СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ОЦЕНКИ РАЗНОСТИ МОМЕНТОВ ПРИЕМА РАДИОСИГНАЛОВ ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ КАНАЛА РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН
METHOD OF IMPROVING ACCURACY OF ESTIMATING DIFFERENCE IN TIME OF RECEPTION OF RADIO SIGNALS USING RADIO WAVE PROPAGATION CHANNEL FEATURES

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при разработке систем для определения координат источника радиоизлучения (ИРИ), а также в пассивной радиолокации.
Известен способ оценки разности моментов приема сигналов, приведенный в описании изобретения под названием "Способ оценки точности определения местоположения источника радиоизлучения пассивной разностно-дальномерной системой" [1]. В этом способе оценку разности моментов приема радиосигнала от источника радиоизлучения (ИРИ) в двух разнесенных приемных пунктах, проводят корреляционным методом, реализуемом при помощи двухканального коррелятора, путем нахождения максимума взаимной корреляционной функции.
Недостатком этого способа является низкая точность определения разности моментов приема сигналов при распространении в многолучевом канале, а также при низком уровне прямого сигнала.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ оценки разности моментов приема радиосигналов, приведенный в описании изобретения под названием: "Разнесенный разностно-дальномерный пеленгатор" [2]. Способ-прототип осуществляют следующим образом. Сигнал источника радиоизлучения поступает в антенны двух разнесенных приемных пунктов, напряжение с выхода антенны оцифровывается, производится обнаружение сигнала, далее производится оценка разности моментов приема сигналов в двух разнесенных приемных пунктах путем нахождения максимума взаимокорреляционной функции между сигналами принятыми в первом и втором приемном пункте. Точность оценки разности моментов приема сигнала зависит от мощности прямого сигнала на входе приемника, а также влияния многолучевого канала распространения радиоволн. При низкой мощности прямого сигнала, точность оценки снижается. Недостатком способа-прототипа является низкая точность определения разности моментов приема сигналов при распространении в многолучевом канале, а также при низкой мощности прямого сигнала на входе приемника.
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 способе оценки разности моментов приема радиосигналов, включающем прием сигналов в двух разнесенных приемных пунктах, оцифровку напряжения с выхода антенны, обнаружение сигнала в каждом приемном пункте, определение разности моментов приема радиосигналов, отличающемся тем, что принимают прямые и отраженные сигналы, при этом ИРИ и отражатели имеют разные угловые положения относительно приемных пунктов, а приемные пункты используют антенны с узкой диаграммой направленности, что при каждом угловом положении антенны обеспечивает прием лишь одного сигнала - либо прямого, либо отраженного, в каждом приемном пункте регистрируется прямой и отраженные сигналы, разрешенные по углу прихода, при этом используют те отраженные сигналы, уровень которых выше или сравним с уровнем прямого сигнала, затем определяют задержки между прямым и одним из отраженных сигналов в каждом приемном пункте, определяют взаимную задержку между отраженными сигналами в двух пунктах приема, вычисляют разности моментов приема прямых сигналов как сумму задержки между прямым и отраженным сигналами в первом и во втором приемных пунктах, минус задержка между прямым и отраженным сигналом во втором приемном пункте, причем разность моментов приема прямых сигналов определяется точностью до одного временного дискрета, определяемого частотой дискретизации аналого-цифрового преобразователя в приемных пунктах.
Функциональная схема предлагаемого способа приведена на фиг.1, на которой обозначено: 1 - прием сигналов, 2 - аналого-цифровое преобразование сигналов с выхода антенн в первом и во втором приемном пунктах, 3 - обнаружение сигналов, 4 - оценка задержки отраженного сигнала относительно прямого в каждом приемном пункте, 5 - оценка разности моментов приема отраженных сигналов в первом и втором приемных пунктах, 6 - расчет разницы моментов прихода прямых сигналов в двух разнесенных приемных пунктах.
Подробное описание способа
Основой способа 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.
Поскольку сигналы разрешены по углу прихода, разность МП прихода 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 первом и втором пунктах соответственно.
<mrow><mi>Δ</mi><msup><mi>φ</mi><mo>*</mo></msup></mrow>
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].
Разность моментов прихода оценивается следующим образом: в каждом пункте системы вычисляются задержки между прямым и одним из отраженных сигналов максимальной амплитуды, обозначим эти задержки как t_1 и t_2. Затем рассчитывается взаимная задержка между отраженными сигналами в двух разнесенных пунктах системы, обозначим как t_12. Для оценки величин t_1, t_2 и t_12, также используется взаимная корреляционная обработка. Искомая разность моментов приема прямых сигналов может быть рассчитана следующим образом:
<mrow><mi>Δ</mi><msup><mi>ϕ</mi><mo>*</mo></msup><mtext> </mtext><mo>=</mo><mi>t</mi><mo>_</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>t</mi><mo>_</mo><mn>12</mn><mo>−</mo><mi>t</mi><mtext>_</mtext><mn>2</mn></mrow>
На фиг.3 приведены сигналы, зарегистрированные в первом и во втором 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 сигналов от ИРИ двумя пространственно-разнесенными приемными пунктами системы мониторинга.
Исходные параметры для моделирования: сигнал от ИРИ - OFDM, Δf=10 кГц, S=1024; задержка отраженного сигнала задается произвольным образом; количество реализаций для усреднения - 5000.
<mrow><mi>Δ</mi><msup><mi>φ</mi><mo>*</mo></msup></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><msup><mi>φ</mi><mo>*</mo></msup></mrow>
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].
<mrow><mi>Δ</mi><msubsup><mi>φ</mi><mrow><msub><mrow /><mrow><mi>р</mi><mi>е</mi><mi>з</mi></mrow></msub></mrow><mo>*</mo></msubsup></mrow>
На фиг.4 приведешь зависимости СКО результирующих оценок
от отношения энергии отраженного сигнала к энергии прямого сигнала.
<mrow><mi>Δ</mi><msup><mi>φ</mi><mo>*</mo></msup></mrow>
По результатам, приведенным на фиг.4. видно, что весовое суммирование оценок
, вычисленных по различным отраженным сигналам, позволяет увеличить точность результирующей оценки.
Повышение точности оценки разносит моментов приема прямых сигналов, при низком уровне прямого сигнала, в двух разнесенных приемных пунктах в предлагаемом способе, достигается за счет использования отраженных сигналов, которые можно выделить по углу прихода, и может достигать 30% по сравнению с способом прототипом.
1. Пат. РФ №2367972, МПК G01S 5/06. Способ оценки точности определения местоположения источника радиоизлучения пассивной разностно-дальномерной системой. Опубл. 20.09.2009.
2. Пaт. 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://wwwl.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.: Вильямс, 2004. - 992 с.