Влияние погрешностей настройки каналов приема на устойчивость алгоритмов моноимпульсной пеленгации

Радиофизика

Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2012, № 4 (1), с. 114-117

УДК 621.396

ВЛИЯНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ НАСТРОЙКИ КАНАЛОВ ПРИЕМА НА УСТОЙЧИВОСТЬ АЛГОРИТМОВ МОНОИМПУЛЬСНОЙ ПЕЛЕНГАЦИИ

© 2012 г. М.Ю. Семенова, А.А. Логинов, О.А. Морозов

Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского

semenova_m_yu@nifti.unn.ru

Поступила в редакцию 06.02.2012

Исследована устойчивость алгоритма двухэтапной корреляционной обработки данных в задаче пассивной амплитудной моноимпульсной пеленгации к наличию погрешностей знания диаграмм направленности и коэффициентов усиления приемных трактов антенной системы.

Ключевые слова: пассивная пеленгация, амплитудный моноимпульсный метод, взаимная корреляционная функция.

Введение

При решении задачи пеленгации традиционно используют предположение об идентичности характеристик каналов приема, в том числе вида, формы, ширины диаграмм направленности (ДН) и коэффициентов усиления. Однако идентичность каналов приема нередко нарушается в реальных антенных системах. При установке антенной системы на спутниковой орбите (в условиях невесомости) характеристики ДН и трактов приема могут отличаться от измеренных на поверхности Земли. Наличие погрешностей в данных о характеристиках каналов приема сказывается в виде дополнительных ошибок пеленгации. В данной работе приведены результаты исследований влияния ошибок знания коэффициентов усиления каналов приема и ширин ДН антенн на точность алгоритмов пеленгации. В качестве исследуемых алгоритмов амплитудной моноимпульсной пассивной пеленгации рассмотрены традиционный алгоритм, основанный на расчете мощности сигналов, и двухэтапный корреляционный алгоритм пеленгации с предварительной оценкой уровня шума в каждом канале, приведенный в работе [1].

Определение пеленга амплитудным методом

Определение угловых координат амплитудным моноимпульсным методом включает в себя два этапа. На первом этапе определяются амплитуды {Лі} сигналов во всех каналах приемной антенной системы. На втором этапе решается система, составленная в общем случае из нелинейных уравнений пеленгации [2]:

F

где Л - ДН /-й приемной антенны, р - суммарно-разностная пеленгационная характеристика

а,. - а

р а, aJ) = -----^.

а + aJ

В работе [1] показано, что точность оценки координат источника излучения традиционными методами может быть повышена путем предварительного анализа диаграмм направленности принимающей антенной системы и учета специфики задачи амплитудной моноим-пульсной пеленгации при определении амплитуд принимаемых сигналов. Предлагаемый алгоритм включает в себя взаимную корреляционную обработку сигналов, принимаемых различными каналами антенной системы, и процедуру исключения шумовой составляющей из обрабатываемых сигналов.

Традиционный метод оценки амплитуд сводится к расчету мощности принятого сигнала [3], при этом не учитывается влияние аддитивных шумов на точность оценки амплитуды. В рамках корреляционной модели обработки сигналов осуществляется переход к системе «мнимых» антенн, в которой угловые координаты источника излучения не изменяются, сигнал, принимаемый этой системой, определяется автокорреляционной функцией исходного сигнала, а ДН мнимых антенн задаются взаимными произведениями ДН реальных антенн (рис. 1):

4(т) = |(?К(? + т)<* ,

где si(t) - сигнал, принятый /-й приемной антенной. Учет специфики моноимпульсного метода (синфазности приема сигнала различными каналами) позволяет увеличить отношение сигнал-шум (ОСШ) в обрабатываемых сигналах (сигналах мнимых антенн s'ij (т) по сравнению с

Рис. 1. Пример расположения ДН мнимых антенн для антенной системы, состоящей из 3 приемных каналов

Рис 2. ДН приемной антенной системы (по уровню -3 дБ), использованной при моделировании

сигналами реальных антенн) и, соответственно, повысить точность расчета амплитуд.

Для сигналов с низким ОСШ влияние аддитивного шума на точность определения амплитуд может быть уменьшено путем предварительного выделения некоррелированной шумовой составляющей я(0 из энергии принятого сигнала. В случае активной локации для этого применяется эталонный сигнал sЭ(t) = АЭя(0, содержащий только полезную составляющую s(t). В рамках решения задачи пассивной пеленгации на приемной стороне отсутствует точная информация о принимаемом сигнале, поэтому в качестве sЭ(t) предлагается использовать сигнал одной из приемных антенн, ОСШ в которой максимально. Выбор антенны, сигнал которой используется в дальнейшем в качестве эталонного, осуществляется на основе критерия максимума энергии принятого сигнала. В каждой антенне производится предварительная оценка энергии шума Еп путем минимизации энергии разностного сигнала - asЭ(t) по параметру а:

Еп = тт 0) -а^ (/) )2 dt ]=

= тт (Д. - аА,)21я)dt + А2 |п)dt ,

где Ап1 - амплитуда аддитивного неконтролируемого шума п(0 в 1-й антенне. Далее выполняется исключение энергии шума Еп из общей энергии принятого сигнала, что позволяет в предположении некоррелированных шумов получить оценку энергии полезной составляющей принятого сигнала.

В работе [1] на примере фазоманипулиро-ванного (ФМ2) сигнала показано, что последовательное применение указанных алгоритмов при оценке угловых координат источника радиоизлучения дает существенный выигрыш по сравнению с традиционным алгоритмом на фоне некоррелированного шума. Для разделения по-

лезного сигнала и коррелированного шума необходима дополнительная обработка на основании информации об их структурах.

Результаты моделирования

В данной работе представлены результаты исследования влияния погрешностей знания ДН приемных антенн и коэффициентов усиления приемных трактов на точность пеленгации традиционным методом, основанным на расчете мощности принятого сигнала, и методом, представленным выше.

В качестве модели исследуемого принимаемого сигнала использовался ФМ2 сигнал со следующими параметрами: несущая частота -210 кГц, скорость передачи данных - 16 Кбит/с, длина символьной последовательности - 100 бит, частота субдискретизации [4] - 190 кГц. При моделировании использовался «чистый» сигнал (без шума). В состав антенной системы, использованной при моделировании, входило 6 приемных антенн (рис. 2), расположенных в вершинах правильного шестиугольника, соседние ДН которых пересекались по уровню -3 дБ. ДН каждой антенны описываются двумерными функциями Гаусса. Угловые координаты источника излучения - (2°;2°) в системе координат антенной системы.

Параметром неточности знания ДН являлась ширина ДН приемных антенн. Относительная погрешность ширины ДН е варьировалась в диапазоне от 0 до 0.1 (от 0 до 10%). Для каждого значения е проводилось 100 испытаний (определений пеленга) со случайным масштабированием ДН в пределах Ь е [1 - е, 1 + е] раз. Например, при 10% неточности знания ДН (е = 0.1) ширина ДН изменялась в диапазоне 0.9 < Ь < 1.1 от ее точного значения.

относительная погрешность, %

Рис. 3. Зависимости средней ошибки пеленгации от относительной погрешности ширины ДН приемных антенн для различных методов пеленгации

относительная погрешность, %

Рис. 4. Зависимости средней ошибки пеленгации от относительной погрешности коэффициентов усиления приемных трактов антенн для различных методов пеленгации

Графики зависимостей средней ошибки определения пеленга от параметра е показаны на рис. 3. На рисунке представлены два метода определения пеленга - традиционный и корреляционный алгоритм с применением предварительной оценки энергии шума. При решении системы уравнений пеленгации (1) для расчета значений ДН приемных антенн У1(х,у) использовались табличные данные на некоторой сетке углов. Анализ представленных графиков позволяет сделать вывод о том, что корреляционный метод пеленгации обладает меньшей устойчивостью к влиянию неточности знания ширины ДН. Повышенное влияние погрешностей знания ДН на точность пеленгации корреляционным методом может быть вызвано их двойным вкладом в алгоритм пеленгации (значения ДН на сетке узлов в корреляционном методе используются, во-первых, при расчете ДН мнимых антенн, во-вторых, при решении системы уравнений пеленгации).

Параметрами неточности настройки усилительных трактов антенной системы являлись коэффициенты усиления приемных антенн. Относительная погрешность коэффициента усиления в приемных каналах антенной системы р варьировалась в диапазоне от 0 до 0.5 (от 0 до 50% соответственно). Для каждого значения р проводилось 100 испытаний (определений пеленга), в каждом из которых коэффициент усиления 1-го приемного канала изменялся в а. раз, где а. - случайное число в диапазоне [1 - P, 1 + Р].

Графики зависимостей средней ошибки определения пеленга от параметра р для двух методов показаны на рис. 4. Различия в эффективности двух исследуемых алгоритмов (традиционного и корреляционного с предварительной оценкой энергии шума) не превышают половины шага сетки (0.2°), в узлах которой известны ДН приемных антенн, что может быть обусловлено ошибками интерполяции ДН между узлами сетки.

Наличие ненулевой средней ошибки пеленгации для обоих методов при точной настройке усилительных трактов антенной системы и точном знании ДН приемных антенн (примерно равной 0.2°, т.е. половине шага сетки) также может быть интерпретировано неточностью интерполяционных методов, используемых при решении системы уравнений пеленгации (1) (в данных исследованиях применялась линейная интерполяция). Уменьшение шага сетки отсчетов ДН позволит уменьшить ошибки пеленгации.

Компьютерное моделирование показало, что в случае применения аналитических выражений для расчета значений ДН (например, двумерной функции Гаусса) средняя ошибка пеленгации традиционным алгоритмом стремится к нулю. При увеличении расстройки усилительных трактов различие эффективности алгоритмов, использующих данные о ДН приемных антенн в табличном виде (с линейной интерполяцией между узлами сетки) и в виде аналитических выражений, становится несущественным.

Заключение

В работе исследовано влияние неточности знания ширины ДН и коэффициентов усиления приемных каналов антенной системы на традиционный алгоритм амплитудной моноимпульс-ной пеленгации и на корреляционный алгоритм

пеленгации с применением предварительной оценки уровня шумовой составляющей в каналах антенной системы. Показано понижение устойчивости алгоритма определения угловых координат источника радиоизлучения предложенным в работе корреляционным методом по сравнению с традиционным алгоритмом при наличии погрешностей в знании ДН. При уровне допустимой средней ошибки пеленгации 0.4° в условиях точной настройки усилительных трактов антенной системы относительная погрешность ширины ДН не должна превышать для традиционного алгоритма 10%, для корреляционного алгоритма 4%; в условиях точного знания ДН антенн расстройка усилительных трактов должна быть не более 25% (~ 1.94 дБ) и 20% (~ 1.58 дБ) для указанных алгоритмов соответственно.

Список литературы

1. Семенова М.Ю., Логинов А.А., Морозов О.А. Алгоритмы повышения точности оценки пеленга в задаче амплитудной моноимпульсной пассивной локации // Вестник ННГУ. 2010. №5(2). С. 358-362.

2. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. М.: Радио и связь, 1984. 312 с.

3. Гришин Ю.П., Ипатов В.П., Казаринов Ю.М. Радиотехнические системы. М.: Высш. шк., 1990. 496 с.

4. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. М.: Мир, 1989. 540 с.

RECEPTION CHANNEL SETTING ERROR EFFECT ON MONOPULSE DIRECTION FINDING ALGORITHM STABILITY

M. Yu. Semenova, A.A. Loginov, O.A Morozov

The stability of a two-step data correlation processing algorithm against the errors in directional patterns and power gains of antenna system reception paths has been studied in the problem of passive amplitude monopulse direction finding.

Keywords: passive direction finding, amplitude monopulse method, cross-correlation function.