RU2309425C2

RU2309425C2 - Method of forming calibration data for radio direction finder/ range finder (versions)

Info

Publication number: RU2309425C2
Application number: RU2005131792/09A
Authority: RU
Inventors: Валерий Николаевич Шевченко (RU); Валерий Николаевич Шевченко; Геннадий Георгиевич Вертоградов (RU); Геннадий Георгиевич Вертоградов
Priority date: 2005-10-13
Filing date: 2005-10-13
Publication date: 2007-10-27
Also published as: RU2005131792A

Abstract

FIELD: radio engineering.

SUBSTANCE: method can be used in system of beyond-horizon detection and direction finding from radiations of their decimeter transmitters while using single receiving station. Additional information is received on base of additional data received as a result of usage of radiating signal with widened spectrum and usage of operations of compression while forming calibration data under real conditions of exploitation of radio direction finder.

EFFECT: improved efficiency; higher precision of forming of calibration data base.

3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах загоризонтного обнаружения и определения местоположения объектов по радиоизлучениям их декаметровых (ДКМВ) передатчиков при использовании одной приемной станции. Изобретение применимо в стационарных и мобильных радиопеленгаторах-дальномерах, в загоризонтных радиолокаторах и в других системах, основанных на приеме поверхностных однолучевых и ионосферных многолучевых сигналов.The invention relates to radio engineering and can be used in systems for the horizontal detection and location of objects from the radio emissions of their decameter (DKMV) transmitters when using one receiving station. The invention is applicable to stationary and mobile range finders, over-the-horizon radars and other systems based on the reception of surface single-beam and ionospheric multi-beam signals.

Признано, что основополагающей процедурой обеспечения потенциально достижимых точностей пеленгования является калибровка, то есть последовательность операций формирования калибровочной базы данных. Калибровочные данные описывают комплексные диаграммы (амплитуды и фазы) антенн при облучении антенной решетки приемной системы на множестве частот, поляризаций, азимутов и углов места. Калибровочные данные могут применяться при реализации корреляционных алгоритмов оценки пространственного спектра, максимумы которого описывают углы прихода сигнала, или использоваться для вычисления поправочных коэффициентов, обеспечивающих коррекцию выходного сигнала элементов решетки в процессе формирования фазированного луча.It is recognized that the fundamental procedure for ensuring potentially achievable direction finding accuracy is calibration, that is, the sequence of operations for creating a calibration database. Calibration data describes complex diagrams (amplitudes and phases) of the antennas when the antenna array of the receiving system is irradiated at a variety of frequencies, polarizations, azimuths and elevation angles. Calibration data can be used to implement correlation algorithms for estimating the spatial spectrum, the maximums of which describe the angles of arrival of the signal, or can be used to calculate correction coefficients that provide correction of the output signal of the grating elements in the process of forming a phased beam.

Основным условием высокой точности функционирования пеленгатора-дальномера диапазона ДКМВ является высокое качество двухсегментной базы калибровочных данных, включающей сегмент поверхностных волн и сегмент ионосферных волн. На практике, несмотря на использование современных технологий формирования базы калибровочных данных, основанных на комбинации измерений, выполняемых на реальном пеленгаторе и его модели, возникают проблемы получения предельно достижимых характеристик систем, размещаемых в стационарных условиях или на подвижных платформах (автомобилях, самолетах, кораблях и т.д.).The main condition for the high accuracy of the DKMV range finder-range finder functioning is the high quality of the two-segment calibration database, including the segment of surface waves and the segment of ionospheric waves. In practice, despite the use of modern technologies for forming a calibration database based on a combination of measurements performed on a real direction finder and its model, there are problems in obtaining the maximum achievable characteristics of systems placed in stationary conditions or on mobile platforms (cars, planes, ships, etc.) .d.).

Известен способ калибровки радиопеленгатора-дальномера [1], включающий:A known method of calibrating a direction finder-range finder [1], including:

- облучение антенной решетки пеленгатора сигналом с вертикальной поляризацией на множестве калибровочных частот и азимутальных калибровочных направлений;- irradiation of the antenna array of the direction finder with a signal with vertical polarization at a variety of calibration frequencies and azimuthal calibration directions;

- прием сигнала каждым каналом антенной решетки;- signal reception by each channel of the antenna array;

- измерение относительных амплитуд и фаз принятых сигналов;- measurement of relative amplitudes and phases of received signals;

- запись измеренных амплитуд и фаз для каждой комбинации приемного канала, калибровочных частот и азимутальных направлений в качестве калибровочных данных.- recording the measured amplitudes and phases for each combination of the receiving channel, calibration frequencies and azimuthal directions as calibration data.

Данный способ может обеспечить формирование двухсегментной базы калибровочных данных. В то же время реализация данного способа требует применения летно-подъемных средств, что существенно усложняет калибровку и увеличивает затраты на ее проведение, или использования источника облучающего сигнала, размещаемого на поверхности земного геоида, что приводит к большим ошибкам формирования ионосферного сегмента из-за отсутствия у данного способа операций борьбы с интерференционными искажениями принимаемого многолучевого поля.This method can provide the formation of a two-segment database of calibration data. At the same time, the implementation of this method requires the use of flight and lifting facilities, which significantly complicates the calibration and increases the cost of its implementation, or the use of an irradiating signal source located on the surface of the earth's geoid, which leads to large errors in the formation of the ionospheric segment due to the absence of this method of operations to combat interference distortion of the received multipath field.

Известен способ калибровки радиопеленгатора-дальномера [2], свободный от этого недостатка и выбранный в качестве прототипа. Согласно этому способу:A known method of calibrating a direction finder-range finder [2], free from this drawback and selected as a prototype. According to this method:

- облучают антенную решетку пеленгатора на множестве калибровочных частот и азимутальных направлений сигналом с вертикальной поляризацией, принимают сигнал в зоне поверхностных волн каждым каналом антенной решетки, измеряют относительные фазы и амплитуды сигналов и регистрируют их в качестве сегмента калибровочных данных поверхностных волн;- irradiate the antenna array of the direction finder at a variety of calibration frequencies and azimuthal directions with a vertical polarized signal, receive a signal in the surface wave zone with each channel of the antenna array, measure the relative phases and amplitudes of the signals and record them as a segment of the calibration data of surface waves;

- облучают модель антенной решетки пеленгатора на множестве калибровочных частот и азимутальных калибровочных направлений модельным сигналом с вертикальной поляризацией, принимают сигнал и регистрируют модельный сегмент калибровочных данных поверхностных волн;- irradiating the model of the antenna array of the direction finder on a plurality of calibration frequencies and azimuthal calibration directions with a vertical polarized model signal, receiving a signal and registering a model segment of surface wave calibration data;

- сопоставляют амплитуды и фазы сигналов реального и модельного сегментов калибровочных данных поверхностных волн и корректируют параметры модели;- compare the amplitudes and phases of the signals of the real and model segments of the calibration data of surface waves and adjust the model parameters;

- облучают откорректированную модель пеленгатора на множестве калибровочных частот и угломестных направлений модельным сигналом с вертикальной и горизонтальной поляризацией, принимают сигнал и регистрируют модельный сегмент калибровочных данных ионосферных волн;- irradiating the corrected direction finder model at a variety of calibration frequencies and elevation directions with a model signal with vertical and horizontal polarization, receiving a signal and registering a model segment of calibration data of ionospheric waves;

- формируют двухсегментную базу калибровочных данных радиопеленгатора объединением сегмента данных поверхностных волн, полученных на реальной платформе, и сегмента данных ионосферных волн, полученных на модели платформы.- form a two-segment database of calibration data of the direction finder by combining a segment of surface wave data obtained on a real platform and a segment of ionospheric wave data obtained on a platform model.

Данный способ не требует применения летно-подъемных средств и обеспечивает калибровку при размещении источника облучения на поверхности земного геоида.This method does not require the use of flight and lifting equipment and provides calibration when placing the radiation source on the surface of the earth's geoid.

Однако способу-прототипу присущи следующие недостатки:However, the prototype method has the following disadvantages:

- недостаточная точность формирования поверхностного сегмента калибровочных данных, что обусловлено низкой помехозащищенностью способа при приеме реального однолучевого калибровочного сигнала на фоне некоррелированных помех, с одной стороны, и высокой загруженностью диапазона ДКМВ, с другой;- insufficient accuracy of the formation of the surface segment of the calibration data, which is due to the low noise immunity of the method when receiving a real single-beam calibration signal against a background of uncorrelated interference, on the one hand, and a high congestion of the DKMV range, on the other hand;

- низкая точность формирования ионосферного сегмента калибровочных данных из-за неизбежных ошибок при его получении по модельным данным, что обусловлено сложностью и наличием принципиальных физических ограничений создания полностью адекватных моделей (модель элементов антенной решетки, модель многолучевых сигналов нестационарного ионосферного канала, модель объекта, на котором размещен пеленгатор), положенных в основу операций формирования ионосферного сегмента калибровочных данных.- low accuracy of the formation of the ionospheric segment of the calibration data due to unavoidable errors in obtaining it from the model data, due to the complexity and the presence of fundamental physical limitations of creating fully adequate models (model of antenna array elements, model of multipath signals of the unsteady ionospheric channel, model of the object on which direction finder), which are the basis for the operations of forming the ionospheric segment of calibration data.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности и точности формирования базы калибровочных данных широкого класса стационарных и мобильных радиопеленгаторов-дальномеров. Повышение эффективности и точности формирования базы калибровочных данных достигается на основе дополнительной информации, получаемой в результате применения облучающего сигнала с расширенным спектром и использования операций его сжатия при формировании калибровочных данных в реальных условиях эксплуатации радиопеленгатора.The technical result of the invention is to increase the efficiency and accuracy of the formation of the calibration database of a wide class of stationary and mobile range finders. The increase in the efficiency and accuracy of the formation of the calibration data base is achieved on the basis of additional information obtained as a result of applying an irradiated signal with an extended spectrum and the use of its compression operations when generating calibration data in real operating conditions of the direction finder.

Технический результат достигается тем, что в способе калибровки радиопеленгатора-дальномера, включающем облучение антенной решетки пеленгатора на множестве калибровочных частот и азимутальных направлений сигналом с вертикальной поляризацией, согласно изобретению при облучении используют сигнал с расширенным спектром, синхронно и когерентно принимают на частоте калибровки облучающий сигнал каждым каналом антенной решетки, синхронно преобразуют и запоминают принятые каждым каналом сигналы в цифровую форму, из цифровых сигналов выделяют сжатые сигналы отдельных лучей принятого сигнала, по которым формируют для всех комбинаций номеров каналов приема, значений калибровочных частот и азимутально-угломестных направлений базу калибровочных данных по поверхностным и ионосферным волнам.The technical result is achieved by the fact that in the method of calibrating the direction finder-ranging, including irradiating the antenna array of the direction finder on the set of calibration frequencies and azimuthal directions with a vertical polarized signal, according to the invention, an irradiated spectrum signal is used when irradiating, synchronously and coherently receive an irradiating signal at each calibration frequency by each channel of the antenna array, synchronously convert and store the signals received by each channel into digital form, from digital signals output they compress the compressed signals of the individual rays of the received signal, by which they form a database of calibration data for surface and ionospheric waves for all combinations of reception channel numbers, calibration frequency values and azimuth-elevation directions.

Возможны частные случаи осуществления способа:Particular cases of the method are possible:

1. При облучении используют импульсный одночастотный псевдослучайный сигнал, а выделение сигналов отдельных лучей и формирование калибровочных данных осуществляют путем формирования и запоминания зависящих от временного сдвига τ комплексных корреляционных функций (КФВ)

между принятым каждой n-й антенной решетки цифровым сигналом и опорным сигналом, синхронизированным с облучающим сигналом, усреднения модулей комплексных КФВ

, определения по максимумам усредненной КФВ

числа лучей в принятом сигнале и фиксации значения задержки по времени τ_i каждого i-го луча, идентификации соответствующих отдельному максимуму усредненной КФВ

составляющих комплексных КФВ

как сжатый по времени сигнал i-го луча, выделения и запоминания в качестве калибровочных данных значений идентифицированных составляющих комплексных КФВ

, вычисления группового пути L_i=τ_iс и угла места

где с - скорость распространения света, где r - радиус Земли, D - расстояние между источником облучающего сигнала и радиопеленгатором, а также, используя координаты источника облучающего сигнала и радиопеленгатора, азимута α_i прихода сигнала i-го луча, запоминания значений азимута α_i, угла места β_i и частоты калибровки f для идентификации в базе калибровочных данных запомненных составляющих комплексных КФВ

.1. When irradiating, a pulsed single-frequency pseudo-random signal is used, and the separation of the signals of individual beams and the formation of calibration data is carried out by generating and storing complex time-dependent complex correlation functions (KFV)

between the digital signal received by each nth antenna array and the reference signal synchronized with the irradiating signal, averaging the integrated KFV modules

definitions by the maxima of the average KFV

the number of rays in the received signal and fixing the time delay value τ _{i of} each i-th beam, identifying the corresponding individual maximum of the average KFV

components of complex KFV

as a time-compressed signal of the i-th beam, highlighting and storing as calibration data the values of the identified components of complex KFV

calculating the group path L _i = τ _i s and elevation

where c is the speed of light propagation, where r is the radius of the Earth, D is the distance between the source of the irradiating signal and the direction finder, and also, using the coordinates of the source of the irradiating signal and the direction finder, azimuth α _{i of the} arrival of the signal of the ith beam, storing the azimuth α _i , elevation angle β _i and calibration frequency f for identification in the database of calibration data of the stored components of the integrated KFV

.

Это повышает выходное отношение сигнал/помеха и, как следствие, обеспечивает повышение точности калибровки в условиях однолучевого (при формировании сегмента поверхностных волн) и многолучевого (при формировании сегмента ионосферных волн) распространения радиоволн.This increases the output signal-to-noise ratio and, as a result, provides an increase in calibration accuracy under conditions of single-beam (during the formation of a segment of surface waves) and multi-beam (during the formation of a segment of ionospheric waves) propagation of radio waves.

2. При облучении также используют непрерывный линейно-частотно-модулированный (ЛЧМ) радиосигнал, а выделение сигналов отдельных лучей и формирование калибровочных данных осуществляют путем формирования и запоминания зависящих от частотного сдвига ω комплексных корреляционных функций (КФЧ)

между принятым каждой n-й антенной решетки цифровым сигналом и опорным сигналом, синхронизированным с облучающим сигналом, усреднения модулей комплексных КФЧ

определения по максимумам усредненной КФЧ

числа лучей в принятом сигнале и фиксации значения частотного сдвига ω_i каждого i-го луча, идентификации соответствующих отдельному максимуму усредненной КФЧ

составляющих комплексных КФЧ

как сжатый по спектру сигнал i-го луча, выделения и запоминания в качестве калибровочных данных значений идентифицированных составляющих комплексных КФЧ

, вычисления времени задержки сигнала луча τ_i=ω_i/ν, где ν - скорость изменения частоты облучающего сигнала, а также группового пути L_i и угла места β_i и азимута α_i прихода сигнала i-го луча, запоминания значений азимута α_i, угла места β_i и частоты калибровки f для идентификации в базе калибровочных данных запомненных составляющих комплексных КФЧ

.2. During irradiation, a continuous linear-frequency-modulated (LFM) radio signal is also used, and the separation of the signals of individual beams and the formation of calibration data is carried out by forming and storing complex correlation functions (KPF) dependent on the frequency shift ω

between the digital signal received by each nth antenna array and the reference signal synchronized with the irradiating signal, averaging the integrated KPH modules

determination by the maximums of the averaged KPF

the number of rays in the received signal and fixing the value of the frequency shift ω _{i of} each i-th beam, identifying the corresponding individual maximum of the averaged KPF

constituents of complex CPF

as a spectrum-squeezed signal of the i-th beam, highlighting and storing, as calibration data, the values of the identified components of complex CPFs

calculating the delay time of the beam signal τ _i = ω _i / ν, where ν is the rate of change of the frequency of the irradiating signal, as well as the group path L _i and elevation angle β _i and azimuth α _{i of the} arrival of the signal of the i-th beam, storing the azimuth values α _i , elevation angle β _i and calibration frequency f for identification in the database of calibration data of the stored components of complex KPH

.

Это также повышает точность калибровки благодаря дополнительному приросту выходного отношения сигнал/помеха за счет использования синхронизированной по времени перестройки в широкой полосе частот узкополосного облучающего сигнала и узкой полосы приема в радиопеленгаторе. Кроме того, это обеспечивает возможность получения калибровочной информации на любой частоте за счет непрерывности облучающего сигнала по частоте и времени.It also improves calibration accuracy due to an additional increase in the output signal-to-noise ratio due to the use of time-synchronized tuning in a wide frequency band of a narrow-band irradiating signal and a narrow reception band in a direction finder. In addition, this provides the opportunity to obtain calibration information at any frequency due to the continuity of the irradiating signal in frequency and time.

Отметим, что применение в предложенном способе операций усреднения модулей комплексных КФВ и КФЧ, полученных по сигналам отдельных антенн решетки, существенно (пропорционально корню из числа антенн решетки N, которое на практике изменяется от 5 до 64 и более) повышает точность определения числа лучей, значений задержек τ_i и, как следствие, углов места β_i каждого i-го луча. Такое усреднение возможно в связи с тем, что задержка сигнала между двумя максимально удаленными, как правило не более чем 300 м, антеннами решетки пренебрежимо мала по сравнению с задержкой между лучами.Note that the use in the proposed method of averaging the integrated KFV and KPH modules obtained from the signals of individual array antennas significantly (proportional to the root of the number of array antennas N, which in practice varies from 5 to 64 or more) increases the accuracy of determining the number of rays, values delays τ _i and, as a consequence, elevation angles β _{i of} each i-th ray. Such averaging is possible due to the fact that the signal delay between two maximally distant, usually no more than 300 m, array antennas is negligible compared to the delay between the beams.

Предложенный способ, в отличие от прототипа, не использует модельные данные, ограничивающие потенциально достижимую точность калибровки, и основан на высокоэффективном преобразовании реальных однолучевых и многолучевых сигналов, принимаемых реальным радиопеленгатором. В условиях однолучевого распространения радиоволн повышение точности достигается за счет существенного повышения (в 10⁴-10⁵ раз в зависимости от базы облучающего сигнала) выходного отношения сигнал/помеха путем сжатия облучающего сигнала при приеме. В условиях многолучевого распространения радиоволн повышение точности калибровки еще существеннее благодаря дополнительному устранению взаимных интерференционных помех между сигналами отдельных лучей за счет повышения угловой разрешающей способности при приеме.The proposed method, unlike the prototype, does not use model data limiting the potentially achievable calibration accuracy, and is based on a highly efficient conversion of real single-beam and multi-beam signals received by a real direction finder. In the conditions of single-beam propagation of radio waves, an increase in accuracy is achieved due to a substantial increase (10 ⁴ -10 ⁵ times depending on the base of the irradiating signal) of the output signal-to-noise ratio by compressing the irradiating signal during reception. In conditions of multipath propagation of radio waves, an increase in calibration accuracy is even more significant due to the additional elimination of mutual interference interference between the signals of individual beams due to an increase in the angular resolution at reception.

Таким образом, за счет дополнительной информации, получаемой в результате применения сигнала с расширенным спектром и операций его сжатия при калибровке реального пеленгатора, удается решить поставленную задачу с достижением указанного технического результата.Thus, due to the additional information obtained as a result of applying the extended-spectrum signal and its compression operations when calibrating a real direction finder, it is possible to solve the problem with the achievement of the specified technical result.

Предложенный способ может быть реализован при калибровке стационарных и мобильных радиопеленгаторов. В первом случае источник облучающего сигнала перемещается вокруг стационарного радиопеленгатора, а во втором случае используется специально организованное или естественное перемещение мобильного радиопеленгатора.The proposed method can be implemented when calibrating stationary and mobile direction finders. In the first case, the source of the irradiating signal moves around a stationary radio direction finder, and in the second case, specially organized or natural movement of the mobile radio direction finder is used.

Рассмотрим указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения на примере калибровки радиопеленгатора-дальномера, установленного на корабле. В ходе естественного перемещения корабля в каждой точке пространства будут получены данные калибровки только по одному азимутальному направлению. Более эффективным с точки зрения сокращения времени формирования базы калибровочных данных является вариант калибровки в режиме циркуляции корабля по азимуту в выбранной точке калибровки на линии курса корабля, который используется при дальнейшем описании устройства.Consider these advantages, as well as the features of the present invention on the example of the calibration of the direction finder mounted on the ship. During the natural movement of the ship at each point in space, calibration data will be obtained in only one azimuthal direction. More effective from the point of view of reducing the time of formation of the calibration database is the calibration option in the mode of circulation of the ship in azimuth at the selected calibration point on the line of the ship’s course, which is used in the further description of the device.

Операции способа поясняются чертежами:The operation of the method is illustrated by drawings:

Фиг.1. Структурная схема устройства, реализующего предложенный способ калибровки.Figure 1. Block diagram of a device that implements the proposed calibration method.

Фиг.2. Схема калибровки корабельного радиопеленгатора-дальномера.Figure 2. Calibration scheme for ship range finder.

Фиг.3. Усредненная корреляционная функция, зависящая от временного сдвига, для случая двухлучевого ионосферного сигнала.Figure 3. The averaged correlation function, depending on the time shift, for the case of a two-beam ionospheric signal.

Фиг.4. Усредненная корреляционная функция, зависящая от частотного сдвига, для случая двухлучевого ионосферного сигнала.Figure 4. The averaged correlation function, depending on the frequency shift, for the case of a two-beam ionospheric signal.

Устройство, в котором реализуется предложенный способ, содержит последовательно соединенные антенную решетку из N антенных элементов 1, N-канальное радиоприемное устройство (РПУ) 2, N - канальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3, формирователь базы калибровочных данных 4, а также радиопередатчик 5, соединенный со вторыми входами преобразователя частоты 2 и АЦП 3. Второй вход формирователя базы калибровочных данных 4 предназначен для получения информации о собственных координатах и курсе корабля, на котором установлен радиопеленгатор, а выход формирователя 4 - для выдачи команд в систему управления курсом корабля.A device that implements the proposed method contains a series-connected antenna array of N antenna elements 1, an N-channel radio receiving device (RPU) 2, N is a channel analog-to-digital converter (ADC) 3, a calibration data generator 4, and a radio transmitter 5, connected to the second inputs of the frequency converter 2 and the ADC 3. The second input of the shaper of the calibration data base 4 is intended to obtain information about the own coordinates and course of the ship on which the direction finder is installed, and the output of the shaper 4 is for issuing commands to the ship heading control system.

Элементы решетки 1 представляют собой рамочные антенны, нерегулярно распределенные по корпусу корабля.The elements of the array 1 are frame antennas, irregularly distributed over the hull of the ship.

РПУ 2 выполнено с общим гетеродином и с полосой пропускания каждого канала, соответствующей мгновенной ширине спектра сигнала радиопередатчика. Общий гетеродин обеспечивает многоканальный когерентный прием сигналов на частоте калибровки, что является основным условием интерферометрической (топографической) регистрации комплексных сигналов передатчика. Кроме того, частота и фаза гетеродина синхронизирована с параметрами сигнала радиопередатчика, что является основным условием возможности сжатия принятого сложного сигнала во времени или по частоте. Возможен вариант построения РПУ 2 по принципу приемника прямого усиления. При этом каналы РПУ 2 выполняют функцию предварительной фильтрации принимаемого сигнала по частоте и функцию усиления отфильтрованного сигнала до уровня согласованного с входным диапазоном уровней АЦП, окончательная фильтрация выполняется в цифровой форме в формирователе базы 4.RPU 2 is made with a common local oscillator and with a bandwidth of each channel corresponding to the instantaneous width of the spectrum of the signal of the radio transmitter. A common local oscillator provides multi-channel coherent reception of signals at a calibration frequency, which is the main condition for interferometric (topographic) registration of complex transmitter signals. In addition, the frequency and phase of the local oscillator are synchronized with the parameters of the signal of the radio transmitter, which is the main condition for the possibility of compressing the received complex signal in time or frequency. A variant of building RPU 2 according to the principle of a direct gain receiver is possible. In this case, the RPU 2 channels perform the function of pre-filtering the received signal by frequency and the function of amplifying the filtered signal to a level consistent with the input range of ADC levels, the final filtering is performed digitally in the database shaper 4.

Формирователь базы 4 представляет собой многопроцессорное вычислительное устройство, что повышает быстродействие при преобразовании сигналов принимаемых N-элементной антенной решеткой.Shaper base 4 is a multiprocessor computing device, which improves performance when converting signals received by the N-element antenna array.

Радиопередатчик 5 выполнен в стационарном варианте. Возможно применение мобильного варианта радиопередатчика 5, что может придать дополнительную гибкость процессу калибровки. Синхронизация радиопередатчика 5, РПУ 2 и АЦП 3 может быть обеспечена с использованием стандартных приемников системы GPS, а также по радиоканалам спутниковой или ДКМВ связи.The radio transmitter 5 is made in a stationary version. It is possible to use a mobile version of the radio transmitter 5, which can give additional flexibility to the calibration process. Synchronization of the radio transmitter 5, RPU 2 and ADC 3 can be achieved using standard GPS receivers, as well as via satellite or DKMV radio channels.

Способ калибровки радиопеленгатора-дальномера осуществляется следующим образом.The calibration method of the direction finder-range finder is as follows.

Радиопередатчик Р (фиг.2) обеспечивает облучение антенной решетки корабельного пеленгатора на множестве калибровочных частот и азимутальных направлений сигналом с расширенным спектром и вертикальной поляризацией.The radio transmitter P (figure 2) provides irradiation of the antenna array of the ship direction finder at a variety of calibration frequencies and azimuthal directions with a spread spectrum signal and vertical polarization.

Это обеспечивается, например, как отмечалось ранее, фиксацией пространственных координат собственного радиопередатчика Р или выбором любого стационарного радиопередатчика с известными координатами, излучающего требуемый вид сложного сигнала, и циркуляцией корабля в точках t₁ или t₂ (фиг.2). Отметим, что радиосигнал радиопередатчика Р в точки приема на земном геоиде, находящиеся в зоне поверхностных волн, например в точку t₁ (фиг.2), приходит под нулевым углом места (β=0). В точках приема, находящихся в зоне ионосферных волн, например в точке t₂ (фиг.2), радиосигнал радиопередатчика Р в 50-70% случаев наблюдается как многолучевой с очень близкими азимутами, но отличающимися углами места (β₁>0, β₂>0), что открывает возможность одновременного формирования калибровочных данных для нескольких углов места.This is ensured, for example, as noted earlier, by fixing the spatial coordinates of the own radio transmitter P or by choosing any stationary radio transmitter with known coordinates that emits the desired type of complex signal and circulating the ship at points t ₁ or t ₂ (Fig. 2). Note that the radio signal of the radio transmitter P to the receiving points on the Earth’s geoid located in the area of surface waves, for example, to the point t ₁ (Fig. 2), comes at a zero elevation angle (β = 0). At reception points located in the zone of ionospheric waves, for example, at point t ₂ (FIG. 2), the radio signal of the radio transmitter P in 50-70% of cases is observed as multipath with very close azimuths but differing elevation angles (β ₁ > 0, β ₂ > 0), which opens up the possibility of simultaneously generating calibration data for several elevation angles.

Синхронно и когерентно принимается облучающий сигнал на частоте калибровки каждым n-м, n=1...N, каналом антенной решетки. При этом по сигналу синхронизации преобразователь 2 перестраивается на заданную частоту приема. Сигналы радиопередатчика Р, зависящие от времени, принимаются антеннами решетки 1. В РПУ 2 принятый каждой антенной решетки 1 зависящий от времени t сигнал x_n(t) когерентно с сигналами других каналов переносится на более низкую частоту.An irradiating signal is received synchronously and coherently at the calibration frequency by each n-th, n = 1 ... N, channel of the antenna array. In this case, according to the synchronization signal, the converter 2 is tuned to a given reception frequency. The time-dependent radio transmitter signals P are received by the antennas of the array 1. In RPU 2, the time-dependent signal x _n (t) received by each antenna array 1 is transferred coherently with the signals of other channels to a lower frequency.

Синхронно преобразуется с помощью АЦП 3 сформированный в РПУ 2 ансамбль сигналов x_n(t) в ансамбль цифровых сигналов x_n(z). Цифровые сигналы x_n(z) синхронно запоминаются в формирователе 4.Using ADC 3, the ensemble of signals x _n (t) formed in RPU 2 is simultaneously converted into an ensemble of digital signals x _n (z). Digital signals x _n (z) are synchronously stored in the shaper 4.

Кроме того, в формирователе 4 из цифровых сигналов выделяются сжатые сигналы отдельных лучей принятого сигнала, по которым формируется для всех комбинаций номеров каналов приема, значений калибровочных частот и азимутально-угломестных направлений база калибровочных данных по поверхностным и ионосферным волнам.In addition, in shaper 4, compressed signals of individual rays of the received signal are extracted from digital signals, according to which a database of calibration data on surface and ionospheric waves is generated for all combinations of reception channel numbers, calibration frequency values, and azimuth-elevation directions.

При облучении радиопеленгатора-дальномера импульсным одночастотным псевдослучайным радиосигналом в формирователе 4 производится:When irradiating the direction finder-range finder with a pulsed single-frequency pseudo-random radio signal in the shaper 4 is made:

- выделение сигналов отдельных лучей и формирование калибровочных данных путем формирования и запоминания зависящих от временного сдвига τ комплексных корреляционных функций (КФВ)

между принятым каждой n-й антенной решетки цифровым сигналом x_n(z) и опорным сигналом y₀(z), синхронизированным с облучающим сигналом. Комплексная КФВ формируется прямыми вычислениями по формуле

где τ - задержка по времени, Q - длина выборки цифровых сигналов x_n(z) и y₀(z), * - означает комплексное сопряжение, или, что более эффективно, с применением быстрого алгоритма на основе БПФ,- selection of signals of individual beams and the formation of calibration data by forming and storing complex time-dependent complex correlation functions (KFV) dependent on the time shift τ

between the digital signal x _n (z) received by each nth antenna array and the reference signal y ₀ (z) synchronized with the irradiating signal. Complex KFV is formed by direct calculations according to the formula

where τ is the time delay, Q is the sample length of digital signals x _n (z) and y ₀ (z), * - means complex conjugation, or, more efficiently, using a fast FFT-based algorithm,

- усреднение модулей комплексных КФВ по формуле

,- averaging the modules of complex KFV according to the formula

,

- определение по максимумам усредненной КФВ

числа лучей в принятом сигнале и фиксации значения задержки по времени τ_i каждого i-го луча.- determination of the maximums of the average KFV

the number of rays in the received signal and fixing the delay value in time τ _{i of} each i-th beam.

Пример усредненной КФВ

, сформированной для случая двухлучевого ионосферного сигнала, приведен на фиг.3;Example of averaged KFV

formed for the case of a two-beam ionospheric signal is shown in Fig.3;

- идентификация соответствующих отдельному максимуму усредненной КФВ

составляющих комплексных КФВ

как сжатый по времени сигнал i-го луча,- identification of the corresponding average maximum KFV

components of complex KFV

as a time-compressed signal of the i-th beam,

- выделение и запоминание в качестве калибровочных данных значений идентифицированных составляющих комплексных КФВ

,- selection and storing as calibration data of the values of the identified components of complex KFV

,

- вычисление группового пути L_i, угла места β_i и азимута α_i прихода сигнала i-го луча,- calculation of the group path L _i , elevation angle β _i and azimuth α _{i of the} arrival of the signal of the i-th beam,

- запоминание значений азимута α_i, угла места β_i, и частоты калибровки f для идентификации в базе калибровочных данных запомненных составляющих комплексных КФВ

.- storing the azimuth values α _i , elevation angle β _i , and calibration frequency f for identification in the database of calibration data of the stored components of complex CFCs

.

Если при облучении используют непрерывный ЛЧМ радиосигнал, то в формирователе 4 выделяются сигналы отдельных лучей и формируются калибровочные данные следующим образом:If during irradiation a continuous LFM radio signal is used, then in the shaper 4 the signals of individual beams are selected and calibration data is generated as follows:

- формируются и запоминаются зависящие от частотного сдвига ω комплексные корреляционные функции (КФЧ)

между принятым каждой n-й антенной решетки цифровым сигналом х_n(z) и опорным сигналом y₀(z), синхронизированным с облучающим сигналом,- complex correlation functions (KPF) depending on the frequency shift ω are formed and stored

between the digital signal x _n (z) received by each nth antenna array and the reference signal y ₀ (z) synchronized with the irradiating signal,

Комплексные КФЧ могут быть более эффективно вычислены с применением быстрого алгоритма на основе БПФ;Complex CFCs can be more efficiently calculated using a fast FFT-based algorithm;

- усредняются модули комплексных КФЧ по формуле

- averaged the modules of complex KFCH according to the formula

- определяется по максимумам усредненной КФЧ

число лучей в принятом сигнале и фиксируется значение частотного сдвига ω_i каждого i-го луча.- determined by the maxima of the averaged KFCH

the number of rays in the received signal and the value of the frequency shift ω _{i of} each i-th beam is fixed.

Пример усредненной КФЧ

, сформированной для случая двухлучевого ионосферного сигнала, приведен на фиг.4;Example of averaged KPF

formed for the case of a two-beam ionospheric signal is shown in Fig.4;

- идентифицируются соответствующие отдельным максимумам усредненной КФЧ

составляющие комплексных КФЧ

как сжатый по спектру сигнал i-го луча,- identified corresponding to the individual maxima of the averaged KFCH

components of complex KPH

as the spectrum-compressed signal of the i-th beam,

- выделяются и запоминаются в качестве калибровочных данных значения идентифицированных составляющих комплексных КФЧ

,- the values of the identified components of complex CPFs are allocated and stored as calibration data

,

- вычисляется время задержки τ_i, групповой путь L_i, угол места β_i и азимут α_i прихода сигнала i-го луча,- calculates the delay time τ _i , the group path L _i , the elevation angle β _i and the azimuth α _{i of the} arrival of the signal of the i-th beam,

- запоминаются значения азимута α_i, угла места β_i и частоты калибровки f для идентификации в базе калибровочных данных запомненных составляющих комплексных КФЧ

.- the azimuth values α _i , elevation angle β _i and calibration frequency f are stored for identification in the database of calibration data of the stored components of the complex KPH

.

Из приведенного описания следует, что устройство, реализующее предложенный способ, обеспечивает прецизионное формирование поверхностного и ионосферного сегментов базы калибровочных данных. Работа устройства базируется на реальных измерениях, получаемых по реальным сигналам поверхностных и ионосферных волн, принимаемым реальной антенной решеткой, размещенной на реальной подвижной платформе.From the above description it follows that the device that implements the proposed method provides the precision formation of surface and ionospheric segments of the calibration data base. The operation of the device is based on real measurements obtained from real signals of surface and ionospheric waves received by a real antenna array located on a real mobile platform.

Таким образом, предложенный способ обеспечивает повышение эффективности и точности формирования базы калибровочных данных широкого класса стационарных и мобильных радиопеленгаторов-дальномеров за счет дополнительной информации, получаемой в результате применения облучающего сигнала с расширенным спектром и использования операций его сжатия при формировании калибровочных данных в реальных условиях эксплуатации радиопеленгатора. Это повысило помехозащищенность в условиях однолучевого (поверхностные волны) распространения радиоволн и открыло возможность прецизионной калибровки в реальных условиях многолучевого (ионосферные волны) распространения радиоволн без применения модельных данных, ограничивающих потенциально достижимую точность калибровки. Кроме того, это обеспечило возможность прецизионного формирования двухсегментной базы калибровочных данных радиопеленгатора с использованием источника облучения, размещаемого на поверхности земного геоида, и тем самым повысило эффективность калибровки за счет полного исключения затрат на создание моделей.Thus, the proposed method provides an increase in the efficiency and accuracy of the formation of the calibration database of a wide class of stationary and mobile range finders due to the additional information obtained as a result of the use of an irradiating signal with an extended spectrum and the use of its compression operations when generating calibration data in real-world operation of the direction finder . This increased the noise immunity in the conditions of single-beam (surface waves) propagation of radio waves and opened up the possibility of precision calibration in real conditions of multipath (ionospheric waves) propagation of radio waves without the use of model data that limit the potentially achievable calibration accuracy. In addition, this provided the possibility of the precision formation of a two-segment base of calibration data for the radio direction finder using an irradiation source located on the surface of the earth's geoid, and thereby increased the calibration efficiency by completely eliminating the cost of creating models.

Неоспоримым преимуществом предложенного способа является возможность непрерывной коррекции как поверхностного, так и ионосферного сегментов базы калибровочных данных на протяжении всего жизненного цикла широкого класса стационарных и мобильных радиопеленгаторов-дальномеров.The indisputable advantage of the proposed method is the possibility of continuous correction of both the surface and ionospheric segments of the calibration database throughout the life cycle of a wide class of stationary and mobile range finders.

Источники информацииInformation sources

1. US, патент 4992796, кл. G01S 13/48, 1991 г.1. US patent 4992796, cl. G01S 13/48, 1991

2. US, патент 6720911 В2, кл. G01S 7/40, G01S 13/48, 2004 г.2. US patent 6720911 B2, class. G01S 7/40, G01S 13/48, 2004

Claims

1. Способ формирования калибровочных данных для радиопеленгатора-дальномера, заключающийся в том, что облучают антенную решетку радиопеленгатора-дальномера на множестве калибровочных частот и азимутальных направлений сигналом с вертикальной поляризацией, отличающийся тем, что при облучении используют сигнал с расширенным спектром, синхронно и когерентно принимают на частотах калибровки облучающий сигнал каждым каналом антенной решетки, синхронно преобразуют в цифровую форму и запоминают принятый каждым каналом антенной решетки сигнал, из цифровых сигналов выделяют сжатые сигналы отдельных лучей принятых сигналов, по которым формируют для всех комбинаций номеров каналов антенной решетки, значений калибровочных частот и азимутально-угломестных направлений базу калибровочных данных.1. A method of generating calibration data for a range finder direction finder, which consists in irradiating a range finder direction finder antenna array with a plurality of calibration frequencies and azimuthal directions with a vertical polarized signal, characterized in that the irradiated signal is used with a spread spectrum, synchronously and coherently receive at calibration frequencies, the irradiating signal by each channel of the antenna array is synchronously converted to digital form and the signal received by each channel of the antenna array is stored cash, digital signals is isolated from the compressed signals of the individual rays received signals, which are formed for all combinations of the channel numbers of the antenna array, the frequency calibration values and elevation directions azimuthally calibration database.

2. Способ формирования калибровочных данных для радиопеленгатора-дальномера, заключающийся в том, что облучают антенную решетку радиопеленгатора-дальномера на множестве калибровочных частот и азимутальных направлений сигналом с вертикальной поляризацией, отличающийся тем, что при облучении используют импульсный одночастотный псевдослучайный сигнал, а выделение сигналов отдельных лучей и формирование калибровочных данных осуществляют путем формирования и запоминания зависящих от временного сдвига комплексных корреляционных функций (КФВ) между принятым каждым каналом антенной решетки цифровым сигналом и опорным сигналом, синхронизированным с облучающим сигналом, усреднения модулей комплексных КФВ, определения по максимумам усредненной КФВ числа лучей в принятом сигнале и фиксации значения задержки по времени каждого i-го луча, идентификации соответствующих отдельному максимуму усредненной КФВ составляющих комплексных КФВ как сжатый по времени сигнал i-го луча, выделения и запоминания в качестве калибровочных данных значений идентифицированных составляющих комплексных КФВ, вычисления группового пути, угла места и азимута прихода сигнала i-го луча, запоминания значений азимута, угла места и частоты калибровки для идентификации в базе калибровочных данных запомненной составляющей комплексной КФВ.2. A method of generating calibration data for a range finder direction finder, which consists in irradiating a range finder direction finder antenna array with a plurality of calibration frequencies and azimuthal directions with a vertical polarization signal, characterized in that a pulsed single-frequency pseudorandom signal is used for irradiation, and the signals are separated out rays and the formation of calibration data is carried out by forming and storing complex time-dependent complex correlation functions (KFV) between the digital signal received by each channel of the antenna array and the reference signal synchronized with the irradiating signal, averaging the integrated KFV modules, determining from the maxima of the average KFV the number of rays in the received signal and fixing the time delay value of each i-th beam, identifying the corresponding a separate maximum of the averaged KFV of the components of the complex KFV as a time-compressed signal of the i-th beam, highlighting and storing, as calibration data, the values of the identified components to complex KFV, calculation of the group path, elevation angle and azimuth of the arrival of the signal of the i-th beam, storing the azimuth, elevation angle and calibration frequency to identify the stored component of the integrated KFV in the calibration database.

3. Способ формирования калибровочных данных для радиопеленгатора-дальномера, заключающийся в том, что облучают антенную решетку радиопеленгатора-дальномера на множестве калибровочных частот и азимутальных направлений сигналом с вертикальной поляризацией, отличающийся тем, что при облучении используют непрерывный линейно-частотно-модулированный радиосигнал, а выделение сигналов отдельных лучей и формирование калибровочных данных осуществляют путем формирования и запоминания зависящих от частотного сдвига комплексных корреляционных функций (КФЧ) между принятым каждым каналом антенной решетки цифровым сигналом и опорным сигналом, синхронизированным с облучающим сигналом, усреднения модулей комплексных КФЧ, определения по максимумам усредненной КФЧ числа лучей в принятом сигнале и фиксации значения частотного сдвига каждого i-го луча, идентификации соответствующих отдельному максимуму усредненной КФЧ составляющих комплексных КФЧ как сжатый по спектру сигнал i-го луча, выделения и запоминания в качестве калибровочных данных значений идентифицированных составляющих комплексных КФЧ, вычисления времени задержки, группового пути, угла места и азимута прихода сигнала i-го луча, запоминания значений азимута, угла места и частоты калибровки для идентификации в базе калибровочных данных запомненных составляющих комплексных КФЧ.3. A method of generating calibration data for a range finder direction finder, which consists in irradiating a range finder direction finder antenna array with a plurality of calibration frequencies and azimuth directions using a vertical polarized signal, characterized in that a continuous linear frequency-modulated radio signal is used during irradiation, and the extraction of signals of individual beams and the formation of calibration data is carried out by forming and storing complex correlations depending on the frequency shift functions (KPF) between the digital signal received by each channel of the antenna array and the reference signal synchronized with the irradiating signal, averaging the integrated KPF modules, determining the maximum number of rays in the received signal from the maximum KPF and fixing the value of the frequency shift of each ith beam, identifying the corresponding the individual maximum of the averaged KPF of the components of the complex KPHs as a spectrum-compressed signal of the i-th beam, highlighting and storing the values of the identified components as calibration data KFCH constituent complex, delay time computation, the path group, the elevation and azimuth signal arrival i-th path, storing the values of the azimuth, elevation and calibration frequencies for identification in the database of calibration data stored KFCH complex components.