RU2399062C1

RU2399062C1 - Ionospheric probe-direction finder

Info

Publication number: RU2399062C1
Application number: RU2009127273/28A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Георгиевич Вертоградов (RU); Геннадий Георгиевич Вертоградов; Валерий Павлович Урядов (RU); Валерий Павлович Урядов; Виталий Геннадьевич Вертоградов (RU); Виталий Геннадьевич Вертоградов; Сергей Владимирович Кубатко (RU); Сергей Владимирович Кубатко
Original assignee: Федеральное государственное научное учреждение "Научно-исследовательский радиофизический институт"
Priority date: 2009-07-15
Filing date: 2009-07-15
Publication date: 2010-09-10

Abstract

FIELD: radio engineering.

SUBSTANCE: device has two radio receivers with a common local oscillator which is a linear frequency modulation generator, a GPS receiver with an antenna, a time synchronisation unit, a splitter, an antenna switch, a reference generator, a first radio receiving device (RRD1) and a second radio receiving device (RRD2). The second input of the linear frequency modulation generator is connected to the first output of the time synchronisation unit. The first input of a double-channel ADC is connected to the output of RRD1. The second input of the ADC is connected to the output of RRD2. The third input of the ADC is connected to the second output of the time synchronisation unit. The output of the double-channel ADC is connected to the input of a multithreaded computer designed for determining amplitude-frequency response, "ДЧХ", "УЧХ" of the ionospheric radio channel from tilt sounding data, the first output of which is connected to the third input of the linear frequency modulation generator. The second output of the multithreaded computer is connected to the N+1 th input of the antenna switch and the third output of the multithreaded computer is connected to the second input of the time synchronisation unit.

EFFECT: absence of bearing errors.

3 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике, предназначено для одновременного измерения дистанционно-частотных, амплитудно-частотных и угловых-частотных характеристик радиосигналов и может использоваться для обеспечения надежной работы систем загоризонтной KB радиолокации, радиосвязи, радионавигации и радиопеленгации.The invention relates to radio engineering, is intended for the simultaneous measurement of distance-frequency, amplitude-frequency and angular-frequency characteristics of radio signals and can be used to ensure reliable operation of systems for horizontal KB radar, radio communications, radio navigation and direction finding.

При решении задач радиолокации, радионавигации и радиопеленгации возникает проблема позиционирования источника радиоизлучения (рассеяния). Для местоопределения источника радиоизлучения необходимо по результатам измерений характеристик принятого радиосигнала выполнить имитационное моделирование распространения радиоволн в трехмерно неоднородной магнитоактивной ионосфере с реальным распределением электронной концентрации N_e на трассе зондирования. Одним из методов определения пространственного распределения электронной концентрации является решение обратной задачи реконструкции профиля N_e по данным наклонного зондирования, полученным в реальном времени (Smith M.S. The calculation of ionospheric profiles from data given on oblique incidence ionograms. J. Atm. Terr. Phys. 1970, v.32, no.6). В последние годы для наклонного зондирования ионосферы широко используется ЛЧМ ионозонд, обладающий высокой помехозащищенностью и высоким разрешением по времени группового запаздывания и частоте (Вертоградов Г.Г., Вертоградов В.Г., Урядов В.П. Мониторинг волновых возмущений методом наклонного зондирования ионосферы, Изв. Вузов Радиофизика. 2006, т.49, №12). Однако в связи с возросшими требованиями к характеристикам радиоэлектронного оборудования, функционирующего в условиях горизонтально-неоднородной ионосферы, знания только дистанционно-частотной характеристики (ДЧХ), определяемой с помощью ЛЧМ ионозонда, недостаточно для восстановления с приемлемой точностью распределения электронной концентрации N_e на трассе зондирования. Повышение точности определения пространственно-временного распределения N_e может быть достигнуто в том случае, когда одновременно с ДЧХ измеряется угловая частотная характеристика (УЧХ) трассы (Салтыков Е.Г. Восстановление электронных концентраций с малыми горизонтальными градиентами по результатам наклонного зондирования ионосферы. Численные методы решения обратных задач математической физики. Сб. трудов МГУ./Под ред. А.Н.Тихонова и А.А.Самарского, МГУ, 1988).When solving the problems of radar, radio navigation and direction finding there is a problem of positioning the source of radio emission (scattering). To determine the source of radio emission, it is necessary, based on the results of measurements of the characteristics of the received radio signal, to carry out a simulation of the propagation of radio waves in a three-dimensionally inhomogeneous magnetoactive ionosphere with a real distribution of the electron concentration _Ne on the sounding path. One method of determining the spatial distribution of the electron density is to solve the inverse problem N _e profile reconstruction according oblique sensing received in real time (Smith MS The calculation of ionospheric profiles from data given on oblique incidence ionograms. J. Atm. Terr. Phys. 1970 , v.32, no.6). In recent years, chirped LFM ionosonde has been widely used for oblique sounding of the ionosphere, which has high noise immunity and high resolution in group delay time and frequency (Vertogradov G.G., Vertogradov V.G., Uryadov V.P. Monitoring wave disturbances by the method of oblique sounding of the ionosphere, Izv. Universities Radiophysics. 2006, vol. 49, No. 12). However, due to the increased requirements for the characteristics of electronic equipment operating in a horizontally inhomogeneous ionosphere, knowledge of only the distance-frequency characteristic (DFC), determined using the LFM of the ionosonde, is insufficient to restore the distribution of the electron concentration N _e along the probing path with acceptable accuracy. Increased accuracy in determining N _e spatiotemporal distribution can be achieved in the case where simultaneously with DFC measured angular frequency characteristic (UCHH) trace (Recovery of EG Saltykov electron densities with small horizontal gradients on the results of the oblique sensing of the ionosphere. Numerical methods for solving inverse problems of mathematical physics. Collection of works of Moscow State University / Edited by A.N. Tikhonov and A.A. Samarsky, Moscow State University, 1988).

Известны способы и устройства (Выставной В.М. Два способа исследования амплитудных характеристик сигналов наклонного зондирования ионосферы. Труды ААНИИ, Наклонное зондирование ионосферы, т.351, 1978; Брянцев В.Ф. Способ измерения амплитудно-частотных характеристик ионосферных каналов радиосвязи - заявка RU 2007137287; Колчев А.А., Ширий А.О. Способ измерения передаточных функций отдельных мод ионосферного распространения сигнала и амплитудно-частотных характеристик многолучевой коротковолновой радиолинии. - Заявка RU 2006112506/09; Лапин А.Ю., Савин Ю.К., Соломенцева Т.И. Устройство для определения многолучевой структуры ионосферных сигналов. - Патент на изобретение RU 2122222), которые оценивают состояние радиоканалов посредством измерения и сравнения ограниченного числа параметров (уровня помех и амплитуды сигнала на ряде фиксированных частот (RU 2007137287); АЧХ трассы (RU 2006112506/09), Выставной В.М. (Труды ААНИИ, 1978 г.); многолучевой структуры ионосферных сигналов (RU 2122222), что, однако не обеспечивает комплексной адаптации радиоэлектронных систем к текущему состоянию ионосферы по результатам зондирования и, как следствие, не приводит к заметному повышению надежности их функционирования. Кроме этого, известные способы и устройства имеют существенный недостаток, а именно, они не осуществляют измерение угловых-частотных характеристик радиосигналов. Это ограничивает их возможности при принятии решения об изменении параметров радиоэлектронных систем и режима их работы в условиях быстрого и значительного изменения ионосферной обстановки, например, во время магнитных бурь, когда возникают аномальные каналы распространения («боковое» распространение посредством рассеяния на интенсивных неоднородностях, волноводное распространение). При этом снижается точность работы систем радиолокации, радиопеленгации и радионавигации.Known methods and devices (Vystavnoy V.M. Two methods for studying the amplitude characteristics of oblique sounding signals of the ionosphere. Proceedings of the AARI, Oblique sounding of the ionosphere, t.351, 1978; Bryantsev V.F. Method for measuring the amplitude-frequency characteristics of ionospheric radio channels - application RU 2007137287; Kolchev A.A., Shiriy A.O. A method for measuring the transfer functions of individual modes of ionospheric signal propagation and amplitude-frequency characteristics of a multi-beam short-wave radio line - Application RU 2006112506/09; Lapin A.Yu., Savin Yu.K., Solomentseva TI Device for determining the multipath structure of ionospheric signals - Patent for invention RU 2122222) that evaluate the state of radio channels by measuring and comparing a limited number of parameters (noise level and signal amplitude at a number of fixed frequencies (RU 2007137287); frequency response ( RU 2006112506/09), Vystavnoy V.M. (Proceedings of the AARI, 1978); the multipath structure of ionospheric signals (RU 2122222), which, however, does not provide a comprehensive adaptation of electronic systems to the current state of the ionosphere according to the results of sounding tions and, as a consequence, does not lead to a noticeable increase in the reliability of their functioning. In addition, the known methods and devices have a significant drawback, namely, they do not measure the angular-frequency characteristics of radio signals. This limits their possibilities when deciding to change the parameters of electronic systems and their operating conditions under conditions of rapid and significant changes in the ionospheric environment, for example, during magnetic storms, when anomalous propagation channels arise (“side” propagation through scattering by intense inhomogeneities, waveguide propagation ) At the same time, the accuracy of the radar, radio direction finding and radio navigation systems is reduced.

В качестве прототипа взято устройство для определения многолучевой структуры ионосферных сигналов (RU 2122222), где принцип определения многолучевости состоит в следующем. В устройство, содержащее две антенны, подключенные к соединенным между собой радиоприемникам, введены измеритель разности фаз, входы которого соединены с выходами радиоприемников, а выход подключен к входу блока фиксации текущих значений разности фаз, выходы которого через блок определения дифференциальной функции распределения соединен с блоком анализа этой функции. С помощью этого устройства определяется дифференциальная функция распределения разности фаз между сигналами в разнесенных по пространству антеннах, анализируется вид этой функции и в результате оценивается многолучевость принимаемого сигнала. При наличии в принимаемом сигнале несколько лучей функция распределения будет иметь несколько максимумов, а одного луча - один максимум. Таким образом, определяя и анализируя функцию распределения разностей фаз между выходными напряжениями радиоприемников, подсоединенных к двум антеннам, можно определять многолучевую структуру сигнала.As a prototype taken the device for determining the multipath structure of ionospheric signals (RU 2122222), where the principle of determining multipath is as follows. A phase difference meter is introduced into a device containing two antennas connected to interconnected radios, the inputs of which are connected to the outputs of the radios, and the output is connected to the input of the block for fixing the current values of the phase difference, the outputs of which are connected to the analysis block through the differential distribution function determination unit this function. Using this device, the differential function of the distribution of the phase difference between the signals in the spatially separated antennas is determined, the form of this function is analyzed, and as a result, the multipath of the received signal is evaluated. If there are several rays in the received signal, the distribution function will have several maxima, and one ray will have one maximum. Thus, by determining and analyzing the distribution function of the phase differences between the output voltages of the radios connected to the two antennas, it is possible to determine the multipath structure of the signal.

Данное устройство имеет существенный недостаток, а именно, из-за ограниченного набора антенн (используется две антенны) и невозможности разделения лучей имеет место интерференция различных мод сигнала, что снижает возможности устройства по определению многолучевой структуры ионосферных радиосигналов. Кроме того, известное устройство не осуществляет измерение угловых характеристик радиосигналов, и поэтому определение многолучевости сигналов не дает однозначного ответа о способе распространения (прямое прохождение или боковое распространение за счет рассеяния/отражения на ионосферных неоднородностях и градиентах электронной концентрации), что имеет немаловажное значение для обеспечения эффективной работы радиоэлектронных систем различного назначения. Также, известное устройство не измеряет дистанционно-частотную (ДЧХ) и амплитудно-частотную (АЧХ) характеристики радиосигналов, что существенно ограничивает возможности данного устройства в решении задач радиосвязи, радиопеленгации, радионавигации и радиолокации без изменения состава аппаратно-программного комплекса.This device has a significant drawback, namely, due to the limited set of antennas (two antennas are used) and the inability to separate the rays, interference of different signal modes takes place, which reduces the device’s ability to determine the multipath structure of ionospheric radio signals. In addition, the known device does not measure the angular characteristics of radio signals, and therefore the determination of the multipath signals does not give an unambiguous answer on the propagation method (direct passage or lateral propagation due to scattering / reflection on ionospheric inhomogeneities and gradients of electron concentration), which is of no small importance for ensuring effective operation of electronic systems for various purposes. Also, the known device does not measure the distance-frequency (DF) and amplitude-frequency (AFC) characteristics of radio signals, which significantly limits the capabilities of this device in solving problems of radio communication, direction finding, radio navigation and radar without changing the composition of the hardware and software complex.

Инструментом, позволяющим измерять полный набор характеристик ионосферного радиоканала (дистанционно-частотные, амплитудно-частотные и угловые частотные характеристики), является разработанный и созданный авторами ионосферный зонд-радиопеленгатор.A tool that allows you to measure the full set of characteristics of the ionospheric radio channel (distance-frequency, amplitude-frequency and angular frequency characteristics) is the ionospheric probe-direction finder developed and created by the authors.

Предлагаемый ионосферный зонд-радиопеленгатор с использованием линейно-частотной модуляции (ЛЧМ) сигнала свободен от ошибок пеленгования, обусловленных проблемами многолучевого распространения, которые в классических KB пеленгаторах, построенных по интерферометрическому принципу, приводят к ошибкам измерения как пеленга (азимута), так и угла места. Ионосферный зонд-радиопеленгатор благодаря оптимальной обработке широкополосных ЛЧМ сигналов позволяет разделить полностью или частично суммарное интерференционное поле на парциальные лучи по групповой задержке. Как следствие, множество измеренных разностей фаз разделенных парциальных лучей свободны от интерференционных погрешностей.The proposed ionospheric probe-direction finder using linear frequency modulation (LFM) of the signal is free from direction-finding errors due to multipath propagation problems, which in classical KB direction finders constructed according to the interferometric principle lead to measurement errors of both bearing (azimuth) and elevation angle . The ionospheric probe-direction-finder, due to the optimal processing of broadband LFM signals, allows you to divide the total or partial total interference field into partial beams by group delay. As a result, the many measured phase differences of the separated partial rays are free from interference errors.

Данная задача решается с помощью технического результата, заключающегося в одновременном измерении ДЧХ, АЧХ и УЧХ радиосигналов с помощью предлагаемого изобретения.This problem is solved using the technical result, which consists in simultaneously measuring the frequency response, frequency response and frequency response of the radio signals using the present invention.

Указанный результат достигается тем, что в устройстве, содержащем два радиоприемника с общим гетеродином,The specified result is achieved by the fact that in a device containing two radios with a common local oscillator,

в качестве общего гетеродина использован перестраиваемый ЛЧМ генератор, кроме этого в устройство дополнительно включены GPS приемник с антенной, блок временной синхронизации, первый вход которого подключен к выходу GPS приемника, антенная решетка, состоящая из N антенных элементов, разветвитель, к входу которого подключен один из элементов антенной решетки (опорная антенна), антенный коммутатор, к первому входу которого подключен первый выход разветвителя, к другим N-1 входам антенного коммутатора подключены N-1 элементов антенной решетки, опорный генератор, первый выход которого подключен к первому входу ЛЧМ генератора, первое радиоприемное устройство (РПУ1), первый вход которого подключен ко второму выходу разветвителя, второй вход РПУ1 подключен ко второму выходу опорного генератора, третий вход РПУ1 подключен к первому выходу ЛЧМ генератора, второе радиоприемное устройство (РПУ2), первый вход которого подключен к выходу коммутатора, второй вход РПУ2 подключен к третьему выходу опорного генератора, третий вход РПУ2 подключен ко второму выходу ЛЧМ генератора, второй вход ЛЧМ генератора подключен к первому выходу блока временной синхронизации, двухканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), первый вход которого подключен к выходу РПУ1, второй вход АЦП подключен к выходу РПУ2, третий вход АЦП подключен ко второму выходу блока временной синхронизации, выход двухканального АЦП подключен к входу многопоточного вычислителя, предназначенного для определения АЧХ, ДЧХ и УЧХ ионосферного радиоканала по данным наклонного зондирования, первый выход которого подключен к третьему входу ЛЧМ генератора, второй выход многопоточного вычислителя подключен к N+1 входу антенного коммутатора, а третий выход многопоточного вычислителя подключен ко второму входу блока временной синхронизации.A tunable chirp generator was used as a common local oscillator; in addition, a GPS receiver with an antenna, a time synchronization unit, the first input of which is connected to the output of the GPS receiver, an antenna array consisting of N antenna elements, a splitter, to the input of which one of elements of the antenna array (reference antenna), the antenna switch, to the first input of which the first output of the splitter is connected, N-1 elements of the antenna array are connected to the other N-1 inputs of the antenna switch, o a second generator, the first output of which is connected to the first input of the generator’s LFM, the first radio receiver (RPU1), the first input of which is connected to the second output of the splitter, the second input of RPU1 is connected to the second output of the reference oscillator, the third input of RPU1 is connected to the first output of the LFM of the generator, the second a radio receiving device (RPU2), the first input of which is connected to the output of the switch, the second input of RPU2 is connected to the third output of the reference generator, the third input of RPU2 is connected to the second output of the chirp generator, the second ChPM input the generator is connected to the first output of the time synchronization unit, a two-channel analog-to-digital converter (ADC), the first input of which is connected to the output of the RPU1, the second input of the ADC is connected to the output of the RPU2, the third input of the ADC is connected to the second output of the time synchronization unit, the output of the two-channel ADC is connected to the input of a multi-threaded computer designed to determine the frequency response, frequency response and frequency response of the ionospheric radio channel according to oblique sounding, the first output of which is connected to the third input of the LFM generator, the second output multithreaded calculator connected to the N + 1 input of the antenna switch and the third output multithreaded calculator connected to the second input timing block.

При этом вход многопоточного вычислителя совпадает с входом входящего в него блока оценки спектральной плотности мощности (СПМ) сигнала и шума многооконным методом (МТМ-методом) (Томсон Д.Дж. Спектральное оценивание и гармонический анализ. ТИИЭР. 1982. Т.70, №9), обнаружения лучей, определения их числа n, амплитуд α_j, задержек τ_j, отношения сигнал/шум (с/ш)_j, коэффициента мутности

(отношение мощностей регулярной и рассеянной компонент сигнала), выход которого соединен с входом блока очистки ионограмм, выделения частотных ветвей и формирования зависимостей α_j(f), τ_j(f), (с/ш)_j(f),

, определения наименьших наблюдаемых частот (ННЧ), максимальных наблюдаемых частот (МНЧ), интервалов многолучевости, интервала временного рассеяния Δτ, среднеквадратичного отклонения отношения (с/ш) σ_с/ш, вероятности ошибки, надежности связи, первый выход которого соединен с входом блока измерения двухмерных угловых координат каждого j-го луча путем Фурье-синтеза диаграммы направленности антенны и окончательной очистки ионограмм на основе критерия достоверности оценки углов прихода, а второй выход которого соединен с блоком формирования и отображения выходной информации, второй вход которого соединен с выходом блока измерения двухмерных угловых координат каждого j-го луча путем Фурье-синтеза диаграммы направленности антенны и окончательной очистки ионограмм на основе критерия достоверности оценки углов прихода. На выходе многопоточного вычислителя установлен пользовательский интерфейс, первый выход которого, совпадающий с первым выходом многопоточного вычислителя, подключен к третьему входу ЛЧМ генератора, второй выход пользовательского интерфейса, совпадающий со вторым выходом многопоточного вычислителя, подключен к N+1 входу антенного коммутатора, третий выход пользовательского интерфейса, совпадающий с третьим выходом многопоточного вычислителя, подключен ко второму входу блока временной синхронизации, четвертый выход пользовательского интерфейса соединен с третьим входом блока формирования и отображения выходной информации многопоточного вычислителя.In this case, the input of the multi-threaded computer coincides with the input of the input unit for estimating the spectral power density (PSD) of the signal and noise by the multi-window method (MTM method) (Thomson D.J. Spectral estimation and harmonic analysis. TIIER. 1982. T. 70, No. 9), detection of rays, determination of their number n, amplitudes α _j , delays τ _j , signal-to-noise ratio (s / w) _j , turbidity coefficient

(the ratio of the powers of the regular and scattered signal components), the output of which is connected to the input of the ionogram cleaning unit, extracting the frequency branches and forming the dependences α _j (f), τ _j (f), (s / w) _j (f),

, determining the lowest observed frequencies (LF), maximum observed frequencies (LF), multipath intervals, time scattering interval Δτ, standard deviation of the ratio (s / w) σ _{s / w} , error probability, communication reliability, the first output of which is connected to the input of the unit measuring the two-dimensional angular coordinates of each j-th beam by Fourier synthesis of the antenna radiation pattern and final cleaning of ionograms based on the reliability criterion for estimating arrival angles, and the second output of which is connected to the unit and displaying output information, the second input of which is connected to the output of the unit for measuring the two-dimensional angular coordinates of each j-th beam by Fourier synthesis of the antenna radiation pattern and final cleaning of ionograms based on the reliability criterion for estimating arrival angles. A user interface is installed at the output of the multi-threaded computer, the first output of which coinciding with the first output of the multi-threaded computer is connected to the third input of the LFM generator, the second output of the user interface, which coincides with the second output of the multi-threaded computer, is connected to N + 1 input of the antenna switch, the third output of the user interface, which coincides with the third output of the multi-threaded computer, is connected to the second input of the time synchronization block, the fourth output is user th interface is connected to the third input of the unit for generating and displaying the output information of a multi-threaded computer.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства.Figure 1 shows the structural diagram of the device.

Устройство включает антенну GPS 1, подключенную к GPS приемнику 2, блок временной синхронизации 3, первый вход которого подключен к выходу GPS приемника 2, N-элементную антенную решетку 4, разветвитель 5, к входу которого подключен один из элементов антенной решетки 4 (опорная антенна), антенный коммутатор 6, к первому входу которого подключен первый выход разветвителя 5, к другим N-1 входам коммутатора 6 подключены N-1 - элементов антенной решетки 4, опорный генератор 7, первое радиоприемное устройство (РПУ1) 8, первый вход которого подключен ко второму выходу разветвителя 5, второй вход РПУ1 8 подключен ко второму выходу опорного генератора 7, второе радиоприемное устройство (РПУ2) 9, первый вход которого подключен к выходу антенного коммутатора 6, а второй вход РПУ2 9 подключен к третьему выходу опорного генератора 7, ЛЧМ генератор 10, первый вход которого подключен к первому выходу опорного генератора 7, второй вход ЛЧМ генератора 10 подключен к первому выходу блока временной синхронизации 3, первый выход ЛЧМ генератора 10 подключен к третьему входу РПУ1 8, второй выход ЛЧМ генератора 10 подключен к третьему входу РПУ2 9, двухканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 11, первый вход которого подключен к выходу РПУ1 8, второй вход АЦП 11 подключен к выходу РПУ2 9, третий вход АЦП 11 подключен ко второму выходу блока временной синхронизации 3, выход двухканального АЦП 11 подключен к входу многопоточного вычислителя 12 (обведен на фиг.1 пунктирной линией), состоящего из блока оценки спектральной плотности мощности (СПМ) сигнала и шума многооконным методом (МТМ-методом), обнаружения лучей, определения их числа n, амплитуд α_j, задержек τ_j, коэффициента мутности β² 13, блока очистки ионограмм, выделения частотных ветвей и формирования зависимостей α_j(f), τ_j(f), (с/ш)_j(f),

, определения наименьших наблюдаемых частот (ННЧ), максимальных наблюдаемых частот (МНЧ), интервалов многолучевости, интервала временного рассеяния Δτ, среднеквадратичного отклонения отношения (с/ш) σ_с/ш, вероятности ошибки, надежности связи 14, блока измерения двухмерных угловых координат каждого j-го луча путем Фурье-синтеза диаграммы направленности антенны и окончательной очистки ионограмм на основе критерия достоверности оценки углов прихода 15, блока формирования и отображения выходной информации 16, пользовательского интерфейса 17. При этом на входе многопоточного вычислителя 12 установлен блок 13, вход которого соединен с выходом двухканального АЦП 11, а выход блока 13 соединен с входом блока 14, первый выход которого соединен с входом блока 15, второй выход блока 14 соединен с первым входом блока 16, второй вход блока 16 соединен с выходом блока 15. На выходе многопоточного вычислителя 12 установлен пользовательский интерфейс 17, первый выход которого, совпадающий с первым выходом многопоточного вычислителя 12, подключен к третьему входу ЛЧМ генератора 10, второй выход пользовательского интерфейса 17, совпадающий со вторым выходом многопоточного вычислителя 12, подключен к N+1 входу антенного коммутатора 6, третий выход пользовательского интерфейса 17, совпадающий с третьим выходом многопоточного вычислителя 12, подключен ко второму входу блока временной синхронизации 3, четвертый выход пользовательского интерфейса 17 соединен с третьим входом блока формирования и отображения выходной информации 16.The device includes a GPS antenna 1 connected to the GPS receiver 2, a time synchronization unit 3, the first input of which is connected to the output of the GPS receiver 2, an N-element antenna array 4, a splitter 5, to the input of which one of the elements of the antenna array 4 is connected (reference antenna ), the antenna switch 6, to the first input of which the first output of the splitter 5 is connected, to the other N-1 inputs of the switch 6 are connected N-1 - elements of the antenna array 4, the reference generator 7, the first radio receiver (RPU1) 8, the first input of which is connected to the second out the splitter 5 ode, the second input of RPU1 8 is connected to the second output of the reference generator 7, the second radio receiver (RPU2) 9, the first input of which is connected to the output of the antenna switch 6, and the second input of RPU2 9 is connected to the third output of the reference generator 7, chirp generator 10 the first input of which is connected to the first output of the reference oscillator 7, the second input of the LFM of the generator 10 is connected to the first output of the time synchronization unit 3, the first output of the LFM of the generator 10 is connected to the third input of the RPU1 8, the second output of the LFM of the generator 10 is connected to t a network input RPU2 9, a two-channel analog-to-digital converter (ADC) 11, the first input of which is connected to the output of the RPU1 8, the second input of the ADC 11 is connected to the output of the RPU2 9, the third input of the ADC 11 is connected to the second output of the time synchronization unit 3, the output of the two-channel ADC 11 is connected to the input of a multi-threaded computer 12 (circled by a dashed line in FIG. 1), consisting of a unit for estimating the spectral power density (PSD) of a signal and noise using a multi-window method (MTM method), detecting beams, determining their number n, amplitudes α _j , delays τ _j, the coefficients ienta Turbidity β ^{February 13,} ionograms cleaning unit, allocation of frequency dependency of forming branches and _{_{α j (f), τ j}} (f), ( S / N) _j (f),

, determination of the lowest observed frequencies (LF), maximum observed frequencies (LF), multipath intervals, time scattering interval Δτ, standard deviation of the ratio (s / w) σ _{s / w} , error probability, communication reliability 14, measurement unit of two-dimensional angular coordinates of each of the j-th beam by Fourier synthesis of the antenna pattern and final cleaning of ionograms based on the reliability criterion for estimating the angles of arrival 15, the block for generating and displaying output information 16, the user interface 17. at the same time, a block 13 is installed at the input of a multi-threaded computer 12, the input of which is connected to the output of the two-channel ADC 11, and the output of block 13 is connected to the input of block 14, the first output of which is connected to the input of block 15, the second output of block 14 is connected to the first input of block 16, the second input of block 16 is connected to the output of block 15. At the output of multi-threaded calculator 12, a user interface 17 is installed, the first output of which, which coincides with the first output of multi-threaded calculator 12, is connected to the third input of the chirp generator 10, the second user output interface 17, which coincides with the second output of the multi-threaded computer 12, is connected to the N + 1 input of the antenna switch 6, the third output of the user interface 17, which coincides with the third output of the multi-thread computer 12, is connected to the second input of the time synchronization block 3, the fourth output of the user interface 17 connected to the third input of the block forming and displaying output information 16.

Рассмотрим функциональное назначение отдельных блоков, в совокупности обеспечивающих решение основной задачи изобретения - одновременное измерение ДЧХ, АЧХ и УЧХ ионосферного радиоканала по данным наклонного ЛЧМ зондирования ионосферы.Consider the functional purpose of the individual blocks, which together provide a solution to the main objective of the invention - the simultaneous measurement of the frequency response, frequency response and frequency response of the ionospheric radio channel according to oblique LFM sounding of the ionosphere.

N - элементная антенная решетка, состоящая из N вертикальных штыревых антенн, используется для определения амплитудно-фазового распределения поля радиоволн на апертуре антенной решетки и оценки углов прихода различных лучей путем Фурье-синтеза диаграммы направленности.N - elemental antenna array, consisting of N vertical whip antennas, is used to determine the amplitude-phase distribution of the radio wave field at the aperture of the antenna array and to estimate the angles of arrival of various beams by Fourier synthesis of the radiation pattern.

Здесь Ф_jnl - фаза сигнала, измеренная на n-ом антенном элементе относительно фазы сигнала на опорной антенне, n=1,2,…,N - номер опрашиваемого антенного элемента, l=1,2,…, L - номер дискретной частоты f, на которой будут оцениваться углы прихода j - луча, α_n - азимут радиус вектора n-антенного элемента относительно начала системы координат, совмещенной с опорной антенной.Here Ф _jnl is the phase of the signal measured on the nth antenna element relative to the phase of the signal on the reference antenna, n = 1,2, ..., N is the number of the antenna element being polled, l = 1,2, ..., L is the number of the discrete frequency f , at which the angles of arrival of the j-ray will be estimated, α _n is the azimuth of the radius of the vector of the n-antenna element relative to the origin of the coordinate system, combined with the reference antenna.

Путем вариаций величин α и Δ находят максимальное значение функции |D_jl(α,Δ)|, равное 1, тем самым определяя направление прихода j-го луча, характеризуемое азимутом - α_j и углом места - Δ_j.By varying the values of α and Δ, the maximum value of the function | D _jl (α, Δ) | is found to be 1, thereby determining the direction of arrival of the j-th beam, characterized by azimuth - α _j and elevation angle - Δ _j .

Опорный генератор 7 необходим для подачи опорной частоты двум приемникам РПУ1 8 и РПУ2 9, и ЛЧМ генератору 10, что обеспечивает когерентность обоих РПУ 8 и 9 и ЛЧМ генератора 10.The reference generator 7 is necessary for supplying the reference frequency to two receivers RPU1 8 and RPU2 9, and the chirp generator 10, which ensures the coherence of both the RPU 8 and 9 and the chirp generator 10.

ЛЧМ генератор 10 предназначен для получения сигнала гетеродина для двух РПУ1 8 и РПУ2 9, изменяющегося с заданной скоростью перестройки от заданной начальной частоты до заданной конечной частоты. Этим обеспечивается когерентность двух приемников РПУ1 8 и РПУ2 9 в режиме приема непрерывных ЛЧМ сигналов. Программирование начальной частоты, конечной частоты и скорости перестройки частоты осуществляется от пользовательского интерфейса 17 многопоточного вычислителя 12. Опорная частота (5 МГц) для ЛЧМ генератора поступает от опорного генератора 7. Запуск ЛЧМ генератора 10 осуществляется в нужный запрограммированный момент времени от блока временной синхронизации 3.The chirp generator 10 is designed to receive a local oscillator signal for two RPU1 8 and RPU2 9, changing with a given tuning speed from a given initial frequency to a given final frequency. This ensures the coherence of the two receivers RPU1 8 and RPU2 9 in the reception mode of continuous chirp signals. Programming of the initial frequency, final frequency, and frequency tuning speed is carried out from the user interface 17 of the multi-threaded calculator 12. The reference frequency (5 MHz) for the LFM generator comes from the reference generator 7. The LFM generator 10 is started at the desired programmed time from the time synchronization unit 3.

Блок временной синхронизации 3, корректируемый по сигналам GPS приемника 2, предназначен для временной синхронизации запуска ЛЧМ генератора 10 и АЦП 11 измерительного комплекса. Сигнал минутной метки блока временной синхронизации 3 разветвляется и подается на вход запуска (второй вход) ЛЧМ генератора 10 и вход запуска (третий вход) двухканального АЦП 11. Для обеспечения жесткой временной привязки блок временной синхронизации 3 непрерывно корректируется по секундной метке приемника GPS 2.The time synchronization block 3, corrected by the GPS signals of the receiver 2, is designed to temporarily synchronize the start of the chirp generator 10 and the ADC 11 of the measuring complex. The minute mark signal of the time synchronization block 3 is branched and fed to the start input (second input) of the LFM of the generator 10 and the start input (third input) of the two-channel ADC 11. To provide a tight time reference, the time synchronization block 3 is continuously adjusted by the second mark of the GPS 2 receiver.

Разветвитель 5 сигнала опорной антенны предназначен для калибровки фазовой неидентичности каналов двух когерентных радиоприемников РПУ1 8 и РПУ2 9. Разветвитель 5 обеспечивает постоянное подключение радиоприемника РПУ1 8 к одному из элементов антенной решетки 4 (опорной антенне) с образованием так называемого опорного канала.The splitter 5 of the reference antenna signal is designed to calibrate the phase non-identity of the channels of two coherent radios RPU1 8 and RPU2 9. Splitter 5 provides a constant connection of the radio RPU1 8 to one of the elements of the antenna array 4 (reference antenna) with the formation of the so-called reference channel.

Антенный коммутатор 6 предназначен для периодического подключения каждого из антенных элементов N-элементной антенной решетки к каналу РПУ2 9 (так называемому предметному каналу). Антенный коммутатор 6 управляется от пользовательского интерфейса 17 многопоточного вычислителя 12, который управляет подключением очередного антенного элемента к РПУ2 9.Antenna switch 6 is designed to periodically connect each of the antenna elements of the N-element antenna array to the channel RPU2 9 (the so-called subject channel). Antenna switch 6 is controlled from the user interface 17 of multi-threaded computer 12, which controls the connection of the next antenna element to RPU2 9.

При переключении с помощью антенного коммутатора 6 предметный канал РПУ2 9 периодически подключается к опорной антенне. Как следствие, в этот момент времени каналы двух приемников РПУ1 8 и РПУ2 9 подключаются к опорной антенне. По выборке сигнала с опорной антенны определяется комплексный коэффициент разноканальности (разность фаз и отношение амплитуд), описывающий отношение комплексных коэффициентов передачи предметного и опорного каналов. В дальнейшем этот коэффициент используется для коррекции комплексных относительных амплитуд сигналов, полученных по выборкам с других N-1 антенных элементов. В результате обеспечивается измерение относительных (по отношению к опорной антенне) комплексных амплитуд сигналов со всех антенных элементов, инвариантных относительно комплексных коэффициентов передачи каналов двух РПУ.When switching using the antenna switch 6, the subject channel RPU2 9 is periodically connected to the reference antenna. As a result, at this moment in time, the channels of the two receivers RPU1 8 and RPU2 9 are connected to the reference antenna. From the sample of the signal from the reference antenna, a complex multichannel coefficient (phase difference and amplitude ratio) is determined, which describes the ratio of the complex transmission coefficients of the subject and reference channels. In the future, this coefficient is used to correct the complex relative amplitudes of the signals obtained from samples from other N-1 antenna elements. The result is the measurement of relative (with respect to the reference antenna) complex amplitudes of the signals from all antenna elements that are invariant with respect to the complex transmission coefficients of the channels of the two RPUs.

Двухканальный АЦП 11 предназначен для синхронной оцифровки сигналов по выходу РПУ1 8 и РПУ2 9.Two-channel ADC 11 is designed for synchronous digitization of signals at the output of RPU1 8 and RPU2 9.

Обработка оцифрованного разностного сигнала, осуществляется многопоточным вычислителем 12. Разностный сигнал в приемниках РПУ1 8 и РПУ2 9 по второй промежуточной частоте (ПЧ) каждого приемника оцифровывается двухканальным АЦП 11. С выхода АЦП 11 оцифрованный разностный сигнал с двух РПУ поступает на вход блока 13, входящего в состав многопоточного вычислительного устройства 12, где осуществляется оценка спектральной плотности мощности (СПМ) сигнала и шума многооконным методом (МТМ-методом), обнаружение лучей, определение их числа n, комплексных амплитуд α_j, задержек τ_j, коэффициента мутности β². С выхода блока 13 сигнал поступает на вход блока 14, где осуществляется очистка ионограмм, выделение частотных ветвей и формирование зависимостей α_j(f), τ_j(f), (с/ш)_j(f),

, определение ННЧ, МНЧ, интервалов многолучевости, интервала временного рассеяния Δτ, среднеквадратичного отклонения отношения (с/ш) σ_с/ш, вероятности ошибки, надежности связи.The processing of the digitized difference signal is carried out by a multi-threaded computer 12. The difference signal in the receivers RPU1 8 and RPU2 9 at the second intermediate frequency (IF) of each receiver is digitized by a two-channel ADC 11. From the output of the ADC 11, the digitized difference signal from two RPUs is input to the block 13 input the composition of multi-threaded computing device 12, where the spectral power density (PSD) of the signal and noise is estimated by the multi-window method (MTM method), the detection of rays, the determination of their number n, are complex amplitudes α _j, delays τ _j, turbidity coefficient β ^2. From the output of block 13, the signal enters the input of block 14, where ionograms are cleaned, frequency branches are selected, and the dependences α _j (f), τ _j (f), (s / w) _j (f) are formed,

, determination of LF, MF, multipath intervals, time scattering interval Δτ, standard deviation of the ratio (s / w) σ _{s / w} , error probability, communication reliability.

С первого выхода блока 14 сигнал поступает на вход блока 15, где осуществляется измерение двухмерных угловых координат каждого j-го луча путем Фурье-синтеза диаграммы направленности антенны и окончательная очистка ионограмм на основе критерия достоверности оценки углов прихода. Со второго выхода блока 14 и с выхода блока 15 сигналы поступают соответственно на первый и второй входы блока формирования и отображения выходной информации 16, третий вход которого соединен с четвертым выходом пользовательского интерфейса 17. В блоке 16 осуществляется формирование и отображение дистанционно-частотных, амплитудно-частотных и двухмерных угловых-частотных характеристик, а также МНЧ, ННЧ, уровня спектральной плотности шума, коэффициента мутности, вероятности ошибки, надежности связи.From the first output of block 14, the signal enters the input of block 15, where the two-dimensional angular coordinates of each j-th beam are measured by Fourier synthesis of the antenna radiation pattern and the final cleaning of ionograms based on the reliability criterion for estimating arrival angles. From the second output of block 14 and the output of block 15, the signals are respectively sent to the first and second inputs of the block for generating and displaying output information 16, the third input of which is connected to the fourth output of the user interface 17. In block 16, the formation and display of distance-frequency, amplitude frequency and two-dimensional angular-frequency characteristics, as well as MF, LF, the level of noise spectral density, turbidity coefficient, error probability, and communication reliability.

Пользовательский интерфейс 17 многопоточного вычислителя 12 предназначен для программирования блока временной синхронизации 3 и ЛЧМ генератора 10, управления антенным коммутатором 6 и блоком отображения информационных параметров и функций 16.The user interface 17 of the multi-threaded computer 12 is designed to program the time synchronization unit 3 and the chirp generator 10, control the antenna switch 6 and the display unit of information parameters and functions 16.

Работа ионосферного зонда-радиопеленгатора состоит из следующих основных этапов.The work of the ionospheric probe-direction finder consists of the following main steps.

1. По программе, привязанной к шкале времени ЛЧМ передатчика и параметрам излучаемого ЛЧМ-сигнала (начальной частоте, конечной частоте, скорости перестройки частоты, началу излучения, периоду зондирования) с пользовательского интерфейса 17 происходит запуск ионосферного зонда-радиопеленгатора, включая запуск блока временной синхронизации 3, ЛЧМ генератора 10, АЦП 11 и блока формирования и отображения выходной информации 16.1. According to the program, tied to the time scale of the LFM transmitter and the parameters of the emitted LFM signal (initial frequency, final frequency, frequency tuning speed, start of radiation, sounding period), the ionosphere probe-direction finder is launched from the user interface 17, including the start of the time synchronization block 3, the chirp generator 10, the ADC 11 and the block forming and displaying output information 16.

2. Сигнал ЛЧМ передатчика принимается антенной решеткой 4. С выхода опорной антенны (одного из элементов антенной решетки 4) через разветвитель 5 сигнал поступает на первый вход РПУ1 8. К опорной антенне РПУ1 8 подключен постоянно, что обеспечивает получение непрерывной выборки сигнала по опорному каналу. На второй вход РПУ1 8 поступает сигнал со второго выхода опорного генератора 7, а на третий вход РПУ1 8 поступает сигнал с первого выхода ЛЧМ генератора 10, с выхода 2-ой промежуточной частоты (ПЧ) РПУ1 8 разностный сигнал, сформированный при перемножении принимаемого сигнала с сигналом ЛЧМ генератора, поступает на первый вход АЦП 11.2. The LFM signal of the transmitter is received by the antenna array 4. From the output of the reference antenna (one of the elements of the antenna array 4) through the splitter 5, the signal is fed to the first input of RPU1 8. It is connected to the reference antenna of RPU1 8 continuously, which ensures continuous sampling of the signal through the reference channel . The second input of RPU1 8 receives a signal from the second output of the reference generator 7, and the third input of RPU1 8 receives a signal from the first output of the LFM generator 10, from the output of the second intermediate frequency (IF) RPU1 8 is a difference signal generated by multiplying the received signal with the signal of the chirp generator, is fed to the first input of the ADC 11.

3. С помощью антенного коммутатора 6 к РПУ2 9 поочередно подключаются все антенные элементы, и ЛЧМ сигнал, принятый антенной решеткой 4, поступает на первый вход РПУ2 9 (предметный канал), на второй вход РПУ2 9 поступает сигнал с третьего выхода опорного генератора 7, а на третий вход РПУ2 9 поступает сигнал со второго выхода ЛЧМ генератора 10, с выхода 2-ой ПЧ РПУ2 9 разностный сигнал, сформированный при перемножении принимаемого сигнала с сигналом ЛЧМ генератора, поступает на второй вход АЦП 11.3. Using the antenna switch 6, all antenna elements are connected to RPU2 9 in turn, and the LFM signal received by the antenna array 4 is fed to the first input of RPU2 9 (object channel), the signal from the third output of the reference generator 7 is received to the second input of RPU2 9, and the third input of RPU2 9 receives a signal from the second output of the LFM generator 10, from the output of the second IF RPU2 9, the difference signal generated by multiplying the received signal with the signal of the LFM of the generator is fed to the second input of the ADC 11.

4. Когда оба РПУ1 8 и РПУ2 9 подключены к опорной антенне (одному из элементов антенной решетки 4) по выборке сигнала с опорной антенны определяется комплексный коэффициент разноканальности (разность фаз и отношение амплитуд), описывающий отношение комплексных коэффициентов передачи предметного и опорного каналов. В дальнейшем этот коэффициент используется для коррекции комплексных относительных амплитуд сигналов, полученных по выборкам с других антенных элементов. В результате обеспечивается измерение относительных (по отношению к опорной антенне) комплексных амплитуд сигналов со всех антенных элементов, инвариантных относительно комплексных коэффициентов передачи каналов двух РПУ.4. When both RPU1 8 and RPU2 9 are connected to the reference antenna (one of the elements of the antenna array 4), a complex coefficient of different channels (phase difference and amplitude ratio) is determined from the signal sample from the reference antenna, which describes the ratio of the complex transmission coefficients of the subject and reference channels. In the future, this coefficient is used to correct the complex relative amplitudes of the signals obtained from samples from other antenna elements. The result is the measurement of relative (with respect to the reference antenna) complex amplitudes of the signals from all antenna elements that are invariant with respect to the complex transmission coefficients of the channels of the two RPUs.

5. Затем антенный коммутатор переключает предметный РПУ2 9 на новый антенный элемент и т.д. Коммутация осуществляется до тех пор, пока не закончится прием сигнала от ЛЧМ передатчика. В каждый момент времени двухканальный РПУ, состоящий из РПУ1 8 и РПУ2 9, подключен к опорной антенне (одному из элементов антенной решетки 4) и другому элементу из N-элементной антенной решетки 4. При этом с каждой пары антенных элементов делается выборка сигнала длиной М для оцифровки в АЦП 11 с частотой f_d и шагом дискретизации

Величина М выбирается так, чтобы обеспечивалось временное разрешение парциальных лучей распространения по групповой задержке. Так, при скорости перестройки частоты 100 кГц/с и полосе анализа ЛЧМ сигнала 20 кГц временная выборка составляет 200 мс. При этом для временного разрешения парциальных лучей по групповой задержке ~50 мкс величина М полагается равной 4096. Средняя частота принимаемого сигнала равна

, где n=1,2,…N - номер опрашиваемого антенного элемента, l=1,2,…, L, - номер дискретной частоты, на которой будут оцениваться углы прихода,

- количество дискретных частот, µ₀ - скорость перестройки частоты, f_min и f_max - минимальная и максимальная частоты из диапазона зондирования. Углы прихода при этом оцениваются на равномерной частотной сетке, а значения частот определяются соотношением

. После полного обхода всех N элементов антенной решетки 4 на промежуточной частоте приемников РПУ1 8 и РПУ2 9 при средней дискретной несущей частоте f_l для каждой пары каналов АЦП 11 получают когерентные выборки цифрового разностного сигнала для опорного канала {x_1m} и предметного канала {x_nm}, где n=1,2…,N, m=1,2,…,М.5. Then the antenna switch switches the subject RPU2 9 to a new antenna element, etc. Switching is carried out until the signal from the chirp transmitter is finished. At each moment of time, a two-channel RPU consisting of RPU1 8 and RPU2 9 is connected to a reference antenna (one of the elements of the antenna array 4) and another element from the N-element antenna array 4. At the same time, a signal of length M is made from each pair of antenna elements for digitization in ADC 11 with a frequency of f _d and a sampling step

The value of M is chosen so as to provide temporary resolution of the partial propagation rays by group delay. So, at a frequency tuning rate of 100 kHz / s and an analysis frequency band of the LFM signal of 20 kHz, the time sample is 200 ms. Moreover, for the temporal resolution of partial rays by a group delay of ~ 50 μs, the value of M is assumed to be 4096. The average frequency of the received signal is

, where n = 1,2, ... N is the number of the antenna element being surveyed, l = 1,2, ..., L, is the number of the discrete frequency at which the angles of arrival will be estimated,

is the number of discrete frequencies, μ ₀ is the frequency tuning speed, f _min and f _max are the minimum and maximum frequencies from the sounding range. In this case, the arrival angles are estimated on a uniform frequency grid, and the frequency values are determined by the relation

. After a complete bypass of all N elements of the antenna array 4 at the intermediate frequency of the receivers RPU1 8 and RPU2 9 at an average discrete carrier frequency f _l for each pair of ADC channels 11, coherent samples of the digital difference signal for the reference channel {x _1m } and the subject channel {x _nm }, where n = 1,2 ..., N, m = 1,2, ..., M.

6. Обработка оцифрованного разностного сигнала осуществляется многопоточным вычислителем 12. С выхода АЦП 11 оцифрованный разностный сигнал с двух РПУ поступает на вход блока 13, входящего в состав многопоточного вычислительного устройства 12, где осуществляется оценка спектральной плотности мощности (СПМ) сигнала и шума многооконным методом (МТМ-методом), происходит обнаружение лучей, определение их числа n, комплексных амплитуд α_j, задержек τ_j, коэффициента мутности β². По каждой паре выборок разностного сигнала для опорного канала {x_1k} и предметного канала {x_nk} вычисляются спектры сигналов {s_1k}=FFT(x_1m) и {s_nk}=FFT (x_nm), где k=1,…М/2, FFT - оператор дискретного преобразования Фурье, выполняемый на основе алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ). По каждой выборке сигнала длиной М с n-го антенного элемента с помощью алгоритма БПФ вычисляется комплексный спектр сигнала и вычисляется спектральная плотность мощности сигнала МТМ-методом. Комплексный спектр сигнала используется для вычисления относительного коэффициента передачи К в полосе РПУ при подключении РПУ1 8 и РПУ 2 9 к опорной антенне (одному из элементов антенной решетки 4). Спектральная плотность мощности шума определяется гистограммным способом (Вертоградов Г.Г., Урядов В.П., Вертоградова Е.Г. Аппаратно-программный комплекс для определения оптимальных рабочих частот связной радиолинии по данным наклонного зондирования ионосферы. XIII международная научно-техническая конференция "Радиолокация Навигация Связь". Воронеж: САКВОЕЕ, 2007). На основе статистического критерия (F-статистики) в МТМ-методе осуществляется выделение дискретных лучей распространения (определение их количества J), задержек лучей τ_j(f), комплексных амплитуд α_j(f), определение мощности рассеянной компоненты и, как следствие, определение коэффициента мутности β². Здесь же для каждого выделенного j-го луча находится амплитудно-фазовое распределение (АФР) поля по апертуре антенной решетки

, где j=1,2… J - номер луча, n=1,2,…, N - номер антенного элемента, l=1,2,…, L, - номер дискретной частоты, на которой будут оцениваться углы прихода. АФР каждого луча используется далее для Фурье-синтеза диаграммы направленности и оценки двухмерных угловых координат луча α_j - азимута прихода в плоскости Земли и Δ_j - угла места в вертикальной плоскости.6. The digitized difference signal is processed by a multi-threaded computer 12. From the output of the ADC 11, the digitized difference signal from two RPUs is input to the block 13, which is part of the multi-threaded computing device 12, where the spectral power density (PSD) of the signal and noise are estimated using the multi-window method ( MTM method), rays are detected, their number n is determined, complex amplitudes α _j , delays τ _j , turbidity coefficient β ² . For each pair of samples of the difference signal for the reference channel {x _1k } and the subject channel {x _nk }, the signal spectra {s _1k } = FFT (x _1m ) and {s _nk } = FFT (x _nm ), where k = 1, ... M / 2, FFT - discrete Fourier transform operator based on the fast Fourier transform (FFT) algorithm. For each sample of a signal of length M from the nth antenna element, using the FFT algorithm, a complex signal spectrum is calculated and the spectral power density of the signal is calculated by the MTM method. The complex signal spectrum is used to calculate the relative transmission coefficient K in the RPU band when connecting RPU1 8 and RPU 2 9 to the reference antenna (one of the elements of the antenna array 4). The spectral density of noise power is determined by a histogram method (Vertogradov G.G., Uryadov V.P., Vertogradova E.G. Hardware-software complex for determining the optimal operating frequencies of a connected radio line according to oblique sounding of the ionosphere. XIII international scientific and technical conference "Radar Navigation Communication. Voronezh: SAVOE, 2007). Based on the statistical criterion (F statistics), the MTM method extracts discrete propagation rays (determining their number J), ray delays τ _j (f), complex amplitudes α _j (f), determining the power of the scattered component and, as a result, determination of turbidity coefficient β ² . Here, for each selected j-th beam, the amplitude-phase distribution (AFR) of the field along the aperture of the antenna array is found

, where j = 1,2 ... J is the beam number, n = 1,2, ..., N is the number of the antenna element, l = 1,2, ..., L, is the number of the discrete frequency at which the angles of arrival will be estimated. The AFR of each beam is then used for the Fourier synthesis of the radiation pattern and the estimation of the two-dimensional angular coordinates of the beam α _j - the azimuth of arrival in the plane of the Earth and Δ _j - elevation angle in the vertical plane.

7. С выхода блока 13 сигнал поступает на вход блока 14, где осуществляется очистка ионограмм, выделение частотных ветвей и формирование зависимостей α_j(f), τ_j(f), (c/ш)_j(f),

, определение ННЧ, МНЧ, интервалов многолучевости, интервала временного рассеяния Δτ, среднеквадратичного отклонения отношения (с/ш)σ_c/ш, вероятности ошибки, надежности связи.7. From the output of block 13, the signal enters the input of block 14, where ionograms are cleaned, frequency branches are extracted, and dependences α _j (f), τ _j (f), (c / ш) _j (f) are formed,

, determination of LF, MF, multipath intervals, time scattering interval Δτ, standard deviation of the ratio (s / w) σ _{c / s} , error probability, communication reliability.

8. С первого выхода блока 14 сигнал поступает на вход блока 15, где осуществляется измерение двухмерных угловых координат каждого j-то луча путем Фурье-синтеза диаграммы направленности антенны антенной решетки и окончательная очистка ионограмм на основе критерия достоверности оценки углов прихода. Оценка достоверности найденных углов прихода осуществляется по значению кругового стандартного отклонения (Мардиа К. Статистический анализ угловых наблюдений. М.: Наука, 1978), которое оценивается величиной8. From the first output of block 14, the signal enters the input of block 15, where the two-dimensional angular coordinates of each j-beam are measured by Fourier synthesis of the antenna pattern of the antenna array and the final cleaning of ionograms based on the reliability criterion for estimating arrival angles. The reliability of the found arrival angles is estimated by the value of the circular standard deviation (Mardia K. Statistical analysis of angular observations. M .: Nauka, 1978), which is estimated by

и имеет смысл среднеквадратичного отклонения измеренных фаз Ф_jnl от теоретических ψ_jnl.and it makes sense the standard deviation of the measured phases Φ _jnl from the theoretical ψ _jnl .

9. Со второго выхода блока 14 и с выхода блока 15 сигналы поступают соответственно на первый и второй входы блока формирования и отображения выходной информации 16, третий вход которого соединен с четвертым выходом пользовательского интерфейса 17. В блоке 16 осуществляется формирование и отображение дистанционно-частотных, амплитудно-частотных и двухмерных угловых-частотных характеристик, а также МНЧ, ННЧ, уровня спектральной плотности шума, коэффициента мутности, вероятности ошибки, надежности связи.9. From the second output of block 14 and the output of block 15, the signals are respectively transmitted to the first and second inputs of the block for generating and displaying output information 16, the third input of which is connected to the fourth output of the user interface 17. In block 16, the formation and display of remote-frequency amplitude-frequency and two-dimensional angular-frequency characteristics, as well as MF, LF, the level of noise spectral density, turbidity coefficient, error probability, and communication reliability.

Таким образом, в процессе зондирования с помощью ионосферного зонда-радиопеленгатора определяются следующие информационные характеристики:Thus, in the process of sounding using the ionospheric probe-direction finder, the following information characteristics are determined:

- количество обнаруженных лучей распространения на каждой дискретной частоте f_l;- the number of detected propagation rays at each discrete frequency f _l ;

- средняя амплитуда α_jl и задержка τ_jl на распространение каждого луча j на дискретной частоте f_l. По задержке τ_jl определяется дальность группового пути для каждого луча D_jl=τ_jl·с, где с - скорость света;- the average amplitude α _jl and the delay τ _jl on the propagation of each beam j at a discrete frequency f _l . The delay τ _jl determines the range of the group path for each ray D _jl = τ _jl · s, where c is the speed of light;

- определяются ДЧХ, АЧХ, ННЧ и МНЧ каждой моды распространения, интервалы многолучевости, интервал временного рассеяния Δτ, отношение мощности сигнала к мощности шума коэффициент мутности, среднеквадратичное отклонение отношения (с/ш) σ_с/ш, вероятность ошибки и надежность связи;- the frequency response, frequency response, LF and MF of each propagation mode, the multipath intervals, the time scattering interval Δτ, the ratio of signal power to noise power, turbidity coefficient, standard deviation of the ratio (s / w) σ _{s / s} , error probability and communication reliability are determined;

- азимуты α_jl, углы места Δ_jl всех лучей j, обнаруженных на дискретной частоте f_l.- azimuths α _jl , elevation angles Δ _{jl of} all rays j detected at a discrete frequency f _l .

Результаты работы ионосферного зонда-радиопеленгатора записываются в память многопоточного вычислителя 12, выводятся на экран монитора и распечатываются в виде графиков ДЧХ, АЧХ и УЧХ (азимуты α_jl, углы места Δ_jl всех лучей в полосе прохождения частот на трассе ЛЧМ зондирования), а также таблиц с основными параметрами ионосферного канала в блоке формирования и отображения выходной информации 16.The results of the operation of the ionospheric probe-direction finder are recorded in the memory of multi-threaded computer 12, displayed on the monitor screen and printed in the form of graphs of frequency response, frequency response and frequency response (azimuths α _jl , elevation angles Δ _{jl of} all beams in the frequency band on the chirped sounding path), as well as tables with the main parameters of the ionospheric channel in the block for generating and displaying output information 16.

Особенностью двухканального ионосферного зонда-радиопеленгатора является также то, что при условии измерения УЧХ достигается дополнительная очистка результатов зондирования от шумов естественного происхождения и станционных помех. Как следствие, ДЧХ, полученные в процессе измерения УЧХ, не содержат характерных для одноканальных ЛЧМ зондов следов, порождаемых, прежде всего, влиянием станционных помех.A feature of the two-channel ionospheric probe-direction-finder is also that, provided the UXF is measured, an additional cleaning of the sounding results from natural noises and station noise is achieved. As a result, the frequency response obtained during the measurement of the frequency response does not contain traces characteristic of single-channel LFMs, generated primarily by the influence of station noise.

Для проверки работоспособности предлагаемого устройства в качестве приемных устройств были использованы два радиоприемных устройства Р-399А, в которых разностный сигнал снимался с выхода второй промежуточной частоты f_пч2=215 кГц.To test the operability of the proposed device, two P-399A radio receivers were used as receiving devices, in which the difference signal was _taken from the output of the second intermediate frequency f _pc2 = 215 kHz.

Антенная решетка состояла из 16 вертикальных штыревых антенн высотой 9 м, размещенных на площадке 80х80 м.The antenna array consisted of 16 vertical whip antennas 9 m high, located on a site 80x80 m.

В качестве блока временной синхронизации был применен модуль GPS приемника типа Lassen SK II.The GPS receiver module of the Lassen SK II type was used as a time synchronization block.

В качестве аналого-цифрового преобразователя промежуточной частоты применен двухканальный АЦП типа ADSPCI214×10M.As an analog-to-digital converter of intermediate frequency, a two-channel ADC of the ADSPCI214 × 10M type is used.

В качестве многопоточного вычислителя применена ЭВМ.As a multi-threaded computer, a computer is used.

На фиг.2 в виде графиков приведены результаты работы ионосферного зонда - радиопеленгатора в реальном времени на трассе ЛЧМ зондирования Троицк (Московская область) - Ростов-на-Дону 22 октября 2008 г., t=14:56 мск:Figure 2 in the form of graphs shows the results of the work of the ionosphere probe - real-time direction finder on the chirp track of Troitsk (Moscow region) - Rostov-on-Don October 22, 2008, t = 14: 56 Moscow time:

дистанционно-частотная характеристика (а), амплитудно-частотная характеристика (б), угловая-частотная характеристика ((в) - угол места Δ, (г) - азимут α) отдельных мод сигнала. На фиг.2 различным цветом и различными маркерами обозначены следующие моды распространения: • (красный) - мода Ес (распространение с отражением радиоволн от спорадического слоя Е ионосферы), ▲ (синий) - мода 1F (распространение с одним отражением радиоволн от слоя F ионосферы), + (оранжевый) - мода 2F (распространение с двумя отражениями радиоволн от слоя F ионосферы), × (зеленый) - мода 3F (распространение с тремя отражениями радиоволн от слоя F ионосферы), * (голубой) - мода 4F (распространение с четырьмя отражениями радиоволн от слоя F ионосферы). Параметры излучаемого ЛЧМ сигнала: мощность передатчика 200 Вт, начальная частота 2 МГц, конечная частота 20 МГц, скорость перестройки частоты 100 кГц/с, начало излучения в 1, 6, 11, 16,… и т.д. минуты каждого часа. На фиг.3 в виде таблицы приведены результаты работы ионосферного зонда-радиопеленгатора на трассе Троицк (Московская область) - Ростов-на-Дону 22 октября 2008 г., t=14:56 мск применительно к определению основных параметров ионосферного радиоканала, которыми, наряду с угловыми - частотными характеристиками, представленными на фиг.2, являются:distance-frequency characteristic (a), amplitude-frequency characteristic (b), angular-frequency characteristic ((c) - elevation angle Δ, (g) - azimuth α) of individual signal modes. In Fig. 2, the following propagation modes are indicated with different colors and different markers: • (red) - Ec mode (propagation with reflection of radio waves from the sporadic layer E of the ionosphere), ▲ (blue) - mode 1F (propagation with one reflection of radio waves from the ionosphere layer F ), + (orange) - mode 2F (propagation with two reflections of radio waves from the ionosphere F layer), × (green) - mode 3F (propagation with three reflections of radio waves from the F layer of the ionosphere), * (blue) - mode 4F (propagation with four reflections of radio waves from layer F of the ionosphere). Parameters of the emitted LFM signal: transmitter power 200 W, initial frequency 2 MHz, final frequency 20 MHz, speed of frequency tuning 100 kHz / s, start of radiation at 1, 6, 11, 16, ..., etc. minutes of every hour. Figure 3 in the form of a table shows the results of the work of the ionospheric probe-direction finder on the highway Troitsk (Moscow region) - Rostov-on-Don October 22, 2008, t = 14: 56 Moscow time in relation to the determination of the main parameters of the ionospheric radio channel, which, along with with angular - frequency characteristics presented in figure 2, are:

f - частота зондирования;f is the sounding frequency;

n - число дискретных лучей;n is the number of discrete rays;

Δτ - интервал временного рассеяния;Δτ is the time scattering interval;

τ - задержка для доминирующего по мощности луча;τ is the delay for the beam dominating in power;

h² - отношение мощности сигнала к мощности шума;h ² is the ratio of signal power to noise power;

σ_с/ш - среднеквадратичное отклонение отношения мощности сигнала к мощности шума;σ _{s / w} is the standard deviation of the ratio of signal power to noise power;

β² - отношение мощностей регулярной и флуктуационной компонент сигнала (коэффициент мутности ионосферы);β ² is the ratio of the power of the regular and fluctuation components of the signal (the coefficient of turbidity of the ionosphere);

р - вероятности ошибки для квазирелеевского канала;p are the error probabilities for the quasi-Rayleigh channel;

F - надежность радиосвязи при вероятности допустимой ошибки р_ош.доп=3·10^-3.F is the reliability of radio communications with the probability of an allowable error p _er.dop = 3 · 10 ^-3 .

Claims

An ionospheric probe-radio direction finder containing two radios with a common local oscillator, characterized in that a chirp generator is used as a common local oscillator, in addition to this, the device also includes a GPS receiver with an antenna, a time synchronization unit, the first input of which is connected to the GPS receiver output, an antenna array consisting of N antenna elements, a splitter, to the input of which one of the elements of the antenna array (reference antenna) is connected, an antenna switch, to the first input of which the first output is connected Itel, to the other N-1 inputs of the antenna switch are connected N-1 elements of the antenna array, a reference generator, the first output of which is connected to the first input of the LFM of the generator, the first radio receiver (RPU1), the first input of which is connected to the second output of the splitter, the second input of RPU1 connected to the second output of the reference generator, the third input of RPU1 is connected to the first output of the chirp generator, the second radio receiver (RPU2), the first input of which is connected to the output of the antenna switch, the second input of RPU2 is connected to the third ode of the reference generator, the third input of the chirp generator is connected to the second output of the chirp generator, the second input of the chirp generator is connected to the first output of the time synchronization unit, a two-channel analog-to-digital converter (ADC), the first input of the ADC is connected to the output of the RPU1, the second input of the ADC is connected to the output of the RPU2 , the third input of the ADC is connected to the second output of the time synchronization block, the output of the ADC is connected to the input of a multi-threaded computer designed to determine the frequency response, frequency response, and frequency response of the ionospheric radio channel using the oblique sounding data the first output of which is connected to the third input of the LFM of the generator, the second output of the multi-threaded computer is connected to the N + 1 input of the antenna switch, and the third output of the multi-threaded computer is connected to the second input of the time synchronization block.