RU2407026C1 - Location finding method of narrow-band radio signals of short-wave range - Google Patents
Location finding method of narrow-band radio signals of short-wave range Download PDFInfo
- Publication number
- RU2407026C1 RU2407026C1 RU2009124317/09A RU2009124317A RU2407026C1 RU 2407026 C1 RU2407026 C1 RU 2407026C1 RU 2009124317/09 A RU2009124317/09 A RU 2009124317/09A RU 2009124317 A RU2009124317 A RU 2009124317A RU 2407026 C1 RU2407026 C1 RU 2407026C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signals
- frequency
- signal
- arrival
- directions
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для повышения точности пеленгации радиосигналов в коротковолновом (КВ) диапазоне частот. Характерная особенность КВ диапазона - это многолучевость, т.е. возможность распространения радиоволн по нескольким несовпадающим траекториям.The invention relates to radio engineering and can be used to improve the accuracy of direction finding of radio signals in the short-wave (HF) frequency range. A characteristic feature of the HF range is multipath, i.e. the ability to propagate radio waves along several mismatched paths.
Известен способ широкополосного обнаружения и пеленгации [1], при котором из выходных сигналов каждого элемента антенной решетки выделяются цифровые сигналы, характеризующие спектры принятых сигналов, и для каждой выбранной частоты в полосе приема, используя фазу сигналов, производится прямое вычисление пространственного ряда Фурье, дискретно описывающего угловой спектр мощности на выбранной частоте. После восстановления углового спектра на всех частотах определяется пеленг любого источника, излучающего сигналы на любой из частот в пределах текущей полосы приема. Этот способ из максимально возможной амплитудно-фазовой информации использует только фазу сигнала, обладает низким быстродействием при определении азимутального пеленга и не позволяет разрешать многолучевые сигналы, особенно при их близком угловом положении.A known method of broadband detection and direction-finding [1], in which digital signals characterizing the spectra of the received signals are extracted from the output signals of each element of the antenna array, and for each selected frequency in the reception band, using the phase of the signals, a direct calculation of the spatial Fourier series that discretely describes angular power spectrum at the selected frequency. After restoration of the angular spectrum at all frequencies, the bearing of any source emitting signals at any of the frequencies within the current reception band is determined. This method of the maximum possible amplitude-phase information uses only the phase of the signal, has a low speed in determining the azimuth bearing and does not allow to resolve multipath signals, especially when they are close to the angular position.
Известен также способ [2] определения пеленга и частоты источников излучения, основанный на двумерном Фурье-преобразовании (по времени и пространству) сигналов, принятых кольцевой решеткой из N элементов на каждой временной частоте. При фиксированных значениях наведения по углу места каждую сформированную в результате преобразования пространственную частотную составляющую q раз умножают на Фурье-образ функции наведения, зависящей от частоты, угла места, параметров антенной решетки и азимутального циклического сдвига 2πq/M. Далее производят q пространственных обратных Фурье-преобразований полученной совокупности скорректированных пространственных частотных составляющих, определяют наличие сигнала и получают оценки азимута и угла места его источника на каждой частоте по квадрату модуля двумерного комплексного углового спектра. К недостаткам данного способа можно отнести то, что при малом количестве излучателей в антенной решетке точность определения пеленга оказывается не достаточно высокой. Также он не позволяет разделить многолучевые сигналы.There is also a method [2] for determining the bearing and frequency of radiation sources based on a two-dimensional Fourier transform (in time and space) of signals received by an annular array of N elements at each time frequency. At fixed elevation guidance values, each spatial frequency component formed as a result of the conversion is multiplied q times by the Fourier transform of the guidance function, which depends on the frequency, elevation angle, antenna array parameters and 2πq / M azimuthal cyclic shift. Next, q spatial inverse Fourier transforms of the resulting set of corrected spatial frequency components are produced, the presence of the signal is determined and estimates of the azimuth and elevation angle of its source at each frequency are obtained from the squared modulus of the two-dimensional complex angular spectrum. The disadvantages of this method include the fact that with a small number of emitters in the antenna array, the accuracy of determining the bearing is not high enough. Also, it does not allow the separation of multipath signals.
Наиболее близким к заявленному изобретению является способ пеленгования источников радиоизлучений в условиях многолучевости, описанный в [3]. Поставленная задача достигается тем, что указанный способ включает прием сигналов на N-элементную антенную решетку (AP), формирование сигналов сканирования в заданном угловом секторе, расчет весовых коэффициентов и последующее перемножение весовых коэффициентов с соответствующими сигналами сканирования, запоминание полученных сигналов для всех дискретных значений угла сканирования. Затем производится выбор из них величины угла, соответствующего сигналу с максимальной амплитудой, сигналы повторно принимаются, рассчитываются их весовые коэффициенты, после чего их перемножают с соответствующими сигналами сканирования для каждого дискретного значения угла сканирования во время передачи информационного пакета и защитного интервала соответственно. Далее вычитают результирующий сигнал, рассчитанный во время защитного интервала из результирующего сигнала, рассчитанного в интервале передачи информационного пакета, запоминают разностные сигналы для всех дискретных значений угла сканирования, из которых выбирают значение угла, соответствующее сигналу с максимальной амплитудой. Однако изложенный метод требует знания защитного интервала для каждого из сигналов, большого объема вычислений и не обеспечивает требуемой точности определения направлений прихода, особенно для близкорасположенных сигналов, а также определения амплитуд этих сигналов. Кроме того, точность пеленгации сигналов в вышеперечисленных способах существенно ухудшается при малых отношениях мощности пеленгуемых сигналов к мощности шумов и помех.Closest to the claimed invention is a method of direction finding sources of radio emission in a multipath environment, described in [3]. This object is achieved in that the method includes receiving signals on an N-element antenna array (AP), generating scanning signals in a given angular sector, calculating weight coefficients and then multiplying the weight coefficients with the corresponding scanning signals, storing the received signals for all discrete values of the angle scan. Then the angle value corresponding to the signal with the maximum amplitude is selected from them, the signals are re-received, their weight coefficients are calculated, and then they are multiplied with the corresponding scanning signals for each discrete scanning angle value during the transmission of the information packet and the guard interval, respectively. Next, the resulting signal calculated during the guard interval is subtracted from the resulting signal calculated in the transmission interval of the information packet, the difference signals for all discrete scan angle values are stored, from which the angle value corresponding to the signal with maximum amplitude is selected. However, the described method requires knowledge of the guard interval for each of the signals, a large amount of computation, and does not provide the required accuracy in determining the directions of arrival, especially for nearby signals, as well as in determining the amplitudes of these signals. In addition, the accuracy of direction finding signals in the above methods is significantly impaired with small ratios of the power of direction finding signals to the power of noise and interference.
Целью изобретения являются обеспечение высокой точности пеленгования сигналов с полностью неизвестными структурой и параметрами и определения их комплексных амплитуд при приходе этих сигналов по многолучевым радиотрассам с существенно различными амплитудами и при малом отношении сигнал/(помеха + шум).The aim of the invention is to ensure high accuracy of direction finding of signals with completely unknown structure and parameters and to determine their complex amplitudes when these signals arrive along multipath radio paths with significantly different amplitudes and with a small signal / (interference + noise) ratio.
Поставленная задача достигается тем, что в способе пеленгации узкополосных радиосигналов КВ диапазона, заключающемся в том, что узкополосные радиосигналы КВ диапазона, распространяющиеся по многолучевым радиотрассам, каждый из которых лежит в соответствующем k-ом (k=1,…,K) частотном поддиапазоне заданного интервала К частотных поддиапазонов, принимают каждым излучателем многоэлементной антенны и вычисляют корреляционную матрицу принятых сигналов, согласно изобретению в качестве многоэлементной антенны используют линейную антенную решетку, состоящую из Nx независимых приемных излучателей, осуществляют прием узкополосных радиосигналов, падающих в угломестной плоскости, в течение интервала наблюдения, принятые сигналы разделяют с помощью K узкополосных фильтров, установленных на входе каждого независимого приемного излучателя и перекрывающих заданный интервал K частотных поддиапазонов, корреляционную матрицу вычисляют по принятым сигналам в каждом k-ом (k=1,…,K) частотном поддиапазоне, раскладывают каждую из k-ых корреляционных матриц по собственным сигнальным и шумовым (j=1,…,(Nx-1)) векторам, определяют собственные диаграммы направленности антенны и в каждом k-ом частотном поддиапазоне как диаграммы направленности в режиме возбуждения независимых приемных излучателей соответствующими комплексно-сопряженными собственными векторами: и где , k - номер частотного поддиапазона, λk - средняя длина волны сигнала в k-ом частотном поддиапазоне, n - номер независимого приемного излучателя, d - расстояние между независимыми приемными излучателями, а направления прихода и комплексные амплитуды принимаемых сигналов в k-ом частотном поддиапазоне определяют путем решения систем уравнений:The problem is achieved in that in the method of direction finding narrowband radio signals of the HF range, which consists in the fact that the narrowband radio signals of the HF range propagating along multipath radio paths, each of which lies in the corresponding k-th (k = 1, ..., K) frequency sub-band of a given interval K frequency subbands, take each emitter of a multi-element antenna and calculate the correlation matrix of received signals, according to the invention as a multi-element antenna using a linear antenna p Brushes consisting of N x independent reception emitters perform reception of narrowband radio signals falling in elevation plane for observation interval, the received signals are separated by K narrowband filters installed at the inlet of each independent receiver transducer and spanning a predetermined interval K frequency subbands correlation the matrix computed from the received signals in each kth (k = 1, ..., K) frequency subband, lay out each of the kth correlation matrices by own signal and noise (j = 1, ..., (N x -1)) vectors, determine the antenna’s own radiation patterns and in each k-th frequency subband as radiation patterns in the excitation mode of independent receiving emitters by the corresponding complex conjugate eigenvectors: and Where , k is the number of the frequency subband, λ k is the average wavelength of the signal in the kth frequency subband, n is the number of the independent receiving emitter, d is the distance between the independent receiving emitters, and the directions of arrival and complex amplitudes the received signals in the kth frequency subband is determined by solving systems of equations:
, j=1,…,(N-1), , j = 1, ..., (N-1),
m=1,…, M, l=1,…,M. m = 1, ..., M, l = 1, ..., M.
где .Where .
Поставленная задача также достигается тем, что из найденных решений систем уравнений выбирают pl решений, для которых направления прихода сигналов совпадают, где k=k1, k2,…,kpl; l=1,…,L, с последующим объединением pl частотных поддиапазонов в полосу частот одного l-го широкополосного сигнала.The problem is also achieved by the fact that from the found solutions of systems of equations choose p l solutions for which the directions of arrival of signals coincide, where k = k 1 , k 2 , ..., k pl ; l = 1, ..., L, followed by combining p l frequency subbands into the frequency band of one l-th wideband signal.
Поставленная задача также достигается тем, что спектр широкополосного сигнала формируют из спектральных составляющих , где k=k1, k2,…,kpl, l=1,…,L, объединенных частотных поддиапазонов.The task is also achieved by the fact that the spectrum of a broadband signal is formed from spectral components where k = k 1 , k 2 , ..., k pl , l = 1, ..., L, of the combined frequency subbands.
Поставленная задача также достигается тем, что для каждого из найденных направлений прихода сигналы от каждого излучателя суммируют с весовыми коэффициентами, пропорциональными комплексно-сопряженному сигнальному собственному вектору для этого направления, умноженному на обратную корреляционную матрицу помех .The task is also achieved by the fact that for each of the found directions of arrival the signals from each emitter are summed with weight coefficients proportional to the complex conjugate signal eigenvector for this direction, multiplied by the inverse correlation matrix of interference .
Поставленная задача также достигается тем, что дополнительно осуществляют прием узкополосных радиосигналов, падающих с произвольного направления в угломестной и азимутальной плоскостях, в течение интервала наблюдения с помощью дополнительной линейной антенной решетки, состоящей из Ny независимых приемных излучателей, расположенной перпендикулярно оси основной линейной антенной решетки из Nx независимых приемных излучателей, определяют обобщенные направления прихода и сигналов из решения систем уравнений:The task is also achieved by the fact that additionally receive narrow-band radio signals falling from an arbitrary direction in elevated and azimuthal planes, during the observation interval using an additional linear antenna array consisting of N y independent receiving emitters located perpendicular to the axis of the main linear antenna array of N x independent receiving emitters, determine the generalized directions of arrival and signals from solving systems of equations:
, j=1,…,(Nx-1) и , j=1,…,(Ny-1), , j = 1, ..., (N x -1) and , j = 1, ..., (N y -1),
где и - собственные шумовые диаграммы направленности для основной и дополнительной линейных антенных решеток соответственно, после чего восстанавливают истинные направления прихода сигналов и по соотношениям:Where and - intrinsic noise radiation patterns for the primary and secondary linear antenna arrays, respectively, after which they restore the true direction of arrival of the signals and by ratios:
Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг.1 схематично представлена антенная решетка из N излучателей для одномерной пеленгации; на фиг.2 а, б приведены собственные амплитудные диаграммы направленности (ДН) антенны, состоящей из двух излучателей, при условии одного падающего на антенну сигнала при соотношении мощности сигнала к мощности шума Pc/Рш=10 дБ и 0 дБ; на фиг.3а, б показаны собственные амплитудные ДН антенны, состоящей из четырех излучателей, при условии одного падающего на антенну сигнала при соотношении мощности сигнала к мощности шума Pc/Рш=10 дБ и 0 дБ; на фиг.4а, б приведены собственные амплитудные ДН антенны, состоящей из двух излучателей, при условии двух падающих на антенну сигналов при соотношении суммарной мощности сигналов к мощности шума Pc/Рш=10 дБ и 0 дБ; на фиг.5а, б приведены собственные амплитудные ДН антенны, состоящей из четырех излучателей, при условии двух падающих на антенну сигналов при соотношении суммарной мощности сигналов к мощности шума Pc/Рш=10 дБ и 0 дБ; на фиг.6 приведена схема антенной части КВ пеленгатора для реализации способа; на фиг.7 схематично представлена антенная решетка для двумерной пеленгации; на фиг.8 и 9 приведены таблицы с данными об ошибках определения параметров приходящих сигналов.Figure 1 schematically shows an antenna array of N emitters for one-dimensional direction finding; figure 2 a, b shows its own amplitude radiation pattern (LH) of an antenna consisting of two emitters, provided one incident on the antenna signal with a ratio of signal power to noise power P c / R W = 10 dB and 0 dB; on figa, b shows the own amplitude DN of the antenna, consisting of four emitters, provided one incident on the antenna signal with a ratio of signal power to noise power P c / R W = 10 dB and 0 dB; on figa, b shows the own amplitude DN of the antenna, consisting of two emitters, provided there are two signals incident on the antenna with the ratio of the total signal power to noise power P c / R w = 10 dB and 0 dB; on figa, b shows the own amplitude DN of the antenna, consisting of four emitters, provided two incident on the antenna signals with a ratio of the total signal power to noise power P c / R W = 10 dB and 0 dB; figure 6 shows a diagram of the antenna part of the HF direction finder for implementing the method; 7 schematically shows an antenna array for two-dimensional direction finding; Figs. 8 and 9 show tables with data about errors in determining the parameters of incoming signals.
Антенная часть КВ пеленгатора (фиг.6) содержит линейную антенную решетку 1, состоящую из N (1,…n,…N) независимых приемных излучателей; N блоков 2, каждый из которых состоит их K узкополосных фильтров, настроенных соответственно на частоты (ω1…ωk…ωK), при этом цифрой 3 обозначена контрольная плоскость, в которой снимаются комплексные амплитуды сигналов блок 4 управления весовыми коэффициентами; блок 5 сумматоров.The antenna part of the HF direction finder (Fig.6) contains a
Предлагаемый способ основан на разбиении заданного частотного диапазона с помощью узкополосных аналоговых фильтров, которые имеют большой динамический диапазон, на K более узкополосных частотных поддиапазонов. Разбиение на K частотных поддиапазонов производится таким образом, что в каждом из k-ых частотных поддиапазонов (k=1,…K) в данный момент времени существует только один падающий на многоэлементную антенну сигнал с некоторой средней гармонической частотой ωk. Этот сигнал из-за многолучевости распространения может приходить на антенную решетку (AP) КВ пеленгатора одновременно с одного или большего числа направлений с неизвестными комплексными амплитудами для каждого m-го направления. В процессе пеленгации должны быть определены направления и амплитуды приходящих сигналов в каждом k-ом частотном поддиапазоне.The proposed method is based on dividing a given frequency range using narrow-band analog filters, which have a large dynamic range, into K more narrow-band frequency subbands. The division into K frequency subbands is carried out in such a way that in each of the k-th frequency subbands (k = 1, ... K) at a given time there is only one signal incident on a multi-element antenna with a certain average harmonic frequency ω k . Due to the multipath propagation, this signal can arrive at the antenna array (AP) of the HF direction-finder simultaneously from one or more directions with unknown complex amplitudes for each m-th direction. In the direction finding process, directions should be identified and amplitudes incoming signals in each kth frequency subband.
Рассмотрим способ пеленгации сигнала на примере одномерной пеленгации в фиксированной плоскости (φ=0) для антенны из N независимых приемных излучателей, расположенных на расстоянии d друг от друга вдоль оси ох (фиг.1). При падении плоской электромагнитной волны с комплексной амплитудой и с гармонической частотой ωk с направления на входе n-го излучателя возникает напряжениеConsider the method of direction finding the signal on the example of one-dimensional direction finding in a fixed plane (φ = 0) for an antenna of N independent receiving emitters located at a distance d from each other along the axis ox (figure 1). When a plane electromagnetic wave with a complex amplitude is incident and with a harmonic frequency ω k from the direction at the input of the nth emitter voltage
где - набег фазы между антенными элементами, определяемый направлением на источник радиосигнала, - начальная фаза сигнала частоты ωk с m-го направления, а - комплексная амплитуда напряжения на входе n-го излучателя на частоте ωk.Where - phase incursion between the antenna elements, determined by the direction of the radio source, is the initial phase of the frequency signal ω k from the mth direction, and - the complex amplitude of the voltage at the input of the nth emitter at a frequency ω k .
Как правило, наряду с гармоническими сигналами на излучатели падает шумовой сигнал с мощностью Рш в полосе приема. Тогда усредненную за период наблюдения T комплексную амплитуду сигнала + шума на входе излучателей можно записать в видеAs a rule, along with harmonic signals, a noise signal with a power R w in the reception band is incident on the emitters. Then the complex signal + noise amplitude averaged over the observation period T at the input of the emitters can be written as
По комплексным амплитудам и определяется корреляционная матрица напряжений на входах излучателей , которая в предположении некоррелированности принимаемых шумов в соседних излучателях как с полезным сигналом, так и между собой имеет вид:According to complex amplitudes and determined by the correlation matrix of voltages at the inputs of the emitters , which, under the assumption that the received noise is not correlated in neighboring emitters, both with a useful signal and with each other, has the form:
где - корреляционная матрица сигналов в отсутствии шумов, обозначает вектор-столбец, обозначает вектор-строку); [E] - единичная матрица.Where - correlation matrix of signals in the absence of noise, denotes a column vector, denotes a row vector); [E] is the identity matrix.
Матрица при Рш>0 является неособенной. По корреляционной матрице определяется N отличных от нуля собственных значений и N соответствующих им собственных векторов. Собственные значения сигнально-шумовой корреляционной матрицы имеют вид:Matrix when P w > 0 is nonsingular. The correlation matrix determines N non-zero eigenvalues and N corresponding eigenvectors. The eigenvalues of the signal-noise correlation matrix are:
где - суммарная мощность сигнала, принимаемая всеми излучателями AP.Where - total signal power received by all AP emitters.
Структура собственного вектора, соответствующего собственному числу и называемого сигнальным , при любом количестве падающих волн и количестве излучателей совпадает с сигнальным вектором входных напряжений на клеммах излучателей. Остальные N-1 собственных векторов, соответствующих λ2,…,λN, называются шумовыми и обозначаются (j=1,…,(N-1)). С учетом указанных обозначений разложение сигнально-шумовой корреляционной матрицы по собственным векторам имеет вид:The structure of the eigenvector corresponding to the eigenvalue and called a signal , for any number of incident waves and the number of emitters, it coincides with the signal vector of input voltages at the terminals of the emitters. The remaining N-1 eigenvectors corresponding to λ 2 , ..., λ N are called noise and are denoted by (j = 1, ..., (N-1)). Given these notations, the expansion of the signal-noise correlation matrix in eigenvectors has the form:
Определим собственную ДН Fqk(θ), соответствующую вектору как ДН в режиме возбуждения излучателей Ap комплексно-сопряженным вектором . Тот факт, что возбуждение излучателей является комплексно-сопряженным вектору , при условии одного падающего сигнала обеспечивает формирование собственной сигнальной ДН AP с максимумом и собственных шумовых ДН с глубоким провалом (в идеале - нулевым значением) в направлении прихода сигнала (фиг.2) для двух излучателей и (фиг.3) - для четырех излучателей на частоте при соотношении мощности сигнала к мощности шума Рс/Рш=10 дБ и 0 дБ). Поэтому для одного сигнала (M=1) направление его прихода определяется по совпадающим нулям собственных шумовых ДН.We define the proper MD Fq k (θ) corresponding to the vector as a DN in the excitation regime of emitters Ap by a complex conjugate vector . The fact that the excitation of emitters is a complex conjugate vector , under the condition of one incident signal, it provides the formation of its own signal beam AP with a maximum and its own noise beam with a deep dip (ideally, a zero value) in the direction of arrival of the signal (Fig. 2) for two radiators and (Fig. 3) for four radiators on frequency with the ratio of signal power to noise power R s / R W = 10 dB and 0 dB). Therefore, for one signal (M = 1), the direction of its arrival is determined by the coincident zeros of the intrinsic noise patterns.
Собственные сигнальная и шумовые ДН имеют вид:Own signal and noise DNs look like:
где , где λk - длина волны сигнала в k-ом частотном поддиапазоне.Where where λ k is the wavelength of the signal in the kth frequency subband.
По сигнальным и шумовым собственным ДН определяется уровень полезного сигнала , принимаемого излучателями AP. Для M плоских волн, падающих с направлений θm на AP из излучателей, уровень полезного сигнала, принимаемого по j-й шумовой ДН, определяется выражением:The signal and noise intrinsic signals are used to determine the level of the useful signal received by the emitters AP. For M plane waves incident from the directions θ m on the AP from the emitters, the level of the useful signal received from the jth noise beam is determined by the expression:
Как показывает анализ, в случае двух и большего количества сигналов, приходящих с различных направлений, направления минимумов шумовых ДН уже не совпадают с направлениями прихода сигналов (фиг.4 для двух излучателей и фиг.5 для четырех излучателей на частоте при соотношении мощности сигналов к мощности шума Pc/Рш=10 дБ и 0 дБ), как для случая одного сигнала. Поэтому по минимумам собственных шумовых ДН нельзя определить направления двух и более сигналов. Для определения направлений θm нескольких (M>1) сигналов решается система функциональных уравнений:As the analysis shows, in the case of two or more signals arriving from different directions, the directions of the minimums of the noise DNs do not coincide with the directions of arrival of the signals (Fig. 4 for two radiators and Fig. 5 for four radiators at a frequency when the ratio of signal power to noise power P c / R W = 10 dB and 0 dB), as for the case of a single signal. Therefore, it is impossible to determine the directions of two or more signals by the minima of their own noise DNs. To determine the directions θ m of several (M> 1) signals, a system of functional equations is solved:
которое следует из того факта, что уровень полезного сигнала, принимаемого по собственным шумовым ДН, равен нулю.which follows from the fact that the level of the useful signal received from its own noise DNs is zero.
Для определения абсолютных значений амплитуд (m=1,…,M) приходящих сигналов при найденных из (9) используется М дополнительных уравнений:To determine the absolute values of the amplitudes (m = 1, ..., M) of incoming signals when found from (9) M additional equations are used:
или, учитывая, что структура собственного сигнального вектора совпадает с сигнальным вектором, система уравнений (10) принимает вид:or, taking into account that the structure of the eigen signal vector coincides with the signal vector, the system of equations (10) takes the form:
Кривые для сигнальной и шумовых ДН, приведенные на фиг.2, 3, 4, 5, очень слабо зависят от соотношения Pc/Рш, что указывает на возможность применения изложенного ниже способа высокоточной пеленгации и при малых соотношениях Pc/Рш.The curves for the signal and noise DNs shown in Figs. 2, 3, 4, 5, very weakly depend on the ratio P c / P W , which indicates the possibility of applying the method of high-precision direction finding described below and at small ratios P c / Р w .
После определения из систем уравнений (9), (11) направления прихода и амплитуды m-й плоской волны осуществляется операция максимизации отношения С/(П+Ш) для этого направления с помощью весовых коэффициентов , вводимых устройствами управления амплитудой и фазой сигнала на выходе каждого n-го излучателя (фиг.6). С этой целью вектор весовых коэффициентов выбирается из условияAfter determining from the systems of equations (9), (11) the direction of arrival and the amplitude of the m-th plane wave, the operation of maximizing the ratio C / (P + W) for this direction is performed using weights input devices for controlling the amplitude and phase of the signal at the output of each n-th emitter (Fig.6). To this end, the vector of weights is selected from the condition
где - корреляционная матрица помех, в которой учитываются как шумовые составляющие, так и сигнальные составляющие со всех направлений за исключением направления ; - собственный сигнальный вектор для m-го направления прихода сигнала с частотой ωk:Where - a correlation matrix of interference, which takes into account both noise components and signal components from all directions except for the direction ; - eigen signal vector for the m-th direction of arrival of the signal with a frequency ω k :
После операции (12) сигнал отправляется на дальнейшую обработку.After operation (12), the signal is sent for further processing.
Для реализации описанного выше способа определения направлений прихода сигналов и их амплитуд используется КВ пеленгатор (фиг.6).To implement the above method of determining the directions of arrival of signals and their amplitudes, an HF direction finder is used (Fig. 6).
Способ заключается в следующем. Сигнал, приходящий с произвольного m-го направления, попадает на антенную решетку, состоящую из N независимых приемных излучателей, на выходе каждого из которых стоит система узкополосных фильтров. С выхода каждого k-го фильтра n-го излучателя снимается гармонический сигнал .The method is as follows. The signal arriving from an arbitrary mth direction enters the antenna array, consisting of N independent receiving emitters, each of which has a system of narrow-band filters. A harmonic signal is removed from the output of each kth filter of the nth emitter .
После узкополосной фильтрации по соотношению (3) вычисляется корреляционная матрица комплексных амплитуд сигналов, , пришедших в каждом k-ом частотном поддиапазоне. Направления прихода сигналов находятся из условия равенства нулю уровня полезного сигнала, принимаемого по шумовым собственным диаграммам направленности, определяемым по собственным векторам корреляционной матрицы, соотношение (9). Для максимизации отношения сигнал/(помеха + шум) для направлений прихода сигналов, найденных на предыдущем этапе, производится суммирование сигналов с каждого n-го излучателя для каждого k-го поддиапазона с весовыми коэффициентами , выбираемыми в соответствии с законом (12).After narrow-band filtering, relation (3) calculates the correlation matrix of complex signal amplitudes, coming in every k-th frequency subband. The directions of arrival of the signals are found from the condition that the level of the useful signal, taken from the noise eigenvectors determined by the eigenvectors of the correlation matrix, be equal to zero, relation (9). To maximize the signal / (interference + noise) ratio for the arrival directions of the signals found in the previous step, the signals from each n-th emitter for each k-th subband with weight coefficients are added selected in accordance with law (12).
Описанный способ определения направлений прихода и амплитуд гармонических сигналов можно использовать не только для гармонических сигналов, но и для широкополосных сигналов или сигналов со скачкообразно изменяющейся частотой. В этом случае алгоритм должен быть дополнен следующими операциями: после того как определены все возможные направления прихода сигналов во всех частотных поддиапазонах, необходимо объединить в один частотный интервал те из частотных поддиапазонов, в которых направления прихода сигналов одинаковы. Что касается амплитудного спектра широкополосного сигнала, то он может быть найден как совокупность спектральных составляющих с комплексными амплитудами , найденными из (11) в каждом из k-ых частотных поддиапазонов, входящих в его частотный интервал.The described method for determining the directions of arrival and amplitudes of harmonic signals can be used not only for harmonic signals, but also for broadband signals or signals with a frequency-varying frequency. In this case, the algorithm should be supplemented with the following operations: after all possible directions of arrival of signals in all frequency subbands have been determined, it is necessary to combine those frequency subbands in which the directions of arrival of the signals are the same in one frequency interval. As for the amplitude spectrum of a broadband signal, it can be found as a set of spectral components with complex amplitudes found from (11) in each of the kth frequency subbands included in its frequency interval.
Для двумерной пеленгации используются две ортогонально расположенные линейные антенные решетки (фиг.7). При этом для нахождения угломестных и азимутальных углов прихода сигналов должна быть выполнена процедура определения обобщенных координат и в соответствии с алгоритмом нахождения направлений прихода сигналов на линейную антенную решетку из N излучателей для случая одномерной пеленгации.For two-dimensional direction finding, two orthogonally located linear antenna arrays are used (Fig. 7). Moreover, to find elevated and azimuthal angles of arrival of signals, the procedure for determining the generalized coordinates should be performed and in accordance with the algorithm for finding the directions of arrival of signals to a linear antenna array of N emitters for the case of one-dimensional direction finding.
Отличие двумерной пеленгации от одномерной состоит в том, что вначале определяются обобщенные координаты и , а затем в соответствии с алгоритмом для одномерной пеленгации определяются истинные углы прихода сигналов и их амплитуды.The difference between two-dimensional direction finding and one-dimensional direction is that first the generalized coordinates are determined and and then, in accordance with the algorithm for one-dimensional direction finding, the true angles of arrival of the signals and their amplitudes are determined.
При падении плоской электромагнитной волны с комплексной амплитудой и с гармонической частотой ωk с направления на входах nx-го и ny-го излучателей возникают комплексные амплитуды напряжений:When a plane electromagnetic wave with a complex amplitude is incident and with a harmonic frequency ω k from the direction at the inputs of the n x th and n y th emitters, complex voltage amplitudes arise:
где Nx и Ny - количество излучателей вдоль осей ox и oy соответственно, dx и dy - расстояние между излучателями в первой и второй линейных антенных решетках соответственно.Where N x and N y are the number of emitters along the axes ox and oy, respectively, d x and d y are the distances between emitters in the first and second linear antenna arrays, respectively.
Соотношения (14) и (15) можно рассматривать независимо друг от друга и таким образом определить и в соответствии с алгоритмом определения углов, справедливым для одномерной пеленгации.Relations (14) and (15) can be considered independently of each other and thus determine and in accordance with the algorithm for determining angles, valid for one-dimensional direction finding.
Обобщенные координаты связаны с искомыми параметрами сигналов соотношениямиThe generalized coordinates are related to the desired signal parameters by the relations
Используя (16) и (17), по найденным обобщенным координатам восстанавливаются истинные направления прихода сигналов и в пространстве.Using (16) and (17), from the found generalized coordinates, the true directions of signal arrival are restored and in space.
Таким образом, использование дополнительной линейной антенной решетки, ортогональной первой, позволяет снизить размерность сигнально-шумовой матрицы для двумерного пеленга до размерности двух независимых одномерных матриц соответствующих линейных AP. Данный способ существенно сокращает объем вычислений при определении углов прихода и .Thus, the use of an additional linear antenna array, orthogonal to the first, reduces the dimension of the signal-noise matrix for a two-dimensional bearing to the dimension of two independent one-dimensional matrices of the corresponding linear APs. This method significantly reduces the amount of calculation when determining the angles of arrival and .
В качестве наглядного примера приведены результаты моделирования для одномерной пеленгации одного и двух гармонических узкополосных сигналов с частотой которые показывают, что ошибка определения угловых координат источников радиосигналов и их амплитуд зависит от точности решения систем уравнений (9), (11) и может быть сколь угодно малой. В частности, при задании шага решения уравнений (9), (11) в интервале 0.1°÷1° максимальная ошибка определения угловых координат сопоставима с величиной шага, а относительная точность определения амплитуд составляет несколько процентов, см. табл.1-6 (фиг.8, 9). В этих таблицах введены следующие обозначения: θ01 и θ02 - истинные направления прихода сигналов, θ1 и θ2 - направления, определяемые из решения системы (9), Δθ1 и Δθ2 - ошибки определения направлений прихода сигналов, A01 и A02 - истинные значения амплитуд сигналов, принимаемых AP с направлений θ01 и θ02, A1 и A2 - значения амплитуд сигналов, полученные в результате решения системы (11), ΔA1 и ΔA2 - величины относительной ошибки определения амплитуды первого и второго сигналов соответственно, Pc01 и Pc02 - мощности сигналов, принимаемых AP с направлений θ01 и θ02.As an illustrative example, the simulation results for one-dimensional direction finding of one and two harmonic narrow-band signals with a frequency which show that the error in determining the angular coordinates of radio signal sources and their amplitudes depends on the accuracy of solving systems of equations (9), (11) and can be arbitrarily small. In particular, when setting the step for solving equations (9), (11) in the range 0.1 ° ÷ 1 °, the maximum error in determining the angular coordinates is comparable to the step size, and the relative accuracy in determining the amplitudes is several percent, see Table 1-6 (Fig. .8, 9). The following notation is introduced in these tables: θ 01 and θ 02 are the true directions of arrival of signals, θ 1 and θ 2 are directions determined from the solution of system (9), Δθ 1 and Δθ 2 are errors in determining the directions of arrival of signals, A 01 and A 02 - the true values of the amplitudes of the signals received by the AP from the directions θ 01 and θ 02 , A 1 and A 2 - the values of the amplitudes of the signals obtained as a result of solving the system (11), ΔA 1 and ΔA 2 - the values of the relative error in determining the amplitudes of the first and second signals, respectively, P c01 and P c02 are the power of the signals received by the AP from the directions θ 01 and θ 02 .
Результаты моделирования в табл.1-6 (фиг.8, 9) получены для разных отношений Pc/Рш. Как следует из этих результатов, точность пеленгации многолучевых сигналов сохраняется очень высокой даже при Pc/Рш≥-10 дБ.The simulation results in table 1-6 (Fig, 9) are obtained for different ratios P c / P W As follows from these results, the accuracy of direction finding of multipath signals remains very high even at P c / P w ≥ -10 dB.
Источники информацииInformation sources
1. Патент US 4626859, кл. G01S 5/04.1. Patent US 4626859,
2. Патент РФ 2150122, кл. G01S 3/14.2. RF patent 2150122, cl. G01S 3/14.
3. Патент РФ 2141675, кл. G01S 3/00.3. RF patent 2141675, cl. G01S 3/00.
Claims (5)
где , k - номер частотного поддиапазона, λk - средняя длина волны сигнала в k-ом частотном поддиапазоне, n - номер независимого приемного излучателя, d - расстояние между независимыми приемными излучателями, а направления прихода и комплексные амплитуды принимаемых сигналов в k-ом частотном поддиапазоне определяют путем решения систем уравнений:
, j=1,… (Nx-1),
m=1,…M, l=1,…,M,
где , .1. The method of direction finding narrowband radio signals of the KB range, which consists in the fact that narrowband radio signals of the KB range, propagating along multipath radio paths, each of which lies in the corresponding k-th (k = 1, ..., K) frequency sub-band of a given interval K of frequency sub-bands, taking each emitter array antenna, and calculating the correlation matrix of the received signals, characterized in that the array antenna is used, consisting of N x independent linear reception antenna array zluchateley, carried reception of narrowband radio signals falling in elevation plane for observation interval, the received signals are separated by K narrowband filters installed at the inlet of each independent receiver and transmitter predetermined interval overlapping K frequency subbands correlation matrix calculated from the received signals in each k-th (k = 1, ..., K) frequency sub-band, lay out each of the k-th correlation matrices by own signal and noise (j = 1, ..., (N x -1)) vectors, determine the antenna’s own radiation patterns and in each kth frequency subband as radiation patterns in the mode of excitation of independent receiving emitters by the corresponding complex conjugate eigenvectors: and
Where , k is the number of the frequency subband, λ k is the average wavelength of the signal in the kth frequency subband, n is the number of the independent receiving emitter, d is the distance between the independent receiving emitters, and the directions of arrival and complex amplitudes the received signals in the kth frequency subband are determined by solving systems of equations:
, j = 1, ... (N x -1),
m = 1, ... M, l = 1, ..., M,
Where , .
, j=1,…,(Nx-1) и , j=1,…,(Ny-1),
где и - собственные шумовые диаграммы направленности для основной и дополнительной линейных антенных решеток соответственно,
после чего восстанавливают истинные направления прихода сигналов и по соотношениям:
,
. 5. The method according to claim 1, characterized in that it further receive narrowband radio signals falling from an arbitrary direction in elevated and the azimuthal planes, during the observation interval, using the additional linear antenna array consisting of N y independent receiving emitters, located perpendicular to the axis of the main linear antenna array of N x independent receiving emitters, determine the generalized directions of arrival and signals from solving systems of equations:
, j = 1, ..., (N x -1) and , j = 1, ..., (N y -1),
Where and - own noise radiation patterns for the primary and secondary linear antenna arrays, respectively,
then restore the true direction of arrival of signals and by ratios:
,
.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009124317/09A RU2407026C1 (en) | 2009-06-26 | 2009-06-26 | Location finding method of narrow-band radio signals of short-wave range |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009124317/09A RU2407026C1 (en) | 2009-06-26 | 2009-06-26 | Location finding method of narrow-band radio signals of short-wave range |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2407026C1 true RU2407026C1 (en) | 2010-12-20 |
Family
ID=44056739
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009124317/09A RU2407026C1 (en) | 2009-06-26 | 2009-06-26 | Location finding method of narrow-band radio signals of short-wave range |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2407026C1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2528177C2 (en) * | 2012-12-28 | 2014-09-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Method of determining bearing panorama of radio-frequency sources at one frequency |
RU2530748C2 (en) * | 2012-12-28 | 2014-10-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Method of determining most probable values of bearings of radio-frequency sources at one frequency |
RU2551115C1 (en) * | 2013-12-30 | 2015-05-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Method of characteristics determination of overlapping radiosignals of same frequency |
RU2767759C1 (en) * | 2021-04-26 | 2022-03-21 | Закрытое акционерное общество Научно-исследовательский центр «РЕЗОНАНС» (ЗАО НИЦ «РЕЗОНАНС») | Method for measuring the azimuth of an aerial target for a stationary radar |
-
2009
- 2009-06-26 RU RU2009124317/09A patent/RU2407026C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2528177C2 (en) * | 2012-12-28 | 2014-09-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Method of determining bearing panorama of radio-frequency sources at one frequency |
RU2530748C2 (en) * | 2012-12-28 | 2014-10-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Method of determining most probable values of bearings of radio-frequency sources at one frequency |
RU2551115C1 (en) * | 2013-12-30 | 2015-05-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Method of characteristics determination of overlapping radiosignals of same frequency |
RU2767759C1 (en) * | 2021-04-26 | 2022-03-21 | Закрытое акционерное общество Научно-исследовательский центр «РЕЗОНАНС» (ЗАО НИЦ «РЕЗОНАНС») | Method for measuring the azimuth of an aerial target for a stationary radar |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN107037396B (en) | Angle of arrival estimation | |
US20180183470A1 (en) | Devices and methods using the hermetic transform | |
US7885688B2 (en) | Methods and systems for signal selection | |
CN108710103B (en) | Strong and weak multi-target super-resolution direction finding and information source number estimation method based on sparse array | |
KR101925108B1 (en) | Adaptive side lobe canceller method for a fully digital active array radar | |
RU2624449C1 (en) | Method of polarisation deprecition of radiosignals | |
US10705176B2 (en) | Signal direction processing for an antenna array | |
JP2006270847A (en) | Antenna device | |
RU2407026C1 (en) | Location finding method of narrow-band radio signals of short-wave range | |
JP6659400B2 (en) | Signal processing device, radar device, and method of setting radar device | |
JP2010286403A (en) | Angle measuring system, monopulse angle measuring system, monopulse radar, multistatic radar | |
RU2515179C1 (en) | Method of determining direction of hydroacoustic transponder in multibeam navigation signal propagation conditions | |
CN113253305A (en) | Method for obtaining satellite incident signal guide vector by array antenna | |
RU2738409C1 (en) | Method for interference-protected reception of satellite communication system signals | |
RU2713503C1 (en) | Method of angular superresolution in receiving digital antenna arrays | |
US20050088337A1 (en) | Vertically stacked turnstile array | |
RU2529483C1 (en) | Method for stealth radar location of mobile objects | |
Hashimoto et al. | Adaptive sidelobe cancellation technique for atmospheric radars containing arrays with nonuniform gain | |
RU2431862C1 (en) | Polarisation independent direction finding method of multi-beam radio signals | |
RU2614035C1 (en) | One-stage method of decameter range radiation sources direction finding using phased antenna array consisting of mutually orthogonal symmetric horizontal dipoles | |
RU2309425C2 (en) | Method of forming calibration data for radio direction finder/ range finder (versions) | |
JP2006121513A (en) | Distributed aperture antenna equipment | |
RU2677931C1 (en) | Device of spatial selection of signals with compensation of intentional interference | |
RU2510708C1 (en) | Radio-frequency radiation source direction-finding method | |
CN106209125B (en) | Universal novel broadband beam forming system and implementation method |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150627 |