RU2567850C1 - Способ пеленгования воздушного объекта - Google Patents
Способ пеленгования воздушного объекта Download PDFInfo
- Publication number
- RU2567850C1 RU2567850C1 RU2014125677/07A RU2014125677A RU2567850C1 RU 2567850 C1 RU2567850 C1 RU 2567850C1 RU 2014125677/07 A RU2014125677/07 A RU 2014125677/07A RU 2014125677 A RU2014125677 A RU 2014125677A RU 2567850 C1 RU2567850 C1 RU 2567850C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- antennas
- earth
- signals
- azimuth
- array
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для определения местоположения воздушных судов (объектов) по их радиоизлучениям. Достигаемый технический результат - повышение точности измерения угла места примерно на порядок с расширением области надежного определения дальности с 30 км до 70-80 км, что упрощает, делает более надежным и безопасным привод воздушного судна на необорудованные аэродромы, буровые площадки. Указанный результат достигается за счет того, что способ включает прием сигналов бортового передатчика с помощью антенн, образующих кольцевую решетку, располагаемую вблизи и параллельно земной поверхности, определение по принятым антеннами решетки сигналам азимута объекта, измерение комплексных амплитуд принятых сигналов и преобразование измерений в угловой спектр путем умножения на комплексно-сопряженные диаграммы направленности антенн, суммирования результатов умножения по совокупности антенн и определения квадрата модуля суммы. Одновременно сигналы принимают с помощью дополнительных антенн, располагаемых на нормали к плоскости решетки из ее центра, угловой спектр нормируют на сумму квадратов модулей диаграмм направленности антенн (ДНА) и определяют угол места объекта, как положение его максимума. При этом ДНА определяют в направлении полученного азимута и с учетом коэффициента отражения радиоволн от земной поверхности. 6 ил.
Description
Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиопеленгации, и может быть использовано для определения местоположения воздушных судов (объектов) по их радиоизлучениям.
Для двухмерного пеленгования воздушных объектов по излучению бортовых УКВ передатчиков применяют инвариантные к направлению прихода сигнала кольцевые решетки, которые располагают параллельно и вблизи земной поверхности, на высоте 5-6 м от нее. По принятым сигналам определяют азимут и угол места объекта.
Известен фазовый способ радиопеленгования, включающий прием сигналов бортового передатчика воздушного объекта с помощью антенн, образующих кольцевую решетку, измерение фаз принятых сигналов, их реконструкцию с устранением цикличности фазовых измерений и расчет азимута и угла места по реконструированным фазам (Саидов А.С., Тагилаев А.Р., Алиев Н.М., Асланов Г.К. Проектирование фазовых автоматических пеленгаторов. М.: «Радио и связь», 1997, с.10, 51-52)
Основным недостатком способа является низкая точность измерения угла места вблизи нулевого значения, так как погрешности измерения обратно пропорциональны его синусу. При интерференции прямой и отраженной от земной поверхности волны пеленгуется энергетический центр лучей со значительными флуктуациями. Другой недостаток состоит в сложности выполнения операции реконструкции фаз.
Известен способ пеленгования, включающий прием сигнала с помощью ненаправленных антенн, образующих кольцевую решетку, измерение разности фаз между сигналами в двух группах, векторы, соединяющие пары антенн в которых коллинеарны, а по совокупности разностей фаз в группах методом многошкальных измерений оценивают однозначные на расстоянии диаметра решетки набеги фаз, по которым рассчитывают азимут и угол места (Патент РФ №2251707, 2005 г., МПК7 G01S 3/00)
В данном способе исключается операция реконструкции фаз, но основной недостаток предыдущего аналога (низкая точность измерения угла места) не устраняется.
Из известных способов наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ двухмерного пеленгования, включающий прием сигналов бортового передатчика воздушного объекта с помощью антенн, образующих кольцевую решетку, располагаемую вблизи и параллельно земной поверхности, и определение по принятым сигналам азимута и угла места объекта. При этом измеряют комплексные амплитуды принятых сигналов с преобразованием в двухмерный угловой спектр, а азимут и угол места определяют как положение его максимума. Причем преобразование в двухмерный угловой спектр включает: умножение измеренных комплексных амплитуд на комплексно-сопряженные двухмерные диаграммы направленности, суммирование результатов умножения по совокупности антенн решетки и определение квадрата модуля суммы. Диаграммы направленности определяют применительно к условиям распространения радиоволн в свободном пространстве по формуле:
, где n=0, …, N-1 - номер антенны при общем количестве N≥3, θ, β - азимут и угол места, k=2·π/λ - волновое число, λ - длина волны излучения, ρ - радиус решетки, α=2π/N - квант углового положения ее антенн, π=3, 14 …, i - мнимая единица (Саидов А.С., Тагилаев А.Р., Алиев Н.М., Асланов Г.К. Проектирование фазовых автоматических пеленгаторов. М.: «Радио и связь», 1997, с. 47-48).
В данном способе достигается потенциальная точность и предельная чувствительность измерения азимута, но сохраняется основной недостаток способов-аналогов: низкая точность измерения угла места, особенно вблизи его нулевого значения. Определенную сложность вызывает выполнение операции двухмерного преобразования сигналов в угловой спектр.
Технической задачей данного изобретения является повышение точности измерения угла места.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе пеленгования воздушного объекта, включающем прием сигналов бортового передатчика с помощью антенн, образующих кольцевую решетку, располагаемую вблизи и параллельно земной поверхности, определение по принятым антеннами решетки сигналам азимута объекта, измерение комплексных амплитуд принятых сигналов и преобразование измерений в угловой спектр путем умножения на комплексно-сопряженные диаграммы направленности антенн, суммирования результатов умножения по совокупности антенн и определения квадрата модуля суммы, новым является то, что сигналы принимают одновременно с помощью дополнительных антенн, располагаемых на нормали к плоскости решетки из ее центра, угловой спектр нормируют на сумму квадратов модулей диаграмм направленности антенн и определяют угол места объекта, как положение максимума нормированного углового спектра, при этом диаграммы направленности антенн определяют в направлении полученного азимута и с учетом отражения радиоволн от земной поверхности по формуле:
, где
- полученный азимут объекта, β - угол места,
,
- диаграммы направленности в направлении прямого и отраженного луча антенн кольцевой решетки с номерами n=0, …, N-1 при числе антенн в ней N,
,
- диаграммы направленности в направлении прямого и отраженного луча дополнительных антенн с номерами n=N, …, N′-1 при общем числе антенн N′,
- коэффициент отражения от земной поверхности, k=2·π/λ - волновое число, λ - длина волны излучения, h - высота поднятия решетки над земной поверхностью, ρ - радиус решетки, Δhn - высота поднятия над ней дополнительных антенн, π-=3,14 …, i - мнимая единица.
Решение поставленной технической задачи основывается на учете в диаграммах направленности антенн как прямого, так и отраженного от земной поверхности луча, различий набегов фаз сигналов в антеннах решетки и поднятых над ней антеннах, пропорциональных соответственно косинусу и синуса угла места прихода радиоволн. При определении углового спектра компенсируют набеги фаз совокупности прямой и отраженной волны, что позволяет выполнять когерентное суммирование по совокупности антенн, а возникающие вследствие сложения лучей направленные свойства по углу места учитывают нормировкой на сумму квадратов модулей диаграмм направленности. Тем самым достигается формирование максимума нормированного углового спектра в точке истинного угла места объекта со снижением погрешности его измерения. Существенным является также осевая симметрия антенной системы. Это позволяет определять азимут одним из известных способом по сигналам кольцевой решетки, а угол места путем однопараметрической максимизации нормированного углового спектра в направлении измеренного азимута. Последним исключается процедура определения и максимизации двухмерного углового спектра способа-прототипа с сокращением числа выполняемых операций по обработке сигналов.
Учет указанных закономерностей в соответствии с предложенными новыми действиями, условиями и порядком их выполнения позволяет решить поставленную техническую задачу: повысить точность измерения угла места.
Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 представлена структурная схема радиопеленгатора для реализации заявленного способа;
на фиг. 2 показана схема распространения радиоволн;
на фиг. 3 - диаграмма направленности антенны с учетом отражения радиоволн от земной поверхности;
на фиг. 4 - нормированный угловой спектр;
на фиг. 5 - зависимости погрешности измерения угла места от дальности до объекта;
на фиг. 6 - зависимости погрешности определения дальности от ее истинного значения.
Радиопеленгатор для реализации заявленного способа (фиг. 1) содержит антенны 1.0-1.N′-1 подключенные к входам 0-N′-1 радиоприемного устройства 2, выходами 0-N-1 соединенного с одноименными входами блока 3 определения азимута и анализатора углового спектра 4, входы N-N′-1 которого подключены к одноименным выходам радиоприемного устройства 2, а вход N′ - к первому выходу блока 5 определения диаграмм направленности, устройство определения максимума 6, блок определения коэффициента отражения 7 и индикатор 8. Выход блока определения азимута 3 подключен к первым входам блока определения диаграмм направленности 5 и индикатора 8 и второму входу блока определения коэффициента отражения 7, соединенного с первым входом со вторым выходом блока определения диаграмм направленности 5, а выходом - со вторым входом этого блока. Анализатор углового спектра 4, устройство определения максимума 6 последовательно подключены ко второму входу индикатора 8.
Радиоприемное устройство 2 многоканальное с числом каналов, равным общему числу антенн N′, выполняет фильтрацию и синхронное преобразование принятых сигналов с цифровым измерением и представлением в виде комплексных амплитуд (квадратурных составляющих), например, по варианту, приведенному в (Побережский К.С. Цифровые радиоприемные устройства. М., Радио и связь, 1987, с. 67-68, рис. 3.140)
Антенны 1.0-1.N-1 образуют кольцевую эквидистантную решетку с числом антенн N≥3. Радиус решетки ρ устанавливают из условия не превышения расстояния между ближайшими антеннами половины длины волны излучения. Решетку ориентируют опорной 1.0 антенной на Север. Фазовые центры антенн решетки располагают в одной горизонтальной плоскости на высоте h над земной поверхностью, порядка 5-6 м. Дополнительные антенны 1.N-1.N′-1 устанавливают на нормали к плоскости решетки из ее центра, например, с постоянным шагом δh. Тогда высота поднятия дополнительных антенн над плоскостью решетки будет Δhn=δh·(n+1-N), где n=N, …, N′-1 - номер дополнительной антенны, N′ - общее число антенн. А высота поднятия антенн решетки с номерами n=0, …, N-1 и дополнительных антенн с номерами n=N, …, N′-1 над Землей определяются соотношениями: hn-h при n=0, …, N-1 и hn=h+Δhn при n=N, …, N′-1.
В соответствии со схемой распространения радиоволн (фиг. 2) в пункт пеленгования В от бортового передатчика А приходит прямая волна по пути АВ и отраженная от земной поверхности по пути АСВ или эквивалентному ему А′СВ. На рисунке толстой линией показана земная поверхность, точка А′ - фиктивный излучатель под поверхностью, С - точка отражения, β1=β, β2=-β - углы места прихода прямой и отраженной волны. Высота h подъема плоскости решетки над земной поверхностью определяется отрезком ВО. Обозначим: d - удаление излучателя от пеленгатора по земной поверхности (отрезок OO′),
- наклонная дальность, Н - высота АО′ подъема излучателя над Землей. Отсчет положительных значений углов места β выполняют от линии, параллельной земной поверхности, к зениту, азимута θ - от направления на опорную антенну с номером n=0 по часовой стрелке.
В соответствии с методом зеркального изображения (Грудинская Г.П. Распространение радиоволн. М., «Высш. школа», 1975, с.45-47) и геометрическими построениями (фиг. 2) мгновенные значения напряженности поля, принимаемого антеннами, определяются соотношением
где
- комплексная амплитуда напряженности поля прямого луча в центре антенной решетки, Р - мощность излучения, k=2π/λ - волновое число, λ - длина волны излучения.
Комплексные диаграммы направленности антенн определяют с учетом отражения радиоволн от земной поверхности по формуле
где
и
- диаграммы направленности в направлении прямого и отраженного луча антенн кольцевой решетки (n=0, …, N-1),
и
- диаграммы направленности в направлении прямого и отраженного луча дополнительных антенн (n=N, …, N′-1), α=2π/N - квант углового положения антенн решетки, звездочка - операция комплексного сопряжения.
Удаление точки отражения С (фиг. 2) от пеленгатора не превышает дальности прямой видимости и при высоте поднятия решетки h=5 …6 м составляет величину
. Коэффициент отражения определяется электрическими параметрами земной поверхности в точке (области) отражения, координаты которой зависят от азимута и угла места объекта. Для определения коэффициента отражения может выполняться (Грудинская Г.П. Распространение радиоволн. М., «Высш. школа», 1975, с. 39, 66, 49-50, 34, 25) специальное зондирование, предваряющее эксплуатацию пеленгатора, с регистрацией значений коэффициента отражения в блоке 7 фиг. 1 в виде таблицы, как функции азимута и угла места
, или привлекаться картографическая информация и справочные данные об электрических параметрах различных видов земной поверхности с расчетом по формуле
где
, ε(θ, β), γ(θ, β) - относительная диэлектрическая проницаемость и удельная проводимость земной поверхности в точке отражения.
Для однородной в окрестности пеленгатора земной поверхности зависимость от азимута в формуле (3) исключается. Для волн УКВ-сантиметрового диапазона земная поверхность по своим свойствам близка к диэлектрику и возможно упрощенное определение коэффициента отражения в виде постоянной величины
.
Непосредственно пеленгование воздушного объекта происходит следующим образом. Излучение бортового передатчика принимают антеннами 1.0-1.N′-1 и в радиоприемном устройстве 2 измеряют их комплексные амплитуды
, где
- шумы приема. В блоке определения азимута 3 по результатам измерений комплексной амплитуды сигналов решетки, поступающим по входам 0-N-1 с одноименных выходов радиоприемного устройства, оценивают разности фаз между сигналами ближайших антенн решетки по формуле:
, где
- аргумент комплексного числа заключенного в скобки (фаза вектора), ⊕ - операция сложения по модулю N, и рассчитывают азимут объекта
Для расчетного азимута (4), поступающего с выхода блока определения азимута 3 на второй вход, и возможного положения объекта по углу места, поступающего со второго выхода блока определения диаграмм направленности 5 на первый вход, в блоке 7 определения коэффициента отражения рассчитывают значение коэффициента по формуле (3). После чего в блоке 5 определения диаграмм направленности рассчитывают по формуле (2) комплексные диаграммы направленности антенн
в направлении измеренного азимута, поступающего с выхода блока 3 по первому входу, и для поступающего по второму входу с выхода блока 7 расчетного коэффициента отражения в направлении возможного угла места. Типичная амплитудная диаграмма направленности показана на фиг. 3. Видны значительные ее изменения от угла места, что является следствием интерференции прямой и отраженной волны.
В анализаторе углового спектра 4 по измеренным комплексным амплитудам всех принятых сигналов, поступающим по входам 0-N′-1 и значениям диаграмм направленности по входу N′ с первого выхода блока 5, определяют нормированный угловой спектр как функцию угла места
В соответствии с формулой (5) при этом умножают измеренные комплексные амплитуды
на комплексно-сопряженные диаграммы направленности антенн в направлении полученного азимута объекта и возможных углов места, суммируют результаты умножения по совокупности всех антенн, определяют квадрат модуля суммы. В результате умножения происходит компенсация набегов фаз сигналов прямой и отраженной волны, а суммированием по совокупности антенн достигается когерентное накопление принятых сигналов. Возникающие вследствие сложения лучей направленные свойства антенн по углу места фиг. 3 учитывают нормировкой на сумму квадратов модулей диаграмм направленности. Пример нормированного углового спектра показан на фиг. 4. Этот спектр имеет максимум в окрестности истинного угла места объекта.
В устройстве определения максимума 6 определяют угол места объекта как положение максимума нормированного углового спектра. Результаты определения пеленга (вход 1 индикатора 8) и угла места (вход 2) отражают на индикаторе 8.
Эффективность изобретения выражается в повышении точности измерения угла места. Количественная оценка выполнена методом имитационного моделирования для следующих условий.
Исследовался радиопеленгатор, размещенный на ледяной поверхности с относительной диэлектрической проницаемостью, равной 5, и удельной проводимостью 0,05 Ом/м, и содержащий 8-элементную антенную решетку радиусом 0,5 м, поднятую на мачте высотой 5 м, и две дополнительные антенны, установленные над решеткой на высоте 1 и 2 м. Задана предельная чувствительность пеленгования 2 мкВ/м. Высота воздушного объекта 1000 м, мощность передатчика 10 Вт, длина волны излучения 1 м. Расчет коэффициента отражения выполнялся по формуле (3). Моделирующая программа разработана в системе Mathcad, имеется у авторов и патентообладателя.
Результаты показаны на фиг. 5 в виде зависимости погрешности измерения угла места Δβ от дальности d до объекта для способа-прототипа кружками, для предлагаемого решения - точками. Видно, что погрешности измерений в предлагаемом способе примерно на порядок меньше. Более наглядно эффект от предлагаемого изобретения показан на фиг. 6 в виде зависимости оценочной дальности от ее истинного значения. Оценочная дальность определяется по измеренному углу места
при известной высоте объекта Н по формуле:
. В соответствии с фиг. 6 за счет увеличения точности измерения угла места область надежного определения дальности в предлагаемом способе увеличивается с 30 км (прототип) до 70-80 км, что упрощает, делает более надежным и безопасным привод воздушного судна на необорудованные аэродромы, буровые площадки.
Claims (1)
- Способ пеленгования воздушного объекта, включающий прием сигналов бортового передатчика с помощью антенн, образующих кольцевую решетку, располагаемую вблизи и параллельно земной поверхности, определение по принятым антеннами решетки сигналам азимута объекта, измерение комплексных амплитуд принятых сигналов и преобразование измерений в угловой спектр путем умножения на комплексно-сопряженные диаграммы направленности антенн, суммирования результатов умножения по совокупности антенн и определения квадрата модуля суммы, отличающийся тем, что сигналы принимают одновременно с помощью дополнительных антенн, располагаемых на нормали к плоскости решетки из ее центра, угловой спектр нормируют на сумму квадратов модулей диаграмм направленности антенн и определяют угол места объекта, как положение максимума нормированного углового спектра, при этом диаграммы направленности антенн определяют в направлении полученного азимута и с учетом отражения радиоволн от земной поверхности по формуле:
где
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014125677/07A RU2567850C1 (ru) | 2014-06-24 | 2014-06-24 | Способ пеленгования воздушного объекта |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014125677/07A RU2567850C1 (ru) | 2014-06-24 | 2014-06-24 | Способ пеленгования воздушного объекта |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2567850C1 true RU2567850C1 (ru) | 2015-11-10 |
Family
ID=54537211
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014125677/07A RU2567850C1 (ru) | 2014-06-24 | 2014-06-24 | Способ пеленгования воздушного объекта |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2567850C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2613369C1 (ru) * | 2016-01-28 | 2017-03-16 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Способ навигации летательного аппарата с использованием высокоточного одноэтапного пеленгатора и адресно-ответной пакетной цифровой радиолинии в дкмв диапазоне |
RU2623452C1 (ru) * | 2016-05-19 | 2017-06-26 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Способ навигации движущихся объектов |
-
2014
- 2014-06-24 RU RU2014125677/07A patent/RU2567850C1/ru not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
САИДОВ А.С. и др. Проектирование фазовых автоматических пеленгаторов. Москва, "Радио и связь", 1997, с.47-48RU 2444755 C1, 10.03.2012RU 2410712 C1, 27.01.2011RU 2420755 C2, 10.06.2011US 6184830 B1, 06.02.2001JP 2012215559 A, 08.11.2012WO 2000019230 A, 06.04.2000WO 2000033419 A1, 08.06.2000 * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2613369C1 (ru) * | 2016-01-28 | 2017-03-16 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Способ навигации летательного аппарата с использованием высокоточного одноэтапного пеленгатора и адресно-ответной пакетной цифровой радиолинии в дкмв диапазоне |
RU2623452C1 (ru) * | 2016-05-19 | 2017-06-26 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Способ навигации движущихся объектов |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN104515909B (zh) | 一种基于相关法的大天线方向图测量方法 | |
US20190383930A1 (en) | Method and device for radar determination of the coordinates and speed of objects | |
CN104569625B (zh) | 一种基于可转动辅助天线的大型天线方向图测量方法 | |
CN103885054B (zh) | 一种基于分布源反射模型的米波雷达低仰角测高方法 | |
RU2732505C1 (ru) | Способ обнаружения и азимутального пеленгования наземных источников радиоизлучения с летно-подъемного средства | |
RU2711400C1 (ru) | Способ местоопределения над земной поверхностью излучателя или пеленгаторных антенн | |
US6407702B1 (en) | Method and system for obtaining direction of an electromagnetic wave | |
CN103487798A (zh) | 一种相控阵雷达测高方法 | |
RU2529355C2 (ru) | Способ определения пространственного распределения ионосферных неоднородностей | |
RU2661357C1 (ru) | Способ обзорной пассивной однопозиционной моноимпульсной трёхкоординатной угломерно-разностно-доплеровской локации перемещающихся в пространстве радиоизлучающих объектов | |
RU2567850C1 (ru) | Способ пеленгования воздушного объекта | |
RU2275649C2 (ru) | Способ местоопределения источников радиоизлучения и пассивная радиолокационная станция, используемая при реализации этого способа | |
RU2535174C1 (ru) | Способ двухмерного пеленгования воздушного объекта | |
RU2546329C1 (ru) | Способ поляризационно-чувствительного обнаружения подвижных объектов | |
RU2711341C1 (ru) | Способ двухмерного пеленгования | |
US8952848B2 (en) | System and method for determining the location of the phase center of an antenna | |
US20020126043A1 (en) | Method and apparatus for locating a terrestrial transmitter from a satellite | |
Tsai et al. | HF Radio Angle-of-Arrival Measurements and Ionosonde Positioning. | |
RU2602274C1 (ru) | Радиолокационный способ и устройство для дистанционного измерения полного вектора скорости метеорологического объекта | |
US20130002473A1 (en) | Short Baseline Helicopter Positioning Radar For Low Visibility Using Combined Phased Array and Phase Difference Array Receivers | |
US5812091A (en) | Radio interferometric antenna for angle coding | |
Baskakov et al. | Problem of detecting space debris objects using multi-position radar system | |
RU2620130C1 (ru) | Способ амплитудного двухмерного пеленгования | |
RU2686113C1 (ru) | Способ амплитудного двухмерного пеленгования | |
RU2405166C2 (ru) | Способ определения местоположения передатчика переносным пеленгатором |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170625 |