметричными диаграммами направленности, в виде тела вращения, с главным сечением, принятым в способе-прототипе, вида
δθ - ширина диаграммы направленности по уровню -3 дБ.
Направление задается углами местной сферической системы координат: азимутом -180°<θ≤180° и углом места -90°<β≤90°. Отсчет положительных значений азимута выполняется в горизонтальной плоскости по часовой стрелке от опорного направления, например оси летательного аппарата, положительных значений угла места - от земной поверхности к зениту.
Обозначим углы ориентации антенн по азимуту и углу места как , , где  - номер антенны при общем количестве N. Вектор ориентации фокальных осей антенн в прямоугольной системе координат определяется своими проекциями на соответствующие оси
, , (2)
где i - мнимая единица, точка сверху величины указывает на ее комплексный характер.
Аналогично для составляющих вектора двухмерного пеленга
, . (3)
В соответствии с описанием способа-прототипа двухмерная диаграмма направленности есть функция главного сечения
(4)
от угла между вектором пеленга и фокальной осью антенн
В шестиэлементной системе четыре антенны ориентированы в горизонтальной плоскости по сторонам света, одна в зенит и одна отвесно вниз:
Для системы минимального состава N=4 оси трех антенн направлены из центра тетраэдра перпендикулярно его граням, в центр граней, четвертая антенна сориентирована вниз:
Исходя из максимальных угловых расстояний между фокальными осями антенн, целесообразно установить ширину диаграммы направленности 90° и 130° для систем из 6 и 4 антенн.
Излучение источника принимают антеннами, измеряют амплитуду принятых сигналов
(6)
0
0
где А - амплитуда сигнала на выходе изотропной всенаправленной антенны, η - коэффициент направленного действия антенн, θ, β - азимут и угол места излучателя.
Знак тильда  над величинами означает результаты их измерения или оценивания.
По результатам измерений (6) выполняют первичную совместную оценку направления на излучатель, для чего определяют вектор двухмерного пеленга, как среднее взвешенное, пропорционально измеренным амплитудам, значение векторов ориентации антенн:
,
с получением совместных оценок азимута и угла места по формулам
Преобразования (7), (8) алгебраические, выполняются с привлечением минимальных вычислительных ресурсов.
0
0
Непосредственно процесс пеленгования (6)-(8) предваряют определением пределов изменения погрешностей первичных оценок, которые рассчитывают по совокупности возможных значений азимута и угла места. Для этого, например, задают θ, β в формуле (6) с дискретностью 1°, получают оценки по (7)-(8), сравнивают их с истинными значениями и определяют искомые пределы.
По результатам расчетов эти пределы примерно симметричны и одинаковы по углу места и пеленгу с отклонением от истинного значения на величину ±δ равную 3° и 5° соответственно для 4 и 6 элементных систем. На фиг. 1 показаны гистограммы погрешностей Δ первичных оценок системы N=6, кружками - для азимута, сплошной толстой линией - для угла места. Ошибки азимута распределены более компактно с концентрацией в окрестности нуля, угла места примерно равномерно.
Исходя из этого, первоначально уточняют угол места, а затем азимут. Выполняют это следующим образом.
В точке (8) первичной оценки азимута определяют горизонтальное сечение углового спектра в пределах , по максимуму которого уточняют угол места
Затем определяют в точке полученного угла места (9) вертикальное сечение углового спектра в пределах , по максимуму которого уточняют азимут
При этом преобразование измеренных амплитуд в угловой спектр выполняют в оговоренных пределах, суммированием, по совокупности антенн, с весом пропорциональным диаграммам направленности антенн в возможных направлениях на излучатель по формуле способа-прототипа
Полученные результаты (9), (10) выдают потребителю.
Эффективность изобретения выражается в расширении области применимости на системы из четырех антенн и в сокращении объема операций при определении и максимизации углового спектра.
Количественную оценку выполним разделив необходимые в прототипе размеры области поиска, с учетом необходимости получения двух сечений во всей области определения азимута и угла места, и в предлагаемом способе в пределах ±δ: (360+180)/2δ. Для приведенных ранее значений δ=3-5°, получим общее сокращение в 54-90 раз.