Способ измерения диаграммы направленности антенны источника радиоизлучения, местоположение которого неизвестно
METHOD OF MEASURING THE DIAGRAMS OF THE ANTENNA DIRECTION OF A RADIO RADIATION SOURCE, LOCATION OF WHICH IS UNKNOWN

Изобретение относится к антенной технике и области радиотехнических систем и может быть использовано, например, в системах радиотехнического контроля.
Известны различные способы измерения диаграмм направленности антенн источников радиоизлучения (ИРИ), местоположение которых известно.
В частности, известен способ измерения азимутальной диаграммы направленности антенны (ДНА) [1, Патент РФ №2298198, Способ измерения азимутальной диаграммы направленности антенны. МПК G01S 3/46, опубл. 27.04.2007, бюл. №12], включающий измерение на выбранной частоте азимутальной диаграммы направленности антенны, установленной на оси проводящего диска, заклепанного на поворотном устройстве стенда антенных измерений, при этом на той же частоте и при том же начальном приближении поворотного устройства производят измерения азимутальной диаграммы направленности вспомогательной штыревой антенны, а искомую азимутальную диаграмму направленности исследуемой антенны получают путем вычитания значений, полученных при измерении азимутальной диаграммы направленности исследуемой антенны и последующего нормирования полученной разностной функции.
Недостатком способа является их нереализуемость в случае неизвестного положения исследуемой антенны относительно измерительной антенны.
Известны способы измерения ДНА с известным положением методом ее облета самолетом или иным летно-подъемным средством (ЛПС) [2, Патент SU №1778713, Способ измерения пространственных характеристик передающей антенны. МПК G01R 29/10, опубл. 30.11.1992, бюл. №44], [3, с. 256-259 - Фрадин А.Э., Рыжков Е.В. Измерения параметров антенно-фидерных устройств. 2-е доп. изд. - М.: Связь, 1972. - 317 с], [4, с. 128-135 - Цейтлина Н.М. Методы измерения характеристик антенн СВЧ. - М.: Радио и связь, 1985. - 368 с.]; [5, Мартыненко Ю.Н., Сергеев В.Л., Страхов А.Ф., Тарасов Н.С. О комплексной автоматизации измерений радиотехнических параметров антенн // Материалы всесоюзной научно-технической конференции по радиотехническим измерениям. - Новосибирск: СНИИМ, 1970] [6, с. 44 - Толкачев А.А., Шилов А.В. Технологии радиолокации. - М.: Вече, 2010. - 424 с.], [7, с. 218 - Вартанесян В.А., Гойхман Э.Ш., Рогаткин М.И. Радиопеленгация. - М.: Воениздат МО СССР, 1966. - 248 с.].
Недостатком этих способов является их нереализуемость в случае неизвестного положения исследуемой антенны.
Также известен способ измерения параметров излучения крупноапертурных антенн с помощью беспилотного летательного аппарата [8, с. 95-103 - Классен В.И., Просвиркин И.А. Измерение параметров излучения крупноапертурных ФАР с помощью беспилотного летательного аппарата. // Радиотехника. - 2014. - №4. - С. 95-103], направленный на измерение ДНА, принятый за прототип, который включает в себя:
ИРИ
ИРИ
ИРИ
ИРИ
- формирование маршрута измерений в виде последовательности точек траектории , , как результата решения прямой геодезической задачи с исходными данными: заданным местоположением фазового центра антенной системы ИРИ О(В,L,Н), фиксированными значениями расстояния и углом места, при различных азимутальных углах, принимающих значения из интервала от 0 до 360 градусов;
нач
нач
нач
нач
- вывод ЛПС в начальную точку маршрута измерений О(В,L,Н);
DНA
- в процессе движения ЛПС по маршруту измерений прием сигнала ИРИ, измерение его параметра D, для которого определяется ДНА;
- сохранение координат точек ,
где , в которых эти измерения проводились;
- в момент возвращения в конечную точку маршрута измерений завершения измерений и представление измерений в виде функции от геодезических координат ,
изм
где  заданной в N точках.
- определение ДНА ИРИ на основе решения обратной геодезической задачи:
,
где , а ƒ - функция определения азимутального угла на основе решения обратной геодезической задачи.
Способ обеспечивает возможность измерения диаграммы направленности крупноапертурных антенн на известной частоте и с известным местоположением при помощи летно-подъемного средства (ЛПС). Данный способ представлен в еще одном источнике литературы [9, с. 60-65 - Классен В., Просвиркин И., Измерение параметров излучения крупноапертурных антенн с помощью беспилотного летательного аппарата. // Технологии и средства связи. - 2014. - №1. - С. 60-65].
Недостатком способа-прототипа является его нереализуемость в случае неизвестного положения исследуемой антенны.
Задачей изобретения является расширение арсенала технических средств измерения ДНА ИРИ в условиях отсутствия информации о ее местоположении.
нач
нач
нач
нач
ДНА
Для решения поставленной задачи предлагается способ измерения ДНА ИРИ, местоположение которого неизвестно, при котором выполняют движение ЛПС в начальную точку маршрута измерений О(В,L,Н), принимают сигнал ИРИ и измеряют его параметр D, для которого определяется ДНА, в процессе движения ЛПС по маршруту измерений.
нач
Согласно изобретению, формируют маршрут измерений в процессе движения ЛПС на высоте Н по критерию
Доп
изм.
изл
ƒ=ƒ-ƒ→0,
Доп
где ƒ - значение частоты Доплера;
изм
ƒ - значение частоты излучения ИРИ, измеренное на ЛПС;
изл
ƒ - априорно известная частота излучения ИРИ,
ДНА
нач
нач
нач
нач
ДHA
ПП
в процессе движения ЛПС по маршруту измерений, одновременно с измерением параметра сигнала D и фиксируют длину пройденного пути  от начала движения по маршруту измерений с частотой выдачи данных навигационной системой ЛПС, в момент возвращения ЛПС в начальную точку маршрута измерений О(В,L,Н) завершают формирование маршрута, прием сигнала ИРИ и измерения его параметра D, фиксируют конечную длину пройденного пути L, представляют измерения в виде функции от длины пройденного пути ,
где , формируют ДНА ИРИ в виде
где .
Техническим результатом является реализация измерения ДНА ИРИ с использованием ЛПС в условиях отсутствия информации о ее местоположении.
нач
Доп
изм.
изл
Указанный технический результат достигают за счет введения новых операций: измерения маршрута измерений в процессе движения ЛПС на высоте Н по критерию ƒ=ƒ-ƒ→0,
Доп
где ƒ - значение частоты Доплера;
изм.
ƒ - значение частоты излучения ИРИ, измеренное на ЛПС;
изл
ƒ - априорно известная частота излучения ИРИ,
ДHA
нач
нач
нач
нач
ДНA
ПП
в процессе движения ЛПС по маршруту измерений, одновременно с измерением параметра сигнала D, фиксирования длины пройденного пути  от начала движения по маршруту измерений с частотой выдачи данных навигационной системой ЛПС, в момент возвращения ЛПС в начальную точку маршрута измерений О(В,L,Н) завершения формирования маршрута, приема сигнала ИРИ и измерения его параметра D, фиксирования конечной длины пройденного пути L, представления измерений в виде функции от длины пройденного пути ,
где , определения ДНА ИРИ в виде
где .
На чертеже приведена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ измерения ДНА ИРИ, местоположение которого неизвестно.
Сочетание отличительных признаков и свойств предлагаемого способа из литературы неизвестны, поэтому он соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
Способ измерения ДНА ИРИ, местоположение которого неизвестно, реализуется следующим образом:
нач
нач
нач
нач
1. Выполняют движение ЛПС в начальную точку маршрута измерений О(В,L,Н).
нач
Доп
изм.
изл
2. Формируют маршрут измерений в процессе движения ЛПС на высоте Н по критерию ƒ=ƒ-ƒ→0,
Дoп
где ƒ - значение частоты Доплера;
изм.
ƒ - значение частоты излучения ИРИ, измеренное на ЛПС;
изл
f - априорно известная частота излучения ИРИ.
ДHA
3. В процессе движения ЛПС по маршруту измерений принимают сигнал ИРИ и измеряют его параметр D, для которого определяется ДНА.
ДHA
4. В процессе движения ЛПС по маршруту измерений, одновременно с измерением параметра сигнала D, фиксируют длину пройденного пути  от начала движения по маршруту измерений с частотой выдачи данных навигационной системой ЛПС.
нач
нач
нач
нач
ДHA
ПП
5. В момент возвращения ЛПС в начальную точку маршрута измерений О(В,L,Н) завершают формирование маршрута, прием сигнала ИРИ и измерения его параметра D, фиксируют конечную длину пройденного пути L.
6. Представляют измерения в виде функции от длины пройденного пути ,
где .
7. Определяют диаграмму направленности ИРИ в виде
где .
нач
нач
нач
нач
Для реализации пункта 1, выполняют движение ЛПС в выбранную точку в пространстве О(В,L,Н), которая будет являться начальной для формирования маршрута измерений, и запоминают ее координаты.
изм.
нач
нач
нач
нач
Доп
изм.
изл
Доп
Для выполнения пункта 2 измеряют частоту излучения ИРИ ƒ, начиная с момента выхода ЛПС в начальную точку маршрута измерений О(В,L,Н), и производят вычисления значения частоты Доплера ƒ=/ƒ-ƒ. По значению ƒ в соответствии с функциональной связью
где с - скорость распространения радиоволны;
- вектор скорости ЛПС;
Θ - угол между вектором скорости ЛПС и направлением на ИРИ относительно ЛПС;
Доп
нач
- операция определения модуля, средствами управления ЛПС изменяют направление вектора его скорости v таким образом, чтобы ƒ=0, а высота полета оставалась равной Н.
i
Для определения ДНА ИРИ необходимым условием выполнения измерений при движении ЛПС по траектории полета является обладание точками этой траектории O, i=1, 2,… следующими свойствами:
i
ИРИ
i
- равное удаление точек O, i=1, 2,… от точки О местоположения фазового центра антенной системы ИРИ (s=s, i=1, 2,…);
i
i
1
ИРИ
i
- равенство углов места β точек O, i=1, 2,… относительно плоскости местного горизонта π в точке О (β=β, i=1, 2,…).
нач
Доп
i
Покажем, что при выполнении, в процессе движения ЛПС на заданной высотой Н, условия f=0, точки траектории О, i=1, 2,… обладают требуемыми перечисленными свойствами.
ИРИ
ИРИ
1
нач
i
2
Поскольку геометрические размеры траектории полета при измерении ДНА ИРИ малы по сравнению с размерами земного эллипсоида, то поверхность Земли в окрестностях точки О можно считать плоской. В частности, в качестве этой поверхности примем плоскость местного горизонта в точке О, т.е. плоскость π. Тогда, т.к. высота Н постоянна на всем маршруте полета ЛПС, то можно считать, что все точки O, i=1, 2,… траектории полета ЛПС лежат в плоскости π, причем
Доп
Так как при движении ЛПС по траектории выполняется условие ƒ=0, то радиальная скорость ЛПС, определяемая выражением
где с - скорость распространения радиоволны;
изл
ƒ - априорно известная частота излучения ИРИ [10, с. 68 - Зырянов Ю.Т., Белоусов О.А. Основы радиотехнических систем. - ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2011. - 146 с], равна 0.
p
i
ИРИ
i
Если ν=0, то ЛПС не приближается и не удаляется от неподвижного ИРИ, т.е. точки траектории O равноудалены от точки О местоположения фазового центра антенной системы ИРИ: s=s, i=1,2,…, и первое из требуемых свойств выполняется.
i
ИРИ
Поскольку геометрическое место точек в пространстве, равноудаленных от некоторой точки, - есть сфера [11, с. 242 - Бескин Л.Н. Стереометрия. - М.: Просвещение, 1971. - 415 с], то точки траектории полета ЛПС O, i=1,2,… принадлежат сфере с радиусом s и центром в точке О.
i
2
ИРИ
Так как точки траектории полета ЛПС O, i=1, 2,… принадлежат одновременно плоскости π и сфере с центром в точке О, а пересечением сферы с плоскостью является окружность [11, с. 243], то траектория полета ЛПС - окружность.
ИРИ
i
ИРИ
i
ИРИ
i
пов
Так как траектория полета ЛПС в виде окружности представляет непрерывную линию, а прямые (O, O) проходят через одну точку О, не принадлежащую этой линии, и пересекают непрерывную линию, образованную множеством точек траектории полета ЛПС O, i=1, 2,…, то (O, O) образуют коническую поверхность κ [11, с. 170].
пов
2
кон
ИРИ
Поскольку тело, ограниченное замкнутой конической поверхностью и плоскостью, пересекающей все ее образующие, является конусом [11, с. 175], то тело, ограниченное κ и частью плоскости π, ограниченной траекторией полета ЛПС в виде окружности, будет являться конусом K с вершиной в точке О, основанием которого будет являться круг.
ИРИ
кон
ИРИ
i
кон
ИРИ
кон
ИРИ
ИРИ
кон
кон
Возьмем произвольную плоскость, проходящую через точку вершины О конуса K и отрезок - диаметр круга основания этого конуса, концами которого являются точки траектории. Поскольку для всех отрезков [О, O] их длины , i=1, 2,…, то пересечением этой произвольной плоскости и конуса K будет являться равнобедренный треугольник с вершиной в точке О и прилежащими к ней катетами длиной s. При этом диаметр включает в себя точку, являющуюся центром круга основания конуса K. Так как рассматриваемый треугольник - равнобедренный, то биссектриса его угла О будет являться одновременно и медианой, и высотой h [12, с. 35 - Киселев А.П. Геометрия / под ред. Глаголева Н.А. - М.: ФИЗМАЛИТ, 2004. - 328 с.]. Отсюда следует, что вершина О проектируется в центр основания конуса K, поэтому конус K будет прямым и круговым [11, с.182].
2
1
2
1
1
i
1
ИРИ
1
Свойствами прямого кругового конуса является наличие двух определяющих его параметров [11, с. 186]. Например, такими параметрами могут являться длина образующих  и угол α между ними и высотой конуса h, являющейся нормалью к плоскости π Т.к. плоскости π и π параллельны, то высота конуса h, также будет является нормалью к плоскости π и угол места β каждой точки О, i=1, 2,… относительно плоскости местного горизонта π в точке О будет равен β=90°-α=β. Т.е. второе из требуемых свойств выполняется.
нач
Доп
i
Отсюда следует, что при выполнении движения ЛПС на заданной высоте Н в условиях ƒ=0 точки траектории O, i=1, 2,… обладают требуемыми свойствами:
i
ИРИ
i
- равное удаление точек O, i=1, 2,… от точки О местоположения фазового центра антенной системы ИРИ (s=s, i=1,2,…);
1
i
1
ИРИ
i
- равенство углов места β точек O, i=1, 2,… относительно плоскости местного горизонта π в точке О (β=β, i=1, 2,…), и выполняется необходимое условие измерений для определения ДНА ИРИ.
ДНА
Для выполнения пунктов 3 и 4 в процессе движения ЛПС по маршруту измерений одновременно фиксируют длину пройденного пути , принимают сигнал ИРИ и измеряют его параметр D, для которого определяется ДНА.
нач
нач
нач
нач
ДНA
ПП
ДНA
ДНА
Для выполнения пунктов 5 и 6, в момент возвращения ЛПС в начальную точку маршрута измерений О(В,L,Н) завершают формирование маршрута измерений, прием сигнала и измерения его параметра D, фиксируют конечную длину пройденного пути L, сохраняют сформированный маршрут измерений и измеренные значения параметра сигнала D, представляют сохраненные измерения в виде функции зависимости измеренного значения параметра ИРИ D от длины пройденного пути ,
где .
ДНA
Для выполнения пункта 7 определяют ДНА ИРИ в виде функции  от азимутального угла θ через функцию значения измеренного параметра D от длины пройденного пути , т.е. ,
где .
Таким образом, предлагаемый способ имеет следующие отличительные признаки в последовательности его реализации от способа-прототипа, которые представлены в таблице 1.
нач
Доп
изм.
изл
Из представленной таблицы сравнения последовательностей реализации способа-прототипа и предлагаемого способа видно, что в предлагаемом способе относительно способа-прототипа дополнительно формируют маршрут измерений в процессе движения ЛПС на высоте Н по критерию ƒ=ƒ-ƒ→0,
Доп
где ƒ - значение частоты Доплера;
изм.
ƒ - значение частоты излучения ИРИ, измеренное на ЛПС;
изл
ƒ - априорно известная частота излучения ИРИ,
ДНA
нач
нач
нач
нач
ДНA
ПП
в процессе движения по маршруту измерений одновременно: измеряют параметр сигнала D и фиксируют длину пройденного пути  от начала движения по маршруту измерений с частотой выдачи данных навигационной системой ЛПС, в момент возвращения ЛПС в начальную точку маршрута измерений О(В,L,Н) завершают формирование маршрута, прием сигнала ИРИ и измерения его параметра D, фиксируют конечную длину пройденного пути L, представляют измерения в виде функции от длины пройденного пути ,
где ,
определяют ДНА ИРИ в виде
где .
Что приводит к положительному эффекту - реализации измерения ДНА ИРИ с использованием ЛПС в условиях отсутствия информации о ее местоположении.
Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, изображена на чертеже. В состав устройства входят: антенная система (АС) 01, радиоприемное устройство (РПУ) 02, измеритель частоты 03, измеритель параметра сигнала 04, запоминающее устройство (ЗУ) 05, навигационная система ЛПС 06, вычислительное устройство (ВУ) 07, блок определения диаграммы направленности (БО ДНА) 08, система управления (СУ) ЛПС 09.
AC 01 соединена с РПУ 02, выход которого подключен к входам измерителя частоты 03 и измерителя параметра сигнала 04. Выходы измерителя частоты 03, измерителя параметра сигнала 04 подключены к первому входу ЗУ 05, а выход навигационной системы ЛПС 06 подключен к второму входу ЗУ 05, выход ЗУ 05 соединен с входом ВУ 07. Первый выход ВУ 07 подключен к входу БО ДНА 08, а второй выход ВУ 07 подключен к входу СУ ЛПС 09.
изм.
ДHA
изм.
ДНA
нач
Доп
ПП
Сигнал ИРИ поступает на АС 01, а затем в РПУ 02, где выполняется прием сигнала и его аналого-цифровое преобразование. Далее цифровой сигнал поступает в измеритель частоты 03, в котором выполняется определение значения частоты принятого сигнала ƒ, и в измеритель параметра сигнала 04, который определяет параметр D для определения диаграммы направленности. Результаты измерений ƒ и D из измерителя частоты 03 и измерителя параметра сигнала 04, соответственно, передаются в ЗУ 05, в то же время в ЗУ 05 поступают данные из навигационной системы ЛПС 06. Из ЗУ 05 эти данные поступают в ВУ 07, где происходит вычисление частоты Доплера, расчет длины пройденного пути  и параметров коррекции траектории полета для системы управления ЛПС 09. Из ВУ 07 параметры коррекции траектории полета поступают в систему управления ЛПС 09, где обеспечивается движение ЛПС на высоте Н по критерию ƒ→0. При возвращении ЛПС в начальную точку маршрута измерений, выходные данные из ВУ 07: значения измеренного параметра, им соответствующие длины пройденного пути, конечная длина пройденного пути L, - поступают в БО ДНА 08 для определения ДНА.
Варианты реализации АС 01, рассмотрены в литературе [13, Шпиндлер Э. Практические конструкции антенн - М.: МИР, 1989. - 448 с.], тип используемых антенных элементов определяется местом размещения АС 01. Под фюзеляжем в ЛПС, как правило, используются ненаправленные антенные элементы. РПУ 02 может быть выполнено в виде известных устройств, описанных, например, в [14, с. 37-110 - Сиверса А.П. Проектирование радиоприемных устройств. - М.: Советское радио, 1976. - 486 с.] или [15, с. 28-106 - Рембовский A.M. Мониторинг. Задачи, методы, средства. - М.: Горячая линия - Телеком, 2010. - 624 с.], выбор РПУ будет зависеть от типа принимаемых сигналов и возможности его размещения на используемом ЛПС. Измеритель частоты 03, измеритель параметра сигнала 04, ВУ 07, БО ДНА 08 могут быть реализованы в виде аппаратно-программного средства, например, на микросхемах программируемой логики, описанных в [16, Грушвицкий Р.И. Проектирование систем на микросхемах программируемой логики. - Санкт-Петербург: БХВ, 2002. - 607 с.], обеспечивающих малые габариты и позволяющих использование в ЛПС. Для цифрового сигнала примеры реализуемых подходов измерителя частоты 03, измерителя параметра сигнала 04, если измеряемым параметром является амплитуда сигнала ИРИ, описаны в [17, с. 130-196 - Подлесный С.А. Устройства приема обработки сигналов. - Красноярск: ИПК СФУ, 2008. - 291 с.] или [18, с. 204-265 - Рембовский A.M. Мониторинг. Задачи, методы, средства. - М.: Горячая линия - Телеком, 2010. -624 с.]. Реализация ЗУ 05 описана в [19, Горденов А.Ю. Большие интегральные схемы запоминающих устройств. Справочник. - М.: Радио и связь, 1990. - 288 с.], [20, Лебедев О.Н. Микросхемы памяти и их применение. - М.: Радио и связь, 1990]. Навигационная система ЛПС 06 и СУ ЛПС 09, являются стандартными и входят в состав ЛПС. Тип навигационной системы ЛПС 06 и тип СУ ЛПС 09 определяется используемым ЛПС.
Таким образом, предлагаемый способ, так же как и способ-прототип, позволяет измерять диаграмму направленности антенны. Кроме того, приведенная сравнительная оценка эффективности предлагаемого способа относительно способа-прототипа показывает реализацию измерения ДНА ИРИ с использованием ЛПС на случай отсутствия информации о ее местоположении.