Повышение точности определения координат разностно-дальномерным методом с использованием группировки низкоорбитальных малых космических аппаратов

УДК 621.396.969.11

В.А. Громов, Е.П. Ворошилин, М.В. Миронов, Г.С. Шарыгин

Повышение точности определения координат разностно-дальномерным методом с использованием группировки низкоорбитальных малых космических аппаратов

Рассматривается способ повышения точности определения координат источника радиоизлучения разностно-дальномерным методом в пассивной спутниковой системе радиомониторинга. Предложен алгоритм совместной обработки сигналов в двухвходной антенной системе. Проведено математическое моделирование.

Ключевые слова: источник радиоизлучения, малый космический аппарат, разностно-дальномерный метод, совместная обработка, погрешность, разность моментов прихода сигнала, моделирование.

В системах пассивного радиомониторинга широко применяется разностно-дальномер-ный метод определения координат источников радиоизлучения (ИРИ) [1, 2], при этом погрешность данного метода зависит от точности измерения разности моментов прихода сигнала в каждый приемный пункт распределенной системы. Один из способов повышения точности измерения разности моментов прихода сигнала - это увеличение отношения сигнал/шум принимаемого сигнала.

В подобных системах радиомониторинга возникает задача определения координат источников радиоизлучения с неизвестной поляризацией. Для успешного обнаружения подобных источников применяется раздельный прием сигналов двухвходной антенной системой, ортогональной по поляризации. Таким образом, требуется производить совместную обработку принятых сигналов с целью обеспечения максимального отношения сигнал/шум.

Поляризация электромагнитного поля принимаемого сигнала может не совпадать с поляризацией диаграммы направленности приемной антенны по причине того, что поляризация может быть неизвестна заранее либо может изменяться вследствие эффектов деполяризации, которые носят случайный характер, а также из-за переотражений при распространении.

Метод определения разности моментов прихода сигнала для случая, когда ведется прием на одной поляризации, описан в статье [3]. Если ведется прием сигналов на двух ортогональных поляризациях с помощью двухвходной антенной системы, требуется производить совместную обработку принятых сигналов. В таком случае с выходов двухвход-ной антенны имеется по два сигнала на каждом пункте приема, для нашего случая на каждом малом космическом аппарате (МКА) [2, 3], ортогональном по поляризации -сигналы, условно называемые горизонтальной поляризацией и вертикальной поляризацией. Таким образом, для двух пунктов приема сигналов системы получается четыре сигнала по два сигнала в каждом пункте (МКА).

Оценка разности моментов прихода сигнала вычисляется путем взаимно-корреляционной обработки [3]:

г* = max

1 т

R

т о

где R(г) - взаимно-корреляционная функция (ВКФ) сигналов; T - длительность записи сигнала; S1(t), S2(t) - нормированные по средней мощности сигналы ИРИ, принятые первым и вторым МКА.

Вычисляется четыре ВКФ принятых сигналов (рис. 1); ВКФ сигнала горизонтальной поляризации первого спутника (5ц) и горизонтальной поляризации второго спутника

() и вертикальной поляризации второго спутника (S22); ВКФ сигнала вертикальной

поляризации первого спутника (S12) и горизонтальной поляризации второго спутника

(S21) и вертикальной поляризации второго спутника (S22 ).

После вычисления четырех ВКФ вычисляется четыре оценки разности моментов прихода сигнала. Далее производят вычисление средневзвешенной оценки разности моментов прихода сигнала по четырем оценкам по формуле (3):

ВА. Громов, Е.П. Ворошилин, М.В. Миронов, Г.С. Шарыгин. Повышение точности определения 15

• Щ )/х ^,

г=1 / г=1

где г - оценка г-й ВКФ, - весовой коэффици- _

Спутник 1 Спутник 2

Рис. 1. Вычисление четырех взаимно-корреляционных функций

ент г-й ВКФ, равный величине значения максимума модуля этой функции.

Для исследования предложенного способа совместной обработки сигналов было проведено статистическое моделирование в среде МА^АВ и сравнение результатов моделирования с данными, полученными в статье [3]. Условия проведения моделирования аналогичны условиям, описанным в статье [3].

При моделировании предполагалось, что в канал горизонтальной поляризации поступают сигнал с единичной амплитудой и аддитивный гауссов шум, а в канал вертикальной поляризации поступает сигнал с единичной амплитудой либо с амплитудой 0,5 и аддитивный гауссов шум.

На рис. 2, 3 приведены результаты моделирования СКО оценки разности моментов прихода радиоимпульсного сигнала. На рис. 2 изображен случай, когда в канал горизонтальной поляризации поступает сигнал с единичной амплитудой, а в канал вертикальной с амплитудой - 0,5. На рис. 3 в оба канала поступает сигнал с единичной амплитудой.

2 \

\ \ \

1 V \\ \\

\ ч ч....... \ ч

Ч...... — \ "ч.

о и о

1,2-Рис. 2

& 1: 14 1& 20 22 24

Отношение сигнал/шум, дБ

— совместная обработка

— обработка на одной поляризации

— ширина спектра сигнала 97, 184кГц соответственно

СКО оценки разности моментов прихода радиоимпульсного сигнала

и и и о

О И

О

о

2\

-1

\ \\

NN

Ч ч\;

Ч : <4 : >» ^

Отношение сигнал/шум, дБ

---совместная обработка

- обработка на одной поляризации

1,2 — ширина спектра сигнала 97, 184кГц соответственно

Рис. 3. СКО оценки разности моментов прихода радиоимпульсного сигнала

и и и о

О И

О

-2

Ч ч __

1 ч ~~ — — ^ ,

-

Отношение сигнал/шум, дБ

---совместная обработка

- обработка на одной поляризации

1,2 — девиация частоты 2.5, 0.5 МГц соответственно Рис. 4. СКО оценки разности моментов прихода ЛЧМ-сигнала

^ Отношение сигнал/шум, дБ

---ширина спектра сигнала 97 кГц

- ширина спектра сигнала 184кГц

Рис. 5. Отношение СКО оценки совместной обработки к обычной

На рис. 4 приведены результаты моделирования СКО оценки разности моментов прихода линейно-частотно-модулированного (ЛЧМ) сигнала.

На рис. 5 приведены результаты моделирования отношения СКО оценки разности моментов прихода сигнала при совместной обработке в двухвходной антенной системе к обычной обработке на одной поляризации.

Таким образом, использование двухвходной антенной системы и совместной обработки сигналов позволило увеличить (точность) отношение сигнал/шум принимаемых сигналов на 4 дБ.

Статья написана в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (государственный контракт № 02.740.11.0183).

Литература

1. Черняк В.С. Многопозиционная радиолокация. - М.: Радио и связь, 1993. - 416 с.

2. Ворошилин Е.П. Определение координат источников радиоизлучения разностно-дальномерным методом с использованием группировки низкоорбитальных малых космических аппаратов / Е.П. Ворошилин, М.В. Миронов, В.А. Громов // Доклады Том. гос. ун-та систем управления и радиоэлектроники. - 2010. - Т. 21, № 1, ч. 2. - С. 23-28.

3. Ворошилин Е.П. Определение времени задержки приема сигналов группировкой пространственно-разнесенных малых космических аппаратов / Е.П. Ворошилин, М.В. Миронов, В.А. Громов // Матер. докл. Всерос. радиофизических научных чтений-конференций памяти Н.А. Арманда. - Муром, 2010. - С. 75-80.

Ворошилин Евгений Павлович

Канд. техн. наук, зав. каф. телекоммуникаций и основ радиотехники ТУСУРа Тел.: 8 (382-2) 41-36-70 Эл. почта: nvi@sibmail.com

Миронов Михаил Владимирович

Магистрант каф. радиотехнических систем (РТС) ТУСУРа

Тел.: 8 (382-2) 41-36-70

Эл. почта: mironov.mikhail.v@gmail.com

Громов Вячеслав Александрович

Аспирант каф. РТС ТУСУРа

Тел.: 8 (382-2) 41-36-70

Эл. почта: grom_v_a@ms.tusur.ru

Шарыгин Герман Сергеевич

Д-р техн. наук, зав. каф. РТС ТУСУРа Тел.: 8 (382-2) 41-36-70 Эл. почта: gssh@tusur.ru

Gromov V.A., Voroshilin E.P., Mironov M.V., Sharygin G.S.

The enhancement of positioning accuracy by the range difference method with the use of multiposition low-orbit passive small satellite system

A method for accuracy enhancement of radiation source positioning by the range difference method with the use of passive satellite system, which is intended for radiomonitoring, is considered. An algorithm for cooperative signal processing in two-input antenna system is suggested. The results of mathematical modeling are presented.

Keywords: radiation source, small satellite, range difference method, cooperative processing, errors, estimation of time arrival, modeling.