СПОСОБ МЕСТООПРЕДЕЛЕНИЯ НАД ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ ИЗЛУЧАТЕЛЯ ИЛИ ПЕЛЕНГАТОРНЫХ АНТЕНН
METHOD OF DETERMINING THE EMITTER OR DIRECTION-FINDING ANTENNAS ABOVE THE EARTH'S SURFACE

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиопеленгации, и может быть использовано для однопунктного определения местоположения надземных излучающих объектов с борта летательного аппарата или позиционирования летательного аппарата по радиомаяку с известными координатами.
Известен способ определения местоположения источника коротковолнового излучения (Мезин В.К. Автоматические радиопеленгаторы. - М., «Сов. радио», 1969, с. 127-132), включающий определение высоты ионосферного отражающего слоя, прием радиосигналов с помощью пеленгаторных антенн и приемников, измерение азимута и угла места прихода радиоволн и определение дальности до источника излучения по измеренному углу места с учетом высоты ионосферного отражающего слоя.
Основной недостаток способа состоит в ограничении области применения диапазоном коротких волн, кроме того не обеспечивается определение высоты места излучения, например летательного аппарата.
Известен способ пеленгования воздушного объекта (Патент РФ №2567850, 2015, G01S 3/00), включающий прием сигналов бортового передатчика с помощью пеленгаторных антенн, образующих кольцевую антенную решетку, располагаемую вблизи и параллельно земной поверхности, и дополнительных антенн на нормали к плоскости решетки из ее центра, определение по принятым антеннами решетки сигналам азимута передатчика, измерение на частоте излучения комплексных амплитуд принятых сигналов, преобразование измерений в двухмерный угловой спектр по азимуту и углу места путем умножения на комплексно сопряженные диаграммы направленности антенн, суммирования результатов умножения, определения квадрата модуля суммы и нормировки на сумму квадратов модулей диаграмм направленности, определение угла места передатчика по положению максимума углового спектра, при этом диаграммы направленности определяют в направлении полученного азимута при равных по модулю, но разно знаковых углах места прихода прямой и отраженной от земной поверхности волны с учетом разности фаз между ними, которую рассчитывают для возможных углов места с учетом длины волны излучения, высоты подъема пеленгаторных антенн над земной поверхностью и коэффициента отражения от нее, а по полученному углу места при известной высоте подъема передатчика рассчитывают дальность до него.
Данный способ имеет следующие недостатки: не обеспечивается определение дальности при неизвестной высоте подъема передатчика; низкая точность определения угла места источников широкополосных излучений вследствие измерения комплексных амплитуд только на центральной частоте сигнала без анализа во всей полосе частот излучения; ограничение применимости условием расположения пеленгаторных антенн вблизи земной поверхности, когда справедливо положение о равенстве по модулю и разно знаковости углов прихода прямой и отраженной волны.
Из известных способов наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ местоопределения излучателя над земной поверхностью (Уфаев В.А., Уфаев А.В. Двухмерное пеленгование при отражении радиоволн от земной поверхности. Антенны, 2013, №6, с. 30-38), включающий прием сигналов излучателя с помощью пеленгаторных антенн, образующих кольцевую антенную решетку, располагаемую параллельно земной поверхности, и дополнительных антенн на нормали к плоскости решетки из ее центра, определение по принятым антеннами решетки сигналам азимута излучателя, измерение комплексных амплитуд принятых сигналов на частоте излучения, преобразование измерений в направлении полученного азимута в трехмерный пространственный спектр по азимуту, дальности и высоте подъема излучателя и определение дальности и высоты подъема излучателя по положению максимума пространственного спектра, при этом пространственный спектр получают путем умножения каждого измерения на комплексно сопряженную диаграмму направленности соответствующей антенны, суммирования результатов умножения, определения квадрата модуля суммы и нормировки ее на сумму квадратов модулей диаграмм направленности антенн, которые определяют по совокупности прямой и отраженной от земной поверхности волны с учетом их амплитуд и фаз, исходя из взаимного положения излучателя и пеленгаторных антенн, коэффициента отражения от земной поверхности и частоты излучения.
Недостаток способа-прототипа состоит в низкой точности определения высоты подъема и дальности до излучателя широкополосных сигналов с шириной спектра более 5 МГц вследствие измерения комплексных амплитуд только на частоте (центральной частоте) излучения. При этом выполнение измерений на минимально допустимом интервале времени обратно пропорциональном ширине спектра сигнала сопровождается погрешностями несовпадения мгновенной частоты сигнала с центральной частотой и приводит к низкой степени компенсации разности фаз прямой и отраженной от земной поверхности волны, обусловленной запаздыванием последней, и последующему искажению пространственного спектра. По указанной причине не достигается уточнения путем многократных выполнений операций способа-прототипа с усреднением результатов. А при измерении комплексных амплитуд на интервале времени существенно большем минимального из анализа исключаются другие гармоники сигнала в занимаемой им полосе частот, что также снижает потенциально возможную точность местоопределения. Не обеспечивается определение высоты подъема над земной поверхностью пеленгаторных антенн при известной высоте расположения излучателя.
Технической задачей данного изобретения является повышение точности определения дальности до излучателя широкополосных сигналов и его высоты подъема при известной высоте подъема пеленгаторных антенн и определение высоты подъема пеленгаторных антенн при известной высоте подъема излучателя.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе местоопределения над земной поверхностью, включающем прием сигналов излучателя с помощью пеленгаторных антенн, образующих кольцевую антенную решетку, располагаемую параллельно земной поверхности, и дополнительных антенн, установленных на нормали к плоскости решетки из ее центра, определение по принятым антеннами решетки сигналам азимута излучателя, измерение комплексных амплитуд принятых сигналов и преобразование измерений в направлении полученного азимута в трехмерный пространственный спектр по азимуту, дальности до излучателя и высоте подъема, при этом пространственный спектр получают путем умножения каждого измерения на комплексно сопряженную диаграмму направленности соответствующей антенны, суммирования результатов умножения, определения квадрата модуля суммы и нормировки ее на сумму квадратов модулей диаграмм направленности антенн, которые определяют по совокупности прямой и отраженной от земной поверхности волны с учетом их амплитуд и фаз исходя из взаимного положения излучателя и пеленгаторных антенн, коэффициента отражения от земной поверхности и частоты, на которой измеряют комплексные амплитуды, новым является то, что, измерение комплексных амплитуд и преобразование измерений в пространственный спектр выполняют одновременно на совокупности частот в полосе излучения, полученные пространственные спектры суммируют, а дальность до излучателя и высоту подъема его при известной высоте подъема пеленгаторных антенн или высоту подъема пеленгаторных антенн при известной высоте подъема излучателя определяют по положению максимума суммарного пространственного спектра, который получают соответственно по высоте подъема излучателя или пеленгаторных антенн.
Решение поставленной технической задачи основывается на измерении комплексных амплитуд сигналов не на одной центральной частоте, как в способе-прототипе, а на совокупности частот гармоник в полосе излучения, например с помощью параллельной фильтрации или путем синхронного преобразования Фурье принятых сигналов. При этом фаза прямой и отраженной от земной поверхности волны зависит, в том числе от задержки на пути распространения и, в соответствии с общим определением фазы и свойством преобразования Фурье при временном сдвиге, от частоты гармоники. Учет различий частот при определении фаз обеспечивает ее компенсацию и возможность суммирования пространственных спектров совокупности гармоник. Такое суммирование не эквивалентно, например усреднению частных, по каждой из гармоник, результатов оценки высоты и дальности, и сопровождается системным эффектом разрешения лучей по задержке, что дополнительно повышает точность. Расширение области применимости способа на вариант определения высоты подъема пеленгаторных антенн (пеленгатора) при известной высоте подъема излучателя достигается по принципу относительности изменением оси координат пространственного спектра по высоте подъема над земной поверхностью пеленгатора взамен излучателя.
Учет указанных закономерностей в соответствии с предложенными новыми действиями, условиями и порядком их выполнения, позволяет решить поставленную техническую задачу: повысить точность определения дальности до излучателя широкополосных сигналов и высоты его подъема при известной высоте подъема пеленгаторных антенн и определять высоту подъема пеленгаторных антенн при известной высоте подъема излучателя.
Указанные преимущества и особенности настоящего изобретения поясняются вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 представлена структурная схема радиопеленгатора для реализации заявленного способа;
на фиг. 2 - амплитудный спектр широкополосного сигнала;
на фиг. 3 - графики зависимостей погрешности определения дальности, слева, и высоты подъема излучателя, справа, от дальности до излучателя.
Радиопеленгатор, фиг. 1, содержит:
1.1-1.N1 - антенны,
2 - радиоприемное устройство,
3 - устройство определения азимута,
4 - анализатор частотного спектра,
5 - анализатор пространственного спектра,
6 - сумматор,
7 - устройство определения максимума.
Антенны 1.1-1.N1 подключены к входам 1.1-1.N1 радиоприемного устройства 2 и через его одноименные выходы и одноименные входы и выходы анализатора частотного спектра 4 к одноименным входам анализатора пространственного спектра 5, выходы 1-F которого соединены с одноименными входами сумматора 6, выход которого подключен к входу устройства определения максимума 7. Выходы 1-N радиоприемного устройства 2 подключены к одноименным входам устройства 3 определения азимута. Выходами радиопеленгатора являются выход устройства 3 определения азимута, а также первый и второй выход устройства 7 определения максимума.
Антенны 1.1-1.N1 - вертикальные вибраторы. Группа не менее чем из N=3 антенн 1.1-1.N образует кольцевую эквидистантную антенную решетку, располагаемую параллельно земной поверхности. Не менее одной дополнительной антенны 1.N+1-1.N1 располагается на нормали к плоскости решетки из ее центра.
Радиоприемное устройство 2 многоканальное с числом каналов равным числу антенн, выполняет первичную фильтрацию и синхронное преобразование сигналов с цифровым представлением в виде комплексных (квадратурных) составляющих, например, по варианту, приведенному в (Побережский К.С. Цифровые радиоприемные устройства. М., Радио и связь, 1987, с 67-68, рис. 3.140.) Прием выполняют в течение времени много большем величины 1/ширину полосы частот занимаемых излучением.
В устройстве 3 определения азимута по принятым антеннами решетки сигналам с учетом ее радиуса, состава, центральной частоты (длины волны) излучения определяют азимут на излучатель.
Анализатор 4 частотного спектра преобразует сигналы каждой антенны в комплексный спектр Фурье, тем самым осуществляется синхронное измерение комплексных амплитуд сигналов на совокупности эквидистантных частот в полосе излучения.
Анализатор 5 пространственного спектра обеспечивает преобразование измерений в трехмерный пространственный спектр аналогично выполняемому в способе-прототипе, но на каждой из частотных позиций спектра Фурье. Необходимая при этом информация об азимуте излучателя поступает по входу 0 анализатора.
В сумматоре 6 выполняют суммирование пространственных спектров по совокупности всех частот.
По максимуму суммарного спектра в устройстве 7 определяют дальность до излучателя и высоту его подъема.
Пеленгование происходит следующим образом.
∂
0
0
∂
Радиоизлучение пеленгуемого источника принимают с помощью антенн 1.1-1.N1 и радиоприемного устройства 2 с представлением сигналов комплексными дискретными отсчетами. Период дискретизации t=1/ΔF устанавливают исходя из ширины полосы частот излучения ΔF, а число отсчетов Т из условия Т>>1, соответственно время приема (длительность реализации) много больше 1/ΔF. Чтобы гармоника несущей (центральной) ƒ частоты излучения центре полосы спектрального анализа произведение (ƒ+0,5⋅ΔF)⋅t должно быть целым числом.
С учетом ослабления на пути распространения прямой и отраженной от земной поверхности волны, запаздывания и доплеровского сдвига частот при взаимном движении пеленгатора и излучателя принятые сигналы описываются соотношением
a
∂
0
0
∂
8
где n=1, …, N1 - номер пеленгаторной антенны при общем количестве N1, причем n=1, …, N - для антенн кольцевой решетки и n=N+1, …, N1 - для дополнительных антенн, t=0, …, T-1 - номер временного отсчета, Р - мощность излучения, D - коэффициент направленного действия антенны излучателя, h - действующая высота пеленгаторных антенн, u(t⋅t, ƒ) - излучаемый сигнал, ƒ - несущая частота,  - длина пути прямой и отраженной волны,  - углы места их прихода в центр кольцевой решетки, d - дальность до излучателя по земной поверхности, H, h - высота подъема излучателя и антенной решетки, τ=r/С, τ'=r'/С - запаздывание прямой и отраженной волны, С=3⋅10 м/с - скорость света,  - комплексная диаграмма направленности пеленгаторной антенны в свободном пространстве, θ - азимут излучателя, ƒ,  - частота Доплера прямой и отраженной волны,  - коэффициент отражения радиоволн от земной поверхности,  - шум приемного канала.
Комплексные диаграммы направленности антенн решетки и дополнительных антенн в свободном пространстве определяются по формулам
0
n
где α=2π/N - квант углового положения антенн решетки радиусом ρ, С/ƒ - длина волны излучения, Δh - высота поднятия над плоскостью решетки дополнительных антенн, i - мнимая единица, π=3,14…
Отсчет положительных значений углов места выполняется от горизонта вверх, азимута от опорного направления по часовой стрелке.
В устройстве 3 по сигналам антенн кольцевой решетки определяют азимут излучателя. Выполняют данное действие, как и в способе-прототипе, но с накоплением взаимных произведений сигналов антенн по совокупности временных отсчетов
Где  - аргумент комплексного числа заключенного в скобки (фаза вектора), * - операция комплексного сопряжения.
В анализаторе частотного спектра 4 осуществляют синхронное преобразование принятых сигналов в комплексный спектр Фурье
где ƒ=0, … F-1 - номер гармоники.
Спектральным преобразованием (4) обеспечивается измерение комплексных амплитуд одновременно на совокупности F=T частот в полосе излучения.
В отсутствии доплеровского сдвига частот с учетом свойства преобразования Фурье запаздывающего сигнала (Отнес Р., Эноксон Л. Прикладной анализ временных рядов, Основные методы: - М.: Мир, 1982, с. 16-18) из формул (4), (1) следует
где  - комплексная амплитуда гармоник прямой волны в центре антенной решетки,  - преобразование Фурье излученного сигнала и шумов каналов приема,  - диаграмма направленности антенн с учетом отражения от земной поверхности.
Диаграмма направленности антенн с учетом отражения от земной поверхности определяется аналогично способу-прототипу, но для совокупности всех гармоник с учетом их частоты и запаздывания сигналов умножением на экспоненциальный множитель по формуле
∂
где Δτ=τ'-τ задержка времени распространения отраженной волны относительно прямой, δƒ=1/(t⋅Т) - разрешающая способность спектрального анализа.
0
Пространственные диаграммы направленности (6) определены для случая неизвестной высоты подъема излучателя Н, они трехмерные в силу в зависимости от (d, H) углов места и длины пути прямой и отраженной волны и очевидной зависимости от азимута θ. Эти диаграммы определяют по совокупности прямой и отраженной от земной поверхности волны с учетом их амплитуд и фаз, исходя из взаимного положения излучателя и пеленгаторных антенн, коэффициента отражения от земной поверхности и частоты ƒ-(ƒ-0,5⋅F)⋅δƒ, на которой измеряют комплексные амплитуды.
Отметим также однотипность зависимости от высоты подъема излучателя Н и пеленгатора h как исходных диаграмм направленности (2) так и интегральных (6). Это обусловлено, согласно определению величин под формулой (1), аналогичной зависимостью от указанных высот длины пути прямой и отраженной волны r, r' и их углов места β, β'.
Представление сигналов в виде спектра (5), где неизвестны комплексные амплитуды гармоник  высота и дальность, определяет статистически оптимальный порядок дальнейшей обработки, при этом диаграммы направленности антенн  выступают в качестве эталонов, относительно совокупности которых устанавливают максимум корреляции входного  воздействия.
Выполняют это последовательностью следующих действий: в анализаторе пространственного спектра 5 измеренные комплексные амплитуды (4) на каждой частоте спектрального анализа преобразуют в направлении полученного азимута в трехмерный пространственный спектр по формуле
а в сумматоре 6 полученные пространственные спектры суммируют по совокупности частот:
Преобразование (7) включает умножение каждого измерения на комплексно сопряженную диаграмму направленности соответствующей антенны, суммирование результатов умножения, определение квадрата модуля суммы и нормировки ее на сумму квадратов модулей диаграмм направленности антенн.
Максимум суммарного пространственного спектра (8) достигается в точке наивысшей корреляции входного воздействия и эталонного описания, а высоту и дальность до излучателя определяют в устройстве определения максимума 6, как положение максимума по этим параметрам суммарного пространственного спектра, с выдачей результатов потребителю по его выходам совместно с азимутом с выхода устройства 3.
Если высота подъема излучателя над земной поверхностью известна и требуется определить высоту подъема пеленгатора, то преобразования в пространственные спектры и поиск максимума осуществляют относительно неизвестной высоты пеленгатора. Такие действия обусловлены однотипной зависимостью от указанных высот длины пути r, r' и углов места β, β' прямой и отраженной волны.
Эффективность изобретения выражается в повышении точности определения дальности до излучателя широкополосных сигналов и высоты его подъема над земной поверхностью при известной высоте подъема пеленгаторных антенн и определении высоты подъема пеленгаторных антенн при известной высоте подъема излучателя.
Количественная сравнительная оценка точности выполнена методом имитационного моделирования по методике, изложенной в описании способа-прототипа, для следующих условий. Исследовался радиопеленгатор с решеткой из трех антенн при относительном (длины волны) радиусе 0,23 и высоте поднятия двух дополнительных антенн ±0,8. Известная высота горизонтального полета носителя пеленгатора 1000 м, неизвестная высота подъема излучателя 2000 м. Полет в направлении излучателя со скоростью 60 м/с. Частота излучения 3005 МГц, полоса частот занимаемых сигналом 10 МГц, мощность излучения 1 Вт. Излучаемый сигнал - частотно модулированный с частотой модуляции 0,78 МГц, девиация частоты 2 МГц. Чувствительность приемных каналов 2 мкВ/м, период дискретизации 0,1 мкс, длительность реализации 6,4 мкс. Распространение радиоволн происходит над влажной почвой. Необходимая при моделировании согласно формуле (1) частота Доплера рассчитывалась как отношение производных пути прямого и отраженного луча по времени к длине волны излучения. При моделировании способа-прототипа в формулах (3)-(8) устанавливался номер центральной гармоники ƒ=0.5⋅F.
Результаты моделирования показаны на фиг. 2, 3. В соответствии с фиг. 2 в амплитудном спектре излучения имеется 11 гармоник, причем центральная составляющая, по которой выполняются операции способа-прототипа, не самая большая по амплитуде, что приводит к снижению точности. На фиг. 3 в зависимости от дальности до излучателя точками показаны погрешности способа-прототипа, кружками - предлагаемого решения. Относительно устойчивое безаномальное определение высоты и дальности в прототипе обеспечивается на удалении до 10 км, предлагаемым решением, вследствие повышения точности, достигается расширение рабочей зоны до 100 км. Относительная погрешность снижается с 50-100% до примерно 10%. Близкие к приведенным точности получены при моделировании варианта определения дальности до излучателя и высоты подъема пеленгатора при известной высоте подъема излучателя.
Моделирующие программы обоих вариантов разработаны в системе Mathcad, имеются у авторов и патентообладателя.
Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает повышение точности определения высоты подъема и дальности до излучателя в 5-10 раз и определение высоты подъема пеленгаторных антенн при известной высоте подъема излучателя.