Пеленгование с использованием модели, в которой наблюдаемое поле является суперпозицией плоской падающей волны и рассеянных сферических волн, создаваемых блестящими точками на корпусе рассеивателя

А.В. Ашихмин,

доктор технических наук, профессор, директор ОСП АО «ИРКОС»

П.В. Першин,

АО «ИРКОС»

С.М. Фёдоров,

кандидат технических наук, Воронежский государственный технический университет

ПЕЛЕНГОВАНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОДЕЛИ, В КОТОРОЙ НАБЛЮДАЕМОЕ ПОЛЕ ЯВЛЯЕТСЯ СУПЕРПОЗИЦИЕЙ

ПЛОСКОЙ ПАДАЮЩЕЙ ВОЛНЫ И РАССЕЯННЫХ СФЕРИЧЕСКИХ ВОЛН, СОЗДАВАЕМЫХ БЛЕСТЯЩИМИ ТОЧКАМИ НА КОРПУСЕ РАССЕИВАТЕЛЯ

DIRECTION FINDING WITH USE OF THE MODEL IN WHICH OBSERVED FIELD IS SUPERPOSITION OF A PLANE FALLING WAVE AND SCATTERED SPHERICAL WAVES GENERATED BY SHINING POINTS ON THE SCATTERER CASE

В данной статье изложены результаты исследований радиопеленгаторного комплекса, установленного на беспилотном вертолете. Выяснено, что продольная металлическая мачта оказывает существенное влияние на точность определяемых угловых координат. Для минимизации этого негативного влияния предложено использовать метод «виртуальных» антенных решеток.

In this article results of the research of radio direction-finding complex installed on an unmanned helicopter are described. It is found out that the longitudinal metal mast has a significant influence on accuracy of angular coordinate estimation. To minimize this negative influence it is suggested to use the method of "virtual" antenna arrays.

В настоящее время получили распространение и развитие различные методы формирования «виртуальных» антенных решеток (ВАР) — методы, позволяющие оценить пространственное распределение поля в некоторой окрестности объема, занимаемого физически существующей антенной решеткой (также называемой «реальной» антенной

решеткой), с помощью которой измерены значения поля в точках расположения ее элементов [1—3].

Хайберг в работе [4] предложил способ построения преобразующей матрицы, основанный на уменьшении смещения оценок углов прихода сигналов. С учетом членов второго порядка разложения выходной функции метода MUSIC в ряд Тейлора им получена формула для ошибки пеленгования, позволившая синтезировать на основе метода наименьших квадратов алгоритм преобразования с уменьшенной ошибкой. Аналогично подходу Фридландера сигналы вне сектора преобразования игнорируются. Автор расширил свой подход для учета конечного времени наблюдения. Также предложена версия алгоритма, направленная на минимизацию СКО пеленгования.

В работах [5, 6] проведен анализ ошибок пеленгования (смещения) при использовании преобразования в пространство лучей, получено выражение для ошибки пеленгования. С использованием этого выражения синтезирована процедура для уменьшения дисперсии оценок, вызванной применением преобразования в пространство лучей и на ее основе предложен критерий выбора числа виртуальных антенных элементов. Критерий вытекает из анализа ОБПФ импульсной характеристики решетки и оптимален в смысле максимизации апертуры виртуальной решетки с ограничениями на число виртуальных элементов. Предложенный автором критерий позволяет добиться СКО оценок, близких к значению границы Крамера — Рао.

В настоящей работе представлены результаты исследований радиопеленгатор-ного комплекса, установленного на беспилотном вертолете. Значительная часть конструкции вертолета выполнена из диэлектрических композитных материалов, включая винты. Из металлических деталей вертолета максимальные габаритные размеры имеют двигатель и продольная мачта (длина которой около 1,5 м).

На летательном аппарате установлена антенная система пеленгатора, состоящая из двух кольцевых антенных решеток с радиусами 210 мм и 300 мм, расположенных на одной оси на расстоянии 300 мм друг от друга. Каждая подрешетка состоит из 5 бикони-ческих вибраторов с полной высотой 75 мм и диаметром основания 42 мм. Вибраторы верхней и нижней подрешеток расположены в шахматном порядке.

Нагрузки вибраторов — усилители высокой частоты характеризуются эквивалентной схемой в виде последовательного соединения резисторов 100 Ом и конденсаторов 1,5 пФ (на частоте 100 МГц модуль сопротивления нагрузки — около 1000 Ом; на частоте 3000 МГц модуль сопротивления нагрузки — около 100 Ом).

В ходе исследований было выяснено, что продольная металлическая мачта оказывает существенное влияние на точность измеряемых угловых координат; особенно негативное влияние на точность измерения угла места оказывают волны, рассеянные мачтой.

Как один из способов снижения систематической погрешности пеленгования предложено использовать аппарат теории «виртуальных» антенных решеток, в частности — интерполяцию распределения электромагнитного поля на окружностях расположения фазовых центров двух кольцевых подрешеток антенной системы. Так как геометрия основного рассеивателя (продольной мачты) известна, было предложено представить поле, рассеянное мачтой, в виде суперпозиции полей блестящих точек, расположенных на мачте, рис. 1, 2.

Рис. 1. Модель антенной решетки и рассеивателя

Рис. 2. Расположение реальных

антенных элементов, вид сверху

Виртуальные антенные элементы формировались для того, чтобы была возможность использовать большее количество блестящих точек на корпусе рассеивателя.

Для большей точности аппроксимации поля в ходе формирования виртуальной антенной решетки виртуальные антенные элементы формировались на тех же окружностях, на которых расположены реальные антенные элементы.

Использовалось предположение, что наблюдаемое электромагнитное поле является суперпозицией падающей плоской волны и М сферических волн: иП = ипад  ехр (/£0 (хп соб^ш^) + уп Бт^т^) + СОБ^))) +

м ехр

I расс т

т=1

4

п = 1,..., N,

где ип — комплексная амплитуда напряженности поля в месте расположения ( хп, уп, ) виртуального антенного элемента с номером п =1,..., N;

и пад — комплексная амплитуда напряженности поля, наведенного на вибраторах плоской волной, приходящей с направления ( р, в ); к0 — волновое число;

иРасс — комплексная амплитуда m-го точечного источника сферической волны (М точечных источников волн с координатами , 7т, Zя¡ моделируют поле, рассеянное носителем антенной решетки).

Для нахождения комплексных амплитуд и^ использовалась следующая система уравнений:

ехр /к0Д/

V=1

к = 1,...,К

вспом

иV •

ип=2 <спом

I (.„реал вспом р . I реал вспом р , / реал вспом р

V

I К вспом р . ( вспом г I / вспом р I

еХР I- /коД/ (хп - Ху Г+^п - У; )+(2п - 2в )\

вспом 2 вспом 2 вспом 2

V

;=1 л/ (х„ - хвспом г +1 к - У Г + и_ - гв

п = 1,..., N,

где ип — комплексная амплитуда напряженности поля в месте расположения

реального антенного элемента с номером к =1, ..., К;

ив™ом — комплексная амплитуда вспомогательного источника поля с координатами ( х1спом, увспом, гвспом ), суперпозицией которых ( ; = \,...,У ) моделируется суммарное наблюдаемое поле.

Система уравнений (1) предварительно была разделена на действительную и мнимую части; из левых частей разделенной системы уравнений вычитались правые части, разницы возводились в квадрат и складывались между собой.

Решение разделенной на реальные и мнимые части системы (1) проводилось в пакете МаШсаё с помощью процедуры квазирешения Мтегг, в которой реализована модификация метода Ньютона решения нелинейной системы уравнений.

В качестве начального приближения пеленга ( р, в ) использовался пеленг, определенный с помощью традиционного корреляционного интерференционного метода пеленгования.

Численное моделирование проводилось в наиболее проблемной — резонансной области рассеяния волн на анализируемом электродинамическом объекте «антенная решетка — продольная мачта», соответствующей диапазону 0,1—0,45 ГГц. На рис. 3 приведены результаты оценки пеленга для следующих истинных значений его координат: р = 90 градусов (плоскость падения волны у0г проходит через продольную ось симметрии мачты); в = 45 градусов (угол места отсчитывается от оси г ).

/ , — „__

/

\ /

а — ненулевое начальное приближение комплексных амплитуд пл

вспом v

- ~

...

v. -'7

вспом *в

б — нулевое начальное приближение комплексных амплитуд п1 Рис. 3. Измеренные азимут и угол места при классическом интерференционно-корреляционном методе пеленгования

Из рис. 3 видно, что использование предложенного метода позволяет приблизительно в 2 раза уменьшить максимальную и среднеквадратическую погрешность пеленгования в диапазоне частот 0,1—0,45 ГГц.

Лучших результатов удается достичь при использовании ненулевого начального приближения пеленга (например, значения пеленга, соответствующего классическому интерференционно-корреляционному методу пеленгования при использовании сигналов с выходов элементов «реальной» антенной решетки).

Аппарат формирования виртуальной антенной решетки может использоваться для увеличения числа используемых блестящих точек (в данном случае использовалась реальная АР из 5 + 5 вибраторов; формировалась виртуальная АР из 30 + 30 отсчетов поля; продольная мачта моделировалась в виде 5 блестящих точек).

ЛИТЕРАТУРА

1. Belloni F. DOA Estimation via Manifold Separation For Arbitrary Array Structures // IEEE Trans. Signal Processing. — 2007. — Vol. 55, № 10. — P. 4800—4810.

2. Chandran S. Advances in Direction-of-Arrival Estimation. — Norwood : ARTECH HOUSE, 2006. —474 p.

3. Tuncer E. Classical and Modern Direction-of-Arrival Estimation / E. Tuncer, B. Friedlander. — USA : AP, 2009. — 429 p.

4. Hyberg P. Antenna Array Mapping for DOA Estimation in Radio Signal Reconnaissance. PhD thesis. — Stockholm : Royal Institute of Technology (KTH), 2005.

5. Belloni F. Reducing Excess Variance in Beamspace Methods for Uniform Circular Array / F. Belloni, A. Richter, and V. Koivunen // Proceedings of the IEEE Workshop on Statistical Signal Processing (SSP). — Bordeaux, France, 2005.

6. Belloni F. Beamspace Transform for UCA: Error Analysis and Bias Reduction / F. Belloni and V. Koivunen // IEEE Transactions on Signal Processing. — 2006. — Vol. 54.

— No. 8. — P. 3078—3089.

REFERENCES

1. Belloni F. DOA Estimation via Manifold Separation For Arbitrary Array Structures // IEEE Trans. Signal Processing. — 2007. — Vol. 55, # 10. — P. 4800—4810.

2. Chandran S. Advances in Direction-of-Arrival Estimation. — Norwood : ARTECH HOUSE, 2006. —474 p.

3. Tuncer E. Classical and Modern Direction-of-Arrival Estimation / E. Tuncer, B. Friedlander. — USA : AP, 2009. — 429 p.

4. Hyberg P. Antenna Array Mapping for DOA Estimation in Radio Signal Reconnaissance. PhD thesis. — Stockholm : Royal Institute of Technology (KTH), 2005.

5. Belloni F. Reducing Excess Variance in Beamspace Methods for Uniform Circular Array / F. Belloni, A. Richter, and V. Koivunen // Proceedings of the IEEE Workshop on Statistical Signal Processing (SSP). — Bordeaux, France, 2005.

6. Belloni F. Beamspace Transform for UCA: Error Analysis and Bias Reduction / F. Belloni and V. Koivunen // IEEE Transactions on Signal Processing. — 2006. — Vol. 54.

— No. 8. — P. 3078—3089.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Ашихмин Александр Владимирович. Директор ОСП АО «ИРКОС» (г. Воронеж), главный инженер АО «ИРКОС» (г. Москва). Доктор технических наук, профессор.

Россия, 394000, г. Воронеж, Рабочий проспект, 101 б, к. 105. Тел. (473) 239-23-00, 239-23-01.

Першин Павел Викторович. Ведущий инженер. АО «ИРКОС» (г. Москва).

Россия, 394000, г. Воронеж, Рабочий проспект, 101 б, к. 192.Тел. (473) 239-23-00.

Фёдоров Сергей Михайлович. Доцент кафедры радиоэлектронных устройств и систем. Кандидат технических наук.

Воронежский государственный технический университет. E-mail: fedorov_sm@mail.ru

Россия, 394026, Воронеж, Московский проспект, 14. Тел. (473) 243-77-29.

Ashikhmin Alexander Vladimirovich Director of IRCOS JSC branch office (Voronezh city), Chief Engineer of IRCOS JSC (Moscow city). Doctor of Engineering Sciences, Professor.

Work address: Russia, 394000, Voronezh, Rabochiy Prospect, 101 b, 105 off. Tel. (473) 239-23-00, 239-23-01.

Pershin Pavel Viktorovich. Senior Engineer. IRCOS JSC (Moscow city).

Woik address: Russia, 394000, Voronezh, Rabochiy Prospect, 101 b, 192 off. Tel. (473) 239-23-00.

Fedorov Sergey Mikhailovich. Docent of the chair of Radioelectronic Devices and Systems. Ph.D. of Engineering Sciences.

Voronezh State Technical University. E-mail: fedorov_sm@mail.ru

Work address: Russia, 394026, Voronezh, Moskovsky Prospect, 14. Tel. (473) 243-77-29. Ключевые слова: виртуальная антенная решетка; радиопеленгация. Key words: virtual antenna array; radio direction finding. УДК 621.396.67

ИЗДАНИЯ ВОРОНЕЖСКОГО ИНСТИТУТА МВД РОССИИ

Организация защиты персональных данных в органах внутренних дел : учебное пособие / А. В. Воробьев [и др.]. — Воронеж : Воронежский институт МВД России, 2018. — 100 с.

В учебном пособии изложены основные положения организации защиты персональных данных в органах внутренних дел, законодательства, рассмотрены вопросы классификации информационных систем персональных данных. Учебное пособие рассчитано на курсантов и слушателей образовательных организаций высшего образования системы МВД России, обучающихся по направлению подготовки «Информационная безопасность», и сотрудников территориальных органов МВД России - специалистов информационных центров, подразделений технической защиты информации в органах внутренних дел.