Многоканальный пеленгатор радиосигналов ВЧ диапазона
MULTICHANNEL DIRECTION FINDER OF RF RADIO SIGNALS

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для измерения азимутов и углов места принимаемой радиоволны от источников радиоизлучения в низкочастотном и высокочастотном (НЧ-ВЧ) диапазонах волн.
Современное состояние техники пеленгования в НЧ и ВЧ диапазонах характеризуется стремлением уменьшить амплитудно-фазовую неидентичность антенно-фидерных и приемных трактов для повышения инструментальной точности путем калибровки и последующего учета поправок с использованием современных аппаратно-программных средств вычислительной техники.
Величина инструментальных ошибок стационарных пеленгаторов с кольцевыми антенными решетками, измеряемые в полевых условиях по маломощным передатчакам, составляют в диапазоне ВЧ (2МГц-30МГц) 2°-0,5° при диаметре антенной системы 150м-200м, для мобильных пеленгаторов с диаметром антенной системы 16м-50м, ошибки увеличиваются в два и более раз.
Разность фаз, измеряемая в разнесенных антеннах определяется выражением:
Ψ = (2πd/λ) Sinφ Cosβ, где:
Ψ- измеряемая разность фаз сигналов между антеннами;
d- расстояние между антеннами;
φ,β- пеленг относительно нормали к базе антенн и угол места радиоволны;
λ-длина волны.
Ошибка измерения пеленга при этом определяется выражением:
∆φ = (λΨ)/ 2πdCosφCosβ
Из приведенного выражения видно, что ошибка уменьшается обратно пропорционально расстоянию между антеннами. Таким образом, инструментальные ошибки пеленгатора могут быть существенно уменьшены, если пропорционально будет увеличиваться база разноса антенн. Однако при больших разносах антенн в антенной системе и их малом числе возникает неоднозначность в измерении пеленга, определяемая цикличностью измерения разности фаз 0°-360°, и требуется находить методы, позволяющие разрешить неоднозначность, чтобы получить однозначные измерения пеленга при разносах антенн, превышающих половину длины волны.
Известен разнесенный разностно-дальномерный пеленгатор (патент РФ 2382378, опубл. 20.02.2010), состоящий из двух периферийных пунктов, центрального пункта и системы единого времени. Периферийные пункты предназначены для приёма, хранения, обработки сигналов и передачи фрагментов сигналов (с целью уменьшения требований к пропускной способности канала связи) на центральный пункт, на котором вычисляется разность времени прихода сигналов. В системе единого времени применяется хронизатор, определяемый в патенте обобщенно, как привязанный к шкале единого времени хранитель текущего времени (часы), предназначенный для привязки записываемых в запоминающее устройство значений уровня сигнала к моменту времени приёма сигналов.
Основным недостатком такого разностно-дальномерного пеленгатора является возможность применение его для пеленгования или определения координат только широкополосных сигналов, обеспечивающих достаточную точность измерения временных задержек сигналов. В ВЧ диапазоне (2МГц-30МГц) невозможно пеленгование указанным устройством и способом узкополосных радиопередач, характерных для ВЧ диапазона, из-за низкой точности измерения временных задержек и многолучевости распространения радиоволн.
Известен способ пеленгации радиосигналов и пеленгатор для его осуществления (патент РФ 2267134, опубл. 27.12.2005) , содержащий антенную решетку идентичных антенных элементов, антенный коммутатор и приемник, вычислитель комплексных амплитуд антенных и опорного сигналов и функции угла места и азимута с выделением частотных каналов, в которых есть заданное превышение порога сигналом.
Известен способ радиоконтроля (патент РФ 2158002, опубл. 20.10.2000), включающий прием и синхронную регистрацию многочастотных сигналов для всех баз, образованных опорной и всеми входящими в решетку антеннами, восстановление с использованием преобразования Фурье комплексных спектров сигналов каждой антенны и спектра мощности сигнала опорной антенны, сравнением которого с порогом выбирают частоты, на которых обнаружены сигналы передатчиков, восстанавливают двумерный комплексный угловой спектр, по модулю которого определяют азимутальные и угломестные пеленги, отличающийся тем, что сравнивают частоты и интервалы времени обнаруженных сигналов с частотно-временной маской запрещенных для приема или не представляющих интереса для контроля частот и выбирают сигналы, для которых вычисляют углы.
Технические решения по патентам РФ 2267134 и 2158002, используют методы вычисления комплексных спектров, комплексных амплитуд сигналов в антеннах по отношению к опорной антенне, вычисление двумерных угловых спектров с последующим измерениям по ним азимута и угла места в пределах одной антенной решетки, но они направлены на уменьшение числа измерений в частотных каналах, где сигнал отсутствует или не представляет интереса, не обеспечивая повышения точности пеленгования.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности признаков к заявляемому изобретению и принятый за прототип является многоканальный пеленгатор, приведенный в опубликованном 10.01.2000г. патенте РФ 2144200.
Этот многоканальный пеленгатор содержит многоэлементную антенную решетку, состоящую из N идентичных, расположенных в плоскости пеленгования ненаправленных антенн в количестве не менее трех, антенный коммутатор, многоканальный приемник с общим гетеродином для всех каналов, вычислитель пеленга, реализуемый при попарном измерении на совпадающих интервалах времени комплексных спектров сигналов каждого канала, вычислитель комплексных амплитуд сигналов в каналах пеленгования путем свёртки комплексно сопряженных спектров, полученных от сигналов на выходе антенн, вычислитель по комплексным амплитудам сигналов двумерных угловых спектров, выполненный с возможностью определения по ним азимута и угла места прихода радиоволн.
Недостатком прототипа является ограниченность точности пеленгования, в том числе из-за необходимости увеличения размеров пеленгационной антенны, в особенности, для мобильных и полустационарных вариантов исполнения пеленгаторов, что определяется допустимыми размерами площадки для установки антенной системы и временем развертывания. Максимальный разнос антенн в кольце для сохранения однозначности измерений составляет 0,71λ, а при использовании двух и даже трех колец антенн радиус кольца может быть увеличен не более, чем в 1,5 - 2,5раза, соответственно, во столько раз может быть уменьшена инструментальная ошибка измерения пеленга.
При этом площадь, занимаемая антенной системой, увеличивается более чем в 2 – 5 раз, увеличивается длина и затухание в фидерных линиях, увеличивается количество антенн в кольцевых решетках, эксплуатация пеленгатора становится затруднительной, особенно, для мобильных вариантов исполнения. Возможность использования информации об угле места для вычисления пеленга по прототипу также ограничено, так как изменение разности фаз в антеннах при измерении угла места существенно меньше по сравнению с измерениями в азимутальной плоскости, и она пропорциональна косинусу угла места принимаемой радиоволны
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение является модернизация пеленгатора ВЧ диапазона с обеспечением достижения технического результата, заключающегося при реализации устройства в повышении точности пеленгования.
Данный технический результат достигается тем, что многоканальный пеленгатор, содержащий антенную решетку, выполненную из не менее трех антенн, расположенных в плоскости пеленгования, подсоединенный к ней антенный коммутатор, подсоединенный к антенному коммутатору многоканальный цифровой приемник с сигнальным и опорным, в соответствии с выбранной опорной одной из антенн, каналами и с общим гетеродином, аналого-цифровой преобразователь, блоки преобразования Фурье и вычисления сверток спектров, блоки определения пеленга и угла места, а также блок синхронизации, отличается тем, что выполнен из одного центрального и соединенных с ним не менее двух периферийных антенно-приемных модулей, в каждый из которых, кроме перечисленного состава элементов, за исключением входящих только в центральный антенно-приемный модуль блоков определения пеленга и угла места, дополнительно включен подключенный к входам блока синхронизации спутниковый навигационный приемник с антенной. Антенно-приемные модули территориально удалены друг от друга на расстояние, превышающее базу разноса антенн антенных решеток в 10 – 20 раз. Центральный антенно-приемный модуль дополнительно содержит блок управления, выходы которого через линии связи соединены с управляющими входами многоканальных цифровых приемников и антенных коммутаторов, а также с управляющим входом также входящих в состав каждого антенно-приемного модуля содержащего блоки преобразования Фурье и вычисления свертки спектров вычислителя спектров и комплексных амплитуд сигналов с антенн антенных решеток, вычислитель комплексных амплитуд общего и периферийных сигналов опорных антенн, содержащий блоки определения пеленга и угла места вычислитель комплексного двумерного углового спектра, один из входов которого соединен с выходом вычислителя комплексных амплитуд общего и периферийных сигналов опорных антенн, а другие входы через линии связи соединены с выходами вычислителей спектров и комплексных амплитуд сигналов антенн периферийных антенно-приемных модулей. Выходы блока синхронизации подключены к аналого-цифровому преобразователю, входящему в состав многоканального цифрового приемника и к дополнительно включенному в него понижающему преобразователю частоты сигнала с цифровым синтезатором. Антенны в антенных решетках могут быть выполнены как ненаправленными, так и в виде ферритовых или воздушных рамочных антенн.
Предложенная структура пеленгатора позволяет одновременно измерять пеленг и угол места радиоволны с повышенной точностью и требует минимальной по размерам площадки для размещения антенной системы каждого отдельного антенно-приемного модуля, а развитие технологии современных аналого-цифровых преобразователей, включенных в многоканальные цифровые приемники, и методов цифровой обработки сигналов позволяет получать идентичные характеристики этих приемников с прямым преобразованием частоты, благодаря дополнительно включенному в них понижающему преобразователю частоты сигнала с цифровым синтезатором, которые по чувствительности не уступают супергетеродинным приемникам при более простой структуре.
Цифровая обработка сигналов, реализуемая в предлагаемом устройстве с использованием быстрого преобразования Фурье для вычисления комплексных спектров по квадратурным компонентам сигналов на выходе цифрового понижающего преобразователя частоты, свертку спектров для вычисления комплексных амплитуд сигналов на выходах антенн по отношению к сигналу в опорной антенне, их суммирование в комплексной форме с изменением угловых параметров фазирующих функций, то-есть, вычисление двумерного углового спектра (диаграммы направленности по азимуту и углу места), обеспечивает определение по нему пеленга и угла места радиоволны с повышенной точностью.
Сущность изобретения поясняется графическим материалом.
На фиг.1 представлена функциональная блок-схема предлагаемого пеленгатора с одним центральным и двумя периферийными антенно-приемными модулями, где
1- антенно-приемный модуль;
2- линия цифровой связи;
3- антенно-приемный модуль;
4- антенная решетка;
5- антенный коммутатор;
6- приемник;
7- аналого-цифровой преобразователь;
8- выход преобразователя;
9- вычислитель спектров;
10-спутниковыеантенны;
11- спутниковые навигационные приемники;
12- блок синхронизации;
13- вычислитель комплексных амплитуд;
14- вычислитель углового спектра;
15- блок управления.
На фиг. 2 приведен пример возможного размещения антенных решеток антенно-приемных модулей пеленгатора, реализующего предлагаемое техническое решение, для которого проводилось компьютерное моделирование с целью количественной оценки повышения точности пеленгования.
На фиг. 3 представлено азимутальное и угломестное сечения функции модуля двумерного углового спектра при предварительной (грубой) оценке углов на малой базе разноса антенн отдельных антенно-приемных модулей.
На фиг. 4 представлено азимутальное и угломестное сечения функции модуля общего двумерного углового спектра, вычисленного относительно общего опорного сигнала, учитывающего большую базу разноса периферийных и центрального антенно-приемных модулей при уточненной оценке.
Многоканальный пеленгатор (фиг.1) состоит из не менее двух периферийных антенно-приемных модулей 1, соединенных с помощью линий цифровой связи 2 с единственным центральным антенно-приемным модулем 3. Модули 1 и 3 содержат антенную решетку 4, выполненную из не менее трех антенн, выходы которых соединены с входами антенного коммутатора 5. При этом одна из антенн наделена функцией опорной, К антенному коммутатору 5 подсоединен многоканальный цифровой широкополосный приемник 6 с сигнальными и, в соответствии с выбранной опорной одной из антенн, опорным каналами. Аналого-цифровой преобразователь 7 и понижающий цифровой преобразователь частоты 8 с цифровым синтезатором входят непосредственно в состав приемника 6 и соединены последовательно. Цифровой выход преобразователя 8 приемника 6 соединен с входом содержащего блоки преобразования Фурье и вычисления свертки спектров вычислителя спектров 9 опорного сигнала и комплексных амплитуд сигналов антенн антенной решетки 4, который использует блоки преобразования Фурье и вычислитель сверток спектров.
Антенно-приемные модули 1 и 3 также содержат оснащенные спутниковыми антеннами 10 спутниковые навигационные приемники 11, соединенные с блоком синхронизации 12, выход которого соединен с аналого-цифровым преобразователем 7 и преобразователем 8. Центральный антенно-приемный модуль 3 содержит вычислитель 13 комплексных амплитуд периферийных и общего сигнала опорных антенн, выход которого соединен с одним из входов вычислителя углового спектра 14, содержащего блок вычисления пеленга и угла места. Входы вычислителя 13 и другие входы вычислителя 14 через линии связи 2 соединены с выходами вычислителей 9 спектров и комплексных амплитуд сигналов периферийных антенно-приемных модулей 1. Выходы блока управления 15, также расположенного в центральном антенно-приемном модуле 3 соединены с управляющими входами многоканальных приемников 6 и антенных коммутаторов 5. Антенно-приемные модули 1 и 3 во время работы пеленгатора расположены друг от друга на расстоянии, превышающем расстояние между антеннами в антенных решетках 4 в 10 - 20 раз.
Работает многоканальный пеленгатор следующим образом. В соответствии с управляющим сигналом от блока 15 антенный коммутатор 5 каждого антенно-приемного модуля обеспечивает опрос сигналов от антенн антенной решетки 4 путём периодического подключения их выходов к когерентным каналам многоканального цифрового приёмника 6. Приёмник 6 работает в циклическом режиме - старт цикла приёма синхронизируется моментом переключения коммутатора 5. На каждом антенно-приемном модуле в вычислителе 9 вычисляются комплексные амплитуды сигналов антенн и спектры сигнала опорной антенны. Комплексные амплитуды сигналов опорных антенн вычисляются по переданным спектрам в вычислителе 13 центрального антенно-приемного модуля 3.
Пеленгационная информация в виде комплексных амплитуд сигналов антенн антенных решеток 4 и спектральных коэффициентов опорных антенн передается по линиям связи 2 с периферийных модулей 1 на центральный модуль 3, где в вычислителе 13 определяются комплексные амплитуды периферийных и общего опорного сигнала, а в вычислителе 14 вычисляется двумерный угловой спектр, по которому определяется пеленг и угол места принимаемой радиоволны.
Формирование и пересылка по линиям связи 2 сигналов настройки частоты приёмников 6 и синхронизация измерений на одинаковых временных интервалах  осуществляется по сигналам блока управления 15, входящего в состав центрального модуля 3.
Когерентность принимаемых и обрабатываемых сигналов в пространственно  разнесённых антенно-приемных модулях 1 и 3 достигается наличием в составе каждого модуля блока синхронизации 12, когерентные синхронизирующие сигналы для которого (секундные импульсы и когерентное опорное напряжение) могут вырабатываться спутниковым навигационным приёмником 11 с антенной 10 по сообщениям от бортового атомного стандарта частоты навигационных спутников.
Наземные спутниковые навигационные приёмники 11 формируют сигналы единого времени (один импульс в секунду) и опорную частоту (например, f=10МГц), которые подаются на входы блоков синхронизации 12 для выработки сигналов тактовой частоты аналого-цифрового преобразователя 7 и цифрового синтезатора (например, f=100МГц), входящего в состав понижающего цифрового преобразователя частоты 8 многоканального цифрового приемника 6, выполненного по схеме прямого преобразования частоты.
Блоки синхронизации 12 обеспечивают когерентную синхронизацию тактовых импульсов аналого-цифрового преобразователя 7, цифрового синтезатора преобразователя частоты 8 и выходных сигналов цифровых квадратурных компонент на его выходе и соответственно на выходе приемника 6 с сигналом опорной частоты, формируемым спутниковым приемником 11 в пространственно разнесенных пунктах. Точность синхронизации определяется точностью определения координат наземного пункта и является итерационной процедурой, в процессе которой по измеренным псевдодальностям сначала уменьшается расхождение наземной и спутниковой шкал времени, затем уточняется позиционирование и так далее, пока не будут достигнуты необходимые точности.
В настоящее время при точности позиционирования на земле 0,5м-1м, обеспечивается и удерживается системами фазовой автоподстройки относительная ошибка временной синхронизации секундных импульсов в разнесенных пространственных пунктах 2нс-4нс, что обеспечивает когерентность фазовых измерений в пространственно разнесенных пунктах. По секундному импульсу, обладающему уникальным идентификационным номером (нумерация секундных импульсов производится с 1980года), осуществляется временная привязка цифровых отсчетов комплексных компонент сигналов с цифрового выхода понижающего преобразователя частоты 8 (Основы спутниковой навигации, краткое руководство, сайт www.u-blox.com, идентификационный номер документа GPS-X-02007-C).
Одновременно в цифровом приемнике 6 по моменту приема импульса фиксируются показания числа отсчетов аналого-цифрового преобразователя 7 и понижающего преобразователя 8 с момента старта, которые передаются с периферийного антенно-приемного модуля 1 на центральный модуль 3 по цифровой линии связи 2 вместе с цифровыми отсчетами сигналов в заголовке файла. На центральном антенно-приемном модуле 3 сопоставляются блоки цифровых данных с одинаковым номером секундных импульсов и осуществляется их совместная когерентная обработка на общих временных интервалах с измерением разности фаз и комплексных амплитуд.
Разрешение неоднозначности при большой пеленгационной базе, которая реализуется в предлагаемом техническом решении, обеспечивается двухэтапностью процедуры измерения пеленга. Предварительное (грубое) измерение осуществляется путем вычисления двумерного углового спектра каждого антенно-приемного модуля в отдельности (с сигналом своей опорной антенны) и сложением их по модулю, с последующим определением пеленга и угла места по максимуму огибающей углового спектра.
Определение пеленга с повышенной точностью производится вычислителем 14 центрального модуля 3 в процессе вычисления комплексного двумерного углового спектра путем сложении комплексных угловых спектров от периферийных и центрального антенно-приемных модулей вычисленных относительно общего комплексного опорного сигнала, который учитывает фазовый множитель разноса отдельных антенно-приемных модулей.
Последовательность и вычислительные процедуры при вычислении спектров, комплексных амплитуд сигнальных и опорных антенн, двумерных угловых спектров, формирование обобщенного опорного сигнала приведены ниже.
Цифровые отсчеты сигналов  с выходов приёмника 6 подаются на вычислитель комплексных амплитуд 9. Для всех антенн сначала преобразованием Фурье вычисляются комплексные спектры, причём для антенны, выбранной опорной, во всех тактах цикла коммутации:
, где:
t
F {...} - оператор Фурье-преобразования по времени;
f - номер частотного коэффициента спектра;
m – номер антенны 4, (0… М-1);
i – номер отсчёта сигнала во времени.
Вычислением свёртки спектра сигнала в антенне с одновременным комплексно - сопряжённым спектром опорного сигнала находятся комплексные амплитуды сигналов в периферийном модуле 1:
Комплексные амплитуды сигналов в антенне и спектральные коэффициенты опорного сигнала в частотном канале пеленгования с каждого периферийного модуля 1 передаются через линии связи 2 на центральный модуль 3. Спектральные коэффициенты опорных сигналов от всех периферийных модулей 1поступают на вычислитель 13 комплексных амплитуд периферийного и общего опорных сигналов на центральном модуле 3. Опорный сигнал центрального модуля 3, принимается за общий опорный и производится пересчет комплексных амплитуд опорных сигналов периферийных модулей 1 относительно общего опорного:
,
где: n – номер антенно-приемного модуля.
Спектральные коэффициенты опорных сигналов периферийного 1 и центрального 3 модулей соответствуют одному и тому же временному интервалу, что обеспечивается в блоке синхронизации 12 привязкой к одинаковому идентификационному номеру секундного импульса, передаваемого в заголовочном файле цифрового пакета данных, принимаемых на центральном модуле 3.
После вычисления комплексных амплитуд опорных сигналов производится перерасчёт комплексных амплитуд сигналов для антенн антенных решеток 4 каждого антенно-приемного модуля с общим опорным сигналом:
Двумерный угловой спектр предварительной оценки углов вычисляется по каждому модулю со своим опорным сигналом по формуле:
,
где:
- фазирующая функция,
,
где:
k – азимут в расчётной точке k;
θ
K – число расчётных точек по азимуту;
l – угол места в расчётной точке l;
β
L – число расчётных точек по углу места;
M – число антенн в решетке 4;
R – радиус кольцевой антенной решетки;
n
R– расстояние от центра антенной решетки модуля 1 до центра антенной решетки центрального модуля 3;
n –
γазимут от центра антенной решетки центрального модуля 3 на центр антенной решетки периферийного модуля 1;
λ – длина волны;
α - азимут антенны с номером 0 на данном модуле с номером n.
Вычисление углов прихода радиоволны осуществляется в два этапа. На первом этапе производится предварительная оценка углов прихода, для которой суммируются модули двумерных угловых спектров отдельных антенно-приемных модулей, вычисленные со своими опорными сигналами. После суммирования по модулю в суммарном двумерном угловом спектре, который по физическому смыслу является двумерной диаграммой направленности в координатах азимут (пеленг) - угол места, находится максимум, положение которого даёт предварительную (грубую) оценку углов. При предварительной оценке точность измерения углов пеленгования определяется размером отдельных антенных решёток 4 антенно-приемных модулей.
Для получения оценки точного пеленга производится суммирование двумерных угловых спектров в комплексном виде отдельных антенно-приемных модулей, вычисленных с общим опорным сигналом, которое учитывает интерференционный множитель антенной решетки с увеличенной базой разноса периферийных 1 и центрального 3 модулей.
Поиск максимума модуля углового спектра при точной оценке осуществляется в окрестности точки максимума углового спектра предварительной оценки азимута или угла места (фиг. 3), при этом допустимая ошибка измерения предварительной оценки углов не должна выходить за пределы одного главного лепестка углового спектра точной оценки (фиг. 4).
При вычислении уточнённой оценки пеленга база пеленгования определяется разносом периферийных и центрального модулей 1 и 3, угловой спектр приобретает многолепестковую интерференционную структуру (фиг. 4), а точность оценки углов при этом существенно увеличивается и определяется шириной выбранного по предварительной оценке лепестка.
Предпочтительным размещением антенно-приемных модулей на местности для обеспечения одинаковой точности пеленгатора по азимуту является окружность в плоскости пеленгования с равномерным на ней их распределением. В то же время наличие в составе антенно-приемных модулей навигационных спутниковых приёмников 11 позволяет оперативно осуществлять собственное позиционирование модулей и корректировать фазирующую функцию при вычислении угловых спектров для их произвольных размещений.
Для проверки точностных характеристик работы пеленгатора по предлагаемому техническому решению промоделирован вариант пеленгатора, состоящий из двух периферийных и центрального модулей 1 и 3 с их размещением и размещением антенных решеток 4, показанным на фиг. 2. Диаметр разноса антенн в антенных решетках 4 каждого антенно-приемного модуля составляет 60м, удаление модулей между собой - 600м. На фиг. 3 и 4 показаны сечения функции модуля двумерного углового спектра при предварительной и уточнённой оценке углов прихода радиоволны для частоты 17 МГц.
Сужение отдельных лепестков углового спектра и возможность выбора нужного лепестка по предварительной оценке, обеспечивающее разрешение неоднозначности, показывает возможность уменьшения инструментальной ошибки измерения углов прихода радиоволны до 10 раз.