СПОСОБ ПЕЛЕНГАЦИИ ИСТОЧНИКОВ РАДИОСИГНАЛОВ С ПСЕВДОСЛУЧАЙНОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ РАБОЧЕЙ ЧАСТОТЫ В КОРОТКОВОЛНОВОМ ДИАПАЗОНЕ
DIRECTION FINDING METHOD OF RADIO SIGNAL SOURCES WITH PSEUDORANDOM TUNING OF WORKING FREQUENCY IN SHORT-WAVE BAND

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для пеленгования источников радиосигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ), в частности для пеленгования источников радиосигналов с ППРЧ в коротковолновом (KB) диапазоне.
Пеленгование источников радиосигналов с ППРЧ связано с мониторингом широкого общего спектра многопозиционного сигнала и малой длительностью отдельных посылок. Наибольшую сложность представляет пеленгование источников коротких (до 20-30 пакетов) сигнальных сообщений: команд, откликов, позывных, управляющих и опорных посылок, при котором важную роль играет быстродействие осуществляемого процесса.
Быстродействие пеленгования играет первостепенную роль при совместной работе пеленгаторов с системой радиоподавления [1], когда оказывается необходимым осуществить блокировку несанкционированного источника радиоизлучения сразу после его обнаружения. Временной интервал от момента обнаружения радиопередатчика до момента блокирования может оказаться довольно большим, а ущерб от работы несанкционированного передатчика - весьма значительным.
Известен способ пеленгации источников радиосигналов с ППРЧ в KB диапазоне [2], включающий прием радиосигналов и частотную селекцию. Прием осуществляется направленной антенной системой с последующим преобразованием сигналов для получения спектральных характеристик каждого канала и сравнения спектральных характеристик, по результатам которого определяют значение пеленга.
Недостатком известного способа является низкое быстродействие при пеленговании сигналов с ППРЧ, обусловленное большими массивами обрабатываемой информации. Отсутствие критериев идентификации принадлежности сигнальных посылок одному источнику снижает точность и достоверность пеленгования.
Известен способ пеленгации источников радиосигналов с ППРЧ в KB диапазоне [3], включающий прием радиосигналов, частотную селекцию и демодуляцию М разнесенными пунктами приема и обработки. Прием осуществляется с помощью радиоприемных устройств на N частотах с ретрансляцией преобразованных к общей частоте сигналов на центральный пункт обработки, где вычисляется фазовые (временные) разности хода лучей. В процессе обработки измеряют длительность каждого пакета принимаемого сигнала и исключают посылки, имеющие длительность большую, чем длительность посылок контролируемой сети связи с ППРЧ.
Недостатком известного способа является низкое быстродействие при пеленговании коротких сигнальных сообщений. Это объясняется необходимостью использования затратного в вычислительном плане процесса итераций при сканировании по углам прихода сигнала. Кроме того, преобразование сигнала к общей частоте и ретрансляция преобразованных сигналов вносят дополнительные ошибки, снижающие точность пеленгования.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является способ пеленгации источников радиосигналов с ППРЧ в KB диапазоне, сущность которого описана в [4] (прототип). Способ включает прием радиосигналов и частотную селекцию. Прием осуществляется направленной антенной системой, сформированной из элементов антенной решетки (АР) и одного элемента широкополосного ненаправленного приема. Принятые сигналы преобразуют многоканальным приемником, получают спектральные характеристики каждого канала, сравнивают и по результатам сравнения определяют значение пеленга.
Недостатком способа является ограниченное быстродействие при пеленговании сигналов с ППРЧ. Это объясняется необходимостью выполнения большого количества операций выделения спектров и сравнения комплексных спектральных характеристик. Каждая операция требует применения затратного в вычислительном плане процесса итераций или сканирования по углам прихода сигнала. В KB диапазоне при реализации способа трудно обеспечить большую базу пеленгования, что приводит к ограниченной дальности и невысокой точности определения пеленгов на источники сигналов с ППРЧ.
Известное устройство для пеленгации сигналов (многоканальный пеленгатор) содержит N каналов, каждый из которых состоит из последовательно включенных радиоприемного устройства (РПУ), аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и модуля определения фазовых и временных параметров пакетов сигналов с ППРЧ.
Целью изобретения является повышение быстродействия при пеленговании коротких сигнальных сообщений.
i
i
Поставленная цель достигается за счет того, что в известном способе пеленгации источников радиосигналов с ППРЧ в KB диапазоне, включающем прием радиосигналов, частотную селекцию и измерение фазы принятых сигнальных посылок, прием осуществляют плоской разреженной АР из N ненаправленных антенных элементов (АЭ), а также введены операции выбора базовой тройки АЭ, выполнения перебора вариантов возможных полных фаз для базовой тройки при условии, что набеги фаз по сторонам базового треугольника не должны превышать величину 2πL/λ, где L - максимальная сторона треугольника, λ - длина волны принятого сигнала, восстановления трехмерного волнового вектора и углов прихода сигнала по азимуту и углу места для каждого варианта полных фаз базовой тройки, после чего проводят регенерацию фаз сигнала на остальных (N-3) АЭ, определяют остаточную квадратичную невязку фазовых измерений в соответствии с формулой , где φ - значение фазы для i-го АЭ, k(Θ) - оцененное по измерениям на базовой тройке АЭ значение волнового вектора, Θ - вектор углов прихода сигнала, x - трехмерный вектор пространственных координат для i-го АЭ и по минимуму невязки фазовых измерений устанавливают реальный пеленг на источник радиосигнала с ППРЧ.
В устройство для пеленгации сигналов, реализующее способ пеленгации, содержащее N каналов, каждый из которых состоит из последовательно включенных РПУ, АЦП и модуля определения фазовых и временных параметров пакетов сигналов с ППРЧ, а также содержащее модуль идентификации многочастотных сигналов, вход которого подключен к второму выходу модуля определения фазовых и временных параметров пакетов сигналов каждого канала, и модуль индикации и регистрации пеленгов, введены плоская разреженная АР из N ненаправленных АЭ, полнодоступная коммутационная матрица, модуль определения вариантов полных фаз базовой тройки АЭ, регенератор трехмерного волнового вектора и углов прихода сигналов по азимуту и углу места, регенератор фаз сигнала на (N-3) АЭ, модуль остаточной квадратичной невязки фазовых измерений, модуль принятия решения и модуль управления, выход которого через управляющую шину соединен с управляющими входами полнодоступной коммутационной матрицы, модуля определения вариантов полных фаз базовой тройки АЭ, регенератор трехмерного волнового вектора и углов прихода сигнала по азимуту и углу места, регенератор фаз сигналов на (N-3) АЭ, модуля остаточной квадратичной невязки фазовых измерений и модуля принятия решения, а вход модуля управления соединен с выходом модуля идентификации многочастотных сигналов, при этом первый выход модуля определения фазовых и временных параметров пакетов сигнала каждого канала подключен к соответствующему информационному входу полнодоступной коммутационной матрицы, первый выход которой через модуль определения вариантов полных фаз базовой тройки АЭ, регенератор трехмерного волнового вектора и углов прихода сигнала по азимуту и углу места, модуль остаточной квадратичной невязки фазовых измерений и модуль принятия решения соединен с входом модуля индикации и регистрации пеленгов, а второй выход полнодоступной коммутационной матрицы через регенератор фаз сигналов на (N-3) АЭ подключен к второму входу модуля остаточной квадратичной невязки фазовых измерений, причем каждый АЭ плоской разреженной АР соединен с входом соответствующего РПУ каждого канала.
При использовании предлагаемый способ пеленгации источников радиосигналов с ППРЧ в KB диапазоне позволяет минимизировать функционал квадратичных невязок многоканальных фазовых измерений, обеспечивает работу на разреженных АР в условиях широкополосного приема и позволяет за счет введения новых операций упростить определение направления на источник радиосигналов, получать оценку пеленга путем прямых вычислений в противовес затратным в вычислительном плане способам, использующим итерации и сканирование по углам прихода сигнала и за счет этого повысить быстродействие при пеленговании.
Сочетания отличительных признаков и свойства предлагаемого способа пеленгации источников радиосигналов с ППРЧ в KB диапазоне и устройства для пеленгации сигналов из литературы не известны, поэтому способ и устройство соответствуют критериям новизны и изобретательского уровня.
На фиг.1 приведена функциональная схема устройства для пеленгации сигналов.
На фиг.2 - графики экспериментальной оценки быстродействия при пеленговании.
Устройство для пеленгации сигналов (фиг.1) содержит N каналов, каждый из которых состоит из последовательно включенных РПУ 1, АЦП 2 и модуля 3 определения фазовых и временных параметров сигналов с ППРЧ, а также содержит модуль 4 идентификации многочастотных сигналов, вход которого соответственно подключен к второму выходу модуля 3 определения фазовых и временных параметров пакетов сигналов каждого канала, и модуль 5 индикации и регистрации пеленгов. В устройство введены плоская разреженная АР 6 из N ненаправленных АЭ 7, полнодоступная коммутационная матрица 8, модуль 9 определения вариантов полных фаз базовой тройки АЭ 7, регенератор 10 трехмерного волнового вектора и углов прихода сигналов по азимуту и углу места, регенератор 11 фаз сигнала на (N-3) АЭ 7, модуль 12 остаточной квадратичной невязки фазовых измерений, модуль 13 принятия решения и модуль 14 управления, выход которого через управляющую шину соединен с управляющими входами полнодоступной коммутационной матрицы 8, модуля 9 определения вариантов полных фаз базовой тройки АЭ 7, регенератора 10 трехмерного волнового вектора и углов прихода сигнала по азимуту и углу места, регенератора 11 фаз сигналов на (N-3) АЭ 7, модуля 12 остаточной квадратичной невязки фазовых измерений и модуля 13 принятия решения, а вход модуля 14 управления соединен с выходом модуля 4 идентификации многочастотных сигналов. Первый выход модуля 3 определения фазовых и временных параметров пакетов сигнала каждого канала подключен к соответствующему информационному входу полнодоступной коммутационной матрицы 8, первый выход которой через модуль 9 определения вариантов полных фаз базовой тройки АЭ 7, регенератор 10 трехмерного волнового вектора и углов прихода сигнала по азимуту и углу места, модуль 12 остаточной квадратичной невязки фазовых измерений и модуль 13 принятия решения соединен с входом модуля 5 индикации и регистрации пеленгов, а второй выход полнодоступной коммутационной матрицы 8 через регенератор 11 фаз сигналов на (N-3) АЭ 7 подключен к второму входу модуля 12 остаточной квадратичной невязки фазовых измерений, причем каждый АЭ 7 плоской разреженной АР 6 соединен с входом соответствующего РПУ 1 каждого канала.
Способ пеленгации источников радиосигналов с ППРЧ в KB диапазоне реализуется следующим образом.
Известно [5], что одним из средств повышения эффективности многоканальных фазовых пеленгаторов является увеличение апертуры АР, которое влечет за собой увеличение числа АЭ и каналов приема. Однако в KB диапазоне имеют место значительные ограничения на число каналов, связанные прежде всего с размещением АЭ на значительных по размерам площадях, а также стоимостью и сложностью эксплуатации многоканального тракта.
Выходом является использование разреженных антенных решеток, расстояние между соседними АЭ у которых превышает значение λ/2 - половины длины волны принимаемого сигнала. Но в этом случае возникает неоднозначность при восстановлении полных фаз по измеренным в интервале (-π, π) главным значениям фазы на АЭ антенной решетки. Показано [6], что для антенных решеток с иррациональным соотношением проекций на оси элементарных пеленгационных баз (расстояний между АЭ) с вероятностью, близкой к единице (относительно выбора угла прихода сигнала), имеется единственный глобальный экстримум диаграммы направленности - главный лепесток, что дает возможность устранения неоднозначности фазовых измерений. Но вычислительный аппарат пеленгования в этом случае требует множественных итераций, учитывающих взаимное влияние всех АЭ. Сложность вычислений при пеленговании сигналов с ППРЧ возрастает в десятки и сотни раз пропорционально числу спектральных составляющих, превышающих адаптивный порог, и во многих случаях требует использования отложенного режима. Это существенно ограничивает быстродействие при пеленговании источников радиосигналов с ППРЧ.
Предлагаемый способ основан на минимизации функционала квадратичных невязок [7] фазовых измерений. Оценка направления прихода плоской волны производится в предположении наличия единственной пространственной моды (луча) сигнала на каждой элементарной частотной позиции в полосе приема.
Для этого из элементов АР выбирается базовая тройка АЭ - три соседних АЭ, не лежащих на одной прямой и наиболее близких друг к другу. Затем выполняется перебор вариантов возможных полных фаз для базовой тройки с учетом условия, что получающиеся набеги фаз по сторонам базового треугольника не должны превышать величину 2πL/λ.
x
y
z
T
Для каждого варианта полных фаз базовой тройки АЭ восстанавливается трехмерный волновой вектор сигнала k=(k,k,k) и углы прихода сигнала - пеленг α и угол места β
1
1
2
2
1
где υ=(φ-φ)(x-x);
2
1
3
3
1
υ=(φ-φ)(x-x);
3
2
1
2
1
T
υ=(x-x)(x-x);
4
3
2
3
1
T
υ=(x-x)(x-x);
e - вектор в плоскости антенной решетки ( - его норма);
n - единичный вектор нормали к плоскости АР;
i
x - трехмерный вектор пространственных координат для i-го АЭ;
i
φ - значение фазы для i-го АЭ.
z
Знаки в системе управлений (1) определяются с условием, чтобы k принадлежал нижней полусфере относительно поверхности земли (k≤0).
Далее производится регенерация полных значений фаз на остальных (N-3) АЭ в соответствии с формулами
i
где [φ] - измеренное в интервале [-π, π] главное значение фазы на i-м АЭ;
- округление до целого значения;
i
i
i
T
Δφ=[φ]-k(Θ)x+2π;
k(Θ) - значение волнового вектора, оцененное по измерениям на базовой тройке АЭ.
0
В случае N>3 AЭ имеется переопределенная относительно неизвестных (двумерного вектора углов прихода сигнала Θ=(α, β) и имеющего параметры φ- фазы сигнала в начале системы координат) система управлений измерений
i
где ε(i=1,…,N) - погрешность независимых равноточных измерений.
0
0
Переход к системе координат с началом в фазовом центре АР позволяет избавиться от мешающего параметра φ. В этом случае оптимальной оценкой φ, не зависящей от параметра Θ, служит усредненное по АР значение измеренной фазы. При подстановке в систему (3) вместо измеренных фаз значения за вычетом усредненной фазы получится следующая система уравнений измерений:
Решение системы (4) методом наименьших квадратов представляется в виде
где
- квадратурная невязка фазовых измерений;
T
k(Θ)=2π/λ(cosβsinα, cosβ, cosα, sinα).
Плоская АР допускает неитерационное решение задачи оценки углов прихода по восстановленным полным значениям фаз на АР при помощи стандартных формул квадратичной оптимизации относительно измеренной проекции волнового вектора на плоскость АР
1
1
где , ; x, y - координаты элементов АР.
Проекция волнового вектора на нормаль к плоскости АР восстанавливается по формуле
В том случае, когда модуль оценки волнового вектора по формуле (6) превысит значение 2π/λ, необходима дополнительная процедура одномерной оптимизации по α при β=0, которая может быть выполнена методом Ньютона как
с начальным приближением, рассчитанным из оценки (6).
Модуль вектора остаточной невязки фаз служит критерием однолучевости поля и, следовательно, применимости предлагаемого способа.
Таким образом, предлагаемый способ пеленгации источников радиосигналов с ППРЧ в KB диапазоне не требует затратного в вычислительном плане процесса итераций при сканировании по всем возможным углам прихода сигнала, в том числе за счет отражений от ионосферы различных по несущей частоте пакетов. Это позволяет при осуществлении приема плоской разреженной АР из N ненаправленных АЭ упростить процесс пеленгования, сократить за счет этого цикл измерений и в итоге повысить быстродействие при пеленговании коротких сигнальных посылок.
Вариант устройства для пеленгации сигналов, реализующего предлагаемый способ, приведен на фиг.1.
Устройство функционирует следующим образом.
Каждый пакет сигнала с ППРЧ поступает на ненаправленный АЭ 7 плоской разреженной АР 6. Пакеты селектируются по частоте РПУ 1, преобразуются в цифровую форму в АЦП 2 и подаются на модуль 3 определения фазовых и временных параметров пакетов сигнала.
Идентификация многочастотных сигналов осуществляется с помощью модуля 4, на который подаются сигналы с второго выхода каждого модуля 3. Модуль 4 позволяет существенно ослабить влияние помех за счет селекции пакетов по длительности и фиксации непрерывности передачи.
С первого выхода модуля 3 определения фазовых и временных параметров пакетов сигналов каждого канала сигнал подается на полнодоступную коммутационную матрицу 8, принцип работы которой - «любой вход с любым выходом» реализуется по командам модуля 14 управления.
Режим пеленгования осуществляется следующим образом. С помощью модуля 14 управления формируется базовая тройка АЭ 7. В базовой тройке АЭ 7 должны быть соседними, но не должны лежать на одной прямой (в случае АР 6 с произвольным размещением АЭ 7). Наиболее просто вопрос выбора базовой тройки решается для многоэлементных эквидистантных АР [6]. Например, в случае восьмиэлементной эквидистантной АР в конфигурации «звезда» (один АЭ размещается в центре, остальные семь - эквидистантно по кругу), в качестве элементов базовой тройки могут быть выбраны центральный АЭ и любые два соседние АЭ по кругу.
С первого выхода полнодоступной коммутационной матрицы 8 сигналы каналов базовой тройки подаются на модуль 9 определения вариантов полных фаз. Модуль 9 выполняет перебор вариантов возможных полных фаз для базовой тройки АЭ 7 с учетом условия, что набеги фаз по сторонам базового треугольника не должны превышать величину 2π/λ. Результирующие сигналы поступают на регенератор 10 трехмерного волнового вектора и углов прихода сигналов по азимуту и углу места, и далее - на модуль 12 остаточной квадратурной невязки фазовых измерений.
С второго выхода полнодоступной коммутационной матрицы 8 сигналы (N-3) каналов подаются на модуль 11 регенерации фаз и далее - на второй вход модуля 12 остаточной квадратичной невязки фазовых измерений. Модуль 12 в соответствии с выражением (5) определяет степень соответствия параметров определенного трехмерного волнового вектора фазовым измерениям по сигналам АЭ 7, не входящих в базовую тройку.
Параметры трехмерного волнового вектора и углов прихода сигналов по азимуту и углу места, имеющие минимальную невязку фазовых измерений, подаются на модуль 13 принятия решения в соответствии с порогом, установленным модулем 14 управления. Результат в виде параметров пеленга на источник сигналов с ППРЧ поступает на модуль 5 индикации и регистрации пеленгов.
Таким образом, устройство для пеленгации сигналов, реализующее предложенный способ, выполняет основную часть вычислительного процесса не для всех N АЭ 7, а только для АЭ базовой тройки. За счет этого объем вычислений многократно сокращается, а для некоторых вариантов АР с произвольным размещением АЭ становится возможным в реальном масштабе времени, что существенно повышает быстродействие при пеленговании коротких сигнальных посылок.
В качестве РПУ 1 устройства для пеленгации сигналов может быть использован, например, приемник прямого усиления [8, с.26, рис.1.6, б].
Допустимо использование и супергетеродинных приемников, например, описанного в патенте RU 2275746 [9], но в этом случае для супергетеродинного преобразования сигнала должен быть применен единый гетеродин для всех каналов приема.
В качестве полнодоступной коммутационной матрицы 8 может быть использован, например, аналог полнодоступного коммутатора ПДК-32/64 ТМБД 468643.001 разработки ОАО «НПК «ТРИСТАН»», имеющий независимую формулу коммутации «любой с любым».
Модули 5, 9-14 могут быть выполнены, например, на базе цифрового сигнального процессора Texas Instruments TMS 320C6416/6713, ПЛИС [10] и процессора 2 Xeon Quad Core 2,33 GHz, ОЗУ - 2 Гб.
Экспериментальная проверка предложенного способа пеленгации источников радиоизлучений с ППРЧ в KB диапазоне и устройства для его реализации производилась на частотах от 5 до 30 МГц и показала правильность и достаточность принятых технических решений. Оценка быстродействия осуществлялась путем измерения длительности вычислительного процесса предложенным способом (ПС) и для случая максимального правдоподобия (МП), учитывающего автономность результатов фазовых измерений на каждом АЭ 7 для двух конфигураций АР: восьмиэлементной эквидистантной АР типа «звезда» диаметром 102 м и 16-элементной АР (два концентрических кольца с эквидистантным расположением АЭ на каждом, малое - пять АЭ диаметра 70 м, большое - 11 АЭ диаметра 210 м).
Полученные данные приведены в таблице.
Таблица
Частота, МГц
5
10
15
20
25
30
МП, мс
47/111
109/244
207/389
293/712
584/1032
714/1425
ПС, мс
5/10
10/20
20/35
32/64
55/100
70/140
Графически оценка быстродействия для указанных случаев приведена на фиг.2.
Анализ экспериментальных данных показал, что предлагаемый способ позволяет в десятки раз повысить быстродействие при пеленговании источников радиосигналов с ППРЧ в KB диапазоне.
Источники информации
1. В.В.Цветков, В.П.Демин, А.И.Куприянов. Радиоэлектронная борьба: радиоразведка и радиопротиводействие. - М.: Изд-во МАИ, 1998 г.
2. Способ многоканальной пеленгации. Патент GB №1392343, МПК G01S 3/74, 1974.
3. Способ определения координат источников радиоизлучений с ППРЧ. Авторское свидетельство №0.303374, МПК G01S 1/08, зарегистрировано 01.11.1989.
4. Способ пеленгации радиосигналов и многоканальный пеленгатор. Патент RU №2096797, МПК G01S 3/14, G01S 3/74, опубл. 20.11.1997.
5. Дубровин А.В. Потенциальная точность измерения направления на излучатель для пеленгационных средств с кольцевыми антенными решетками. - Антенны, вып.2 (105), 2006.
6. Монзинго Т.У., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию. - М.: Радио и связь, 1986.
7. Математический энциклопедический словарь. М., «Советская энциклопедия», 1988.
8. Радиоприемные устройства. Под редакцией Н.Н.Фомина. - М.: Горячая линия. - Телеком. 2007.
9. Станция радиотехнической разведки. Патент RU 2275746, МПК G01S 7/28, G01S 13/32, опубл. 27.04.2006.
10. Потехин Д.С., Тарасов И.Е. Разработка систем цифровой обработки сигналов на базе ПЛИС. - М.: Горячая линия. - Телеком, 2007.