[go: up one dir, main page]

RU2758979C1 - Способ автоматического измерения параметров диаграммы направленности антенны в дальней зоне методом облета с помощью бла - Google Patents

Способ автоматического измерения параметров диаграммы направленности антенны в дальней зоне методом облета с помощью бла Download PDF

Info

Publication number
RU2758979C1
RU2758979C1 RU2021109033A RU2021109033A RU2758979C1 RU 2758979 C1 RU2758979 C1 RU 2758979C1 RU 2021109033 A RU2021109033 A RU 2021109033A RU 2021109033 A RU2021109033 A RU 2021109033A RU 2758979 C1 RU2758979 C1 RU 2758979C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
antenna
under study
elevation
uav
values
Prior art date
Application number
RU2021109033A
Other languages
English (en)
Inventor
Сергей Васильевич БУЦЕВ
Сергей Павиласович Линкевичюс
Андрей Константинович Морозов
Иван Александрович Руденок
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-производственный центр Тверских военных пенсионеров" (АО "НПЦ ТВП")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Научно-производственный центр Тверских военных пенсионеров" (АО "НПЦ ТВП") filed Critical Акционерное общество "Научно-производственный центр Тверских военных пенсионеров" (АО "НПЦ ТВП")
Priority to RU2021109033A priority Critical patent/RU2758979C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2758979C1 publication Critical patent/RU2758979C1/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R29/00—Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
    • G01R29/08—Measuring electromagnetic field characteristics
    • G01R29/10—Radiation diagrams of antennas
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/87—Combinations of radar systems, e.g. primary radar and secondary radar
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

Изобретение относится к технике антенных измерений и может быть использовано для измерения параметров диаграммы направленности (ДН) антенны методом ее облета. Сущность заявленного решения заключается в том, что при реализации осуществляют согласованную фильтрацию используемых сигналов, их временную селекцию, нормировку мощности и пороговую обработку, а также вычисляют двумерную взаимную корреляционную функцию (ДВКФ) поверхности, образованной в трехмерном пространстве значениями мощности превысивших порог сигналов, и шаблоном, образованным в трехмерном пространстве значениями модуля априорно заданной ДН исследуемой антенны. Для повышения точности значения ДВКФ сглаживают методом наименьших квадратов. Также вычисляют двумерную автокорреляционную функцию (ДАКФ) шаблона. По максимуму ДВКФ определяют направление, а по соотношению сечений ДВКФ и ДАКФ - ширину главных сечений ГЛ ДН исследуемой антенны. Расчеты итерационно повторяют, начиная с расчета ДВКФ, до достижения требуемой точности. При этом в качестве априорно заданных параметров ГЛ ДН для новой итерации берут значения, полученные в текущей итерации. В результате обеспечивается повышение точности антенных измерений, сокращение времени измерения технических характеристик антенн и уменьшение стоимости их исследования. Техническим результатом при реализации заявленного решения является повышение точности (качества) измерения параметров главного лепестка (ГЛ) ДН антенны. 12 ил.

Description

1. Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к технике антенных измерений и может быть использовано для исследования узконаправленных диаграмм направленности (ДН) антенн методом облета.
2. Уровень техники
Известен способ измерения ДН диапазонной антенны, включающий излучение сигнала на каждой частоте рабочего диапазона с борта летательного аппарата, перемещающегося в дальней зоне исследуемой антенны по заданной траектории [Способ измерения диаграммы направленности диапазонной антенны: А.С. СССР, SU 1804627 A3, G01R 29/10, 1993 г.].
Известен способ измерения ДН, основанный на облете в дальней зоне исследуемой антенны с помощью пилотируемых и непилотируемых летательных аппаратов, оборудованных соответствующей измерительной аппаратурой [Методы измерения характеристик антенн СВЧ / Л.Н. Захарьев, А.А. Леманский, В.И. Турчин и др.; Под ред. Н.М. Цейтлина. М.: Радио и связь, 1985, стр. 128-135].
Известен способ, основанный на использовании бортового источника излучений, перемещаемого в пространстве относительно исследуемой антенны с помощью летательного аппарата, наземной опорной антенны, работающей на частоте исследуемой антенны, средств измерения координат летательного аппарата и включающий в себя излучение измерительных сигналов бортовым источником, прием излученных сигналов исследуемой антенной и опорной антенной, измерение отношения амплитуд принятых измерительного и опорного сигналов, измерение текущих угловых координат летательного аппарата, ориентирование оси опорной антенны на летательный аппарат в процессе измерений [Страхов А.Ф. Автоматизированные антенные измерения. - М.: Радио и связь, 1985, стр. 73-75].
Общим недостаткам вышеперечисленных способов является низкая точность измерения параметров главного лепестка (ГЛ) ДН.
Наиболее близким решением к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа способ измерения параметров направленности антенны с помощью беспилотного летательного аппарата (БПЛА) (далее по тексту БЛА) методом облета [Способ измерения параметров направленности антенны с помощью БПЛА методом облета: пат. РФ, RU 2626561 C1, G01R 29/10, 28.07.2017 г.]. При реализации способа БЛА, оборудованный кроме прочего и приемником спутниковой навигационной системы, совершает облет исследуемой антенны в дальней зоне. При измерении параметров направленности антенны в режиме передачи сигналы, излучаемые исследуемой антенной, принимают бортовой антенной, подвергают полосовой фильтрации, измеряют их мощность и вместе с текущими временем и координатами БЛА записывают в бортовой накопитель информации. При измерении параметров направленности антенны в режиме приема сигналы излучают бортовой антенной, принимают исследуемой антенной, обрабатывают в приемном измерительном устройстве и подают в ЭВМ, а на борту БЛА в бортовой накопитель информации записывают текущие время и координаты. После окончания полета осуществляют взаимную привязку сигналов с временем и координатами БЛА. Для повышения точности измерений амплитуды сигналов и построения ДН в результат измерений вносятся поправки на основе данных о положении БЛА относительно исследуемой антенны в момент измерений и априорно известной ДН бортовой антенны.
Однако существуют случайные факторы, которые снижают точность измерений данным способом параметров направленности антенны с помощью БЛА, а именно: наличие шумового фона при осуществлении измерений параметров направленности антенны; погрешность измерительных приборов; ошибки позиционирования БЛА при проведении измерений.
В связи с этим недостатком выбранного в качестве прототипа способа является низкая точность измерения параметров ГЛ ДН из-за недостаточного учета случайных факторов, влияющих на результаты измерений.
3. Раскрытие изобретения
Задачей изобретения, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка нового способа, обеспечивающего получение следующего технического результата: повышение точности измерения параметров ГЛ ДН антенны, сокращение времени их измерения и как следствие уменьшение стоимости исследования.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат при использовании изобретения достигается тем, что в способе измерения параметров направленности антенны с помощью БЛА методом облета, заключающемся в том, что в режиме передачи сигналы, излучаемые исследуемой антенной, принимают на борту БЛА и подвергают полосовой фильтрации, а в режиме приема сигналы, излучаемые с борта БЛА, принимают исследуемой антенной, дополнительно БЛА совершает облет ограниченного углового сектора, центр которого соответствует априорно заданному направлению максимума неподвижной ДН исследуемой антенны, и в режиме передачи исследуемой антенны сигналы, принятые на борту БЛА, при необходимости ослабляют, разделяют на квадратурные составляющие, оцифровывают в цифровом приемнике и записывают оцифрованные сигналы вместе с временем их приема и текущими геодезическими координатами БЛА в бортовой цифровой накопитель, подключенный к бортовому вычислителю, рассчитывающему ДН в режиме передачи сигналов исследуемой антенной, а в режиме приема исследуемой антенны сигналы, излученные с борта БЛА, и принятые данной антенной, усиливают, разделяют на квадратурные составляющие, оцифровывают в цифровом приемнике и записывают оцифрованные сигналы вместе с временем их приема в наземный цифровой накопитель, подключенный к наземному вычислителю, рассчитывающему ДН в режиме приема сигналов исследуемой антенной, причем время излучения сигналов с борта БЛА, а также его геодезические координаты на это время записывают в бортовой цифровой накопитель, а после окончания полета бортовой цифровой накопитель подключают к наземному вычислителю для расчета ДН в режиме приема сигналов исследуемой антенны, осуществляют временную привязку сигналов, принятых исследуемой антенной в режиме приема, и геодезических координат БЛА на момент их излучения, и затем выполняют одинаковые операции как при расчете ДН исследуемой антенны на прием, осуществляемые в наземном вычислителе, так и при расчете ее ДН на передачу, осуществляемые в бортовом вычислителе, а именно: пересчитывают геодезические координаты БЛА, соответствующие времени излучения или приема этих сигналов, в сферическую систему координат, центр которой совпадает с фазовым центром исследуемой антенны, осуществляют согласованную фильтрацию записанных в соответствующем цифровом накопителе сигналов, осуществляют их детектирование и временную селекцию, нормируют их мощность в зависимости от дальности, на которой находился БЛА в момент их излучения или приема, сравнивают с пороговым уровнем, отбирая при этом для дальнейшей обработки те сигналы, которые были получены при нахождении БЛА в ГЛ ДН исследуемой антенны, вычисляют двумерную взаимную корреляционную функцию (ДВКФ) поверхности, образованной в трехмерном пространстве значениями мощности превысивших пороговый уровень сигналов и соответствующими им значениями азимута и угла места, и шаблона, образованного в трехмерном пространстве значениями модуля априорно заданной ДН исследуемой антенны в пределах ее ГЛ по уровню половинной мощности и соответствующими им значениями азимута и угла места, находят значения азимута и угла места, при которых ДВКФ максимальна, формируют и сглаживают азимутальным полиномом выборку из значений ДВКФ, взятых по азимуту ее максимума, формируют и сглаживают угломестным полиномом выборку из значений ДВКФ, взятых по углу места ее максимума, определяют азимут и угол места направления ГЛ ДН исследуемой антенны как азимут максимума азимутального полинома и угол места максимума угломестного полинома соответственно, рассчитывают значения азимутального и угломестного сечений двумерной автокорреляционной функции (ДАКФ) поверхности, являющейся шаблоном и образованной в трехмерном пространстве значениями модуля априорно заданной ДН исследуемой антенны и соответствующими им значениями азимута и угла места, рассчитывают коэффициенты согласованности размеров соответствующих сечений ДВКФ и ДАКФ и определяют размеры азимутального и угломестного сечений ГЛ ДН исследуемой антенны по уровню половинной мощности как произведения ширины соответствующих сечений ГЛ априорно заданной ДН исследуемой антенны по уровню половинной мощности на соответствующие коэффициенты согласованности размеров соответствующих сечений ДВКФ и ДАКФ, а если рассчитанные значения направления ГЛ ДН исследуемой антенны и ширины его соответствующих сечений по уровню половинной мощности не соответствует априорно заданным значениям на величину относительной ошибки более установленной, то осуществляют новую итерацию расчетов, начиная с расчета ДВКФ, предварительно взяв в качестве априорно заданных значений - значения направления ГЛ ДН исследуемой антенны и ширины его соответствующих сечений по уровню половинной мощности, полученные в результате выполнения последней итерации расчетов, причем расчеты прекращают, когда все относительные ошибки измерения соответствующих параметров ГЛ ДН исследуемой антенны становятся менее заданной величины или знаки разницы между соответствующими заданными и измеренными значениями этих параметров в текущей итерации вычислений меняются на противоположные по сравнению с предыдущей итерацией.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предложенный способ обладает другими существенными, новыми отличительными от прототипа признаками. Новыми отличительными признаками заявляемого способа являются:
- согласованная фильтрация принятых сигналов;
- временная селекция принятых сигналов;
- нормировка мощности принятых сигналов в зависимости от дальности, на которой находился БЛА в момент их излучения или приема;
- сравнение нормированных сигналов с порогом и отбор для дальнейшей обработки только тех сигналов, которые были получены при нахождении БЛА в ГЛ ДН исследуемой антенны;
- вычисление ДВКФ поверхности, образованной в трехмерном пространстве значениями мощности превысивших пороговый уровень сигналов и соответствующими им значениями азимута и угла места, и шаблона, образованного в трехмерном пространстве значениями модуля априорно заданной ДН исследуемой антенны в пределах ее ГЛ по уровню половинной мощности и соответствующими им значениями азимута и угла места, определение значений азимута и угла места, при которых ДВКФ максимальна, формирование и сглаживание азимутальным полиномом выборки из значений ДВКФ, взятых по азимуту ее максимума, формирование и сглаживание угломестным полиномом выборки из значений ДВКФ, взятых по углу места ее максимума, определение азимута и угла места направления ГЛ ДН исследуемой антенны как азимута максимума азимутального полинома и угла места максимума угломестного полинома соответственно;
- расчет ДАКФ поверхности, являющейся шаблоном и образованной в трехмерном пространстве значениями модуля априорно заданной ДН исследуемой антенны и соответствующими им значениями азимута и угла места, расчет коэффициентов согласованности размеров соответствующих сечений ДВКФ и ДАКФ и определение размеров азимутального и угломестного сечений ГЛ ДН исследуемой антенны по уровню половинной мощности как произведений ширины соответствующих сечений ГЛ априорно заданной ДН исследуемой антенны по уровню половинной мощности на соответствующие коэффициенты согласованности размеров соответствующих сечений ДВКФ и ДАКФ;
- проведение новой итерации расчетов, если полученные значения направления ГЛ ДН исследуемой антенны и ширины его соответствующих сечений по уровню половинной мощности не соответствует априорно заданным значениям на величину относительной ошибки более установленной, начиная с расчета ДВКФ, предварительно взяв в качестве априорно заданных значений значения направления ГЛ ДН исследуемой антенны и ширины его соответствующих сечений по уровню половинной мощности, полученные в результате выполнения последней итерации расчетов, причем расчеты прекращаются, когда все относительные ошибки измерения соответствующих параметров ГЛ ДН исследуемой антенны становятся менее заданной величины или знаки разницы между соответствующими заданными и измеренными значениями этих параметров в текущей итерации вычислений меняются на противоположные по сравнению с предыдущей итерацией.
Отличительные признаки являются существенными, так как каждый из них необходим, а все вместе достаточны для достижения поставленной задачи изобретения, на решение которой направлено заявляемое изобретение.
4. Пояснения к графическим материалам
На фиг. 1 приведена схема устройства, которое может быть использовано для измерения параметров ГЛ ДН исследуемой антенны на передачу. Устройство содержит исследуемую антенну 1, передающее устройство 2, бортовой вычислитель 3, БЛА 4, бортовую антенну 5, аттенюатор 6, цифровой приемник 7, бортовой цифровой накопитель 8, антенну спутниковой навигационной системы 9 и приемник спутниковой навигационной системы 10. При этом на земле выход передающего устройства 2 является входом исследуемой антенны 1 связанной по радиоканалу с бортовой антенной 5 БЛА 4, а на борту БЛА 4 бортовая антенна 5, аттенюатор 6 и цифровой приемник 7 соединены последовательно, выход цифрового приемника 7 соединен с первым входом бортового цифрового накопителя 8, антенна спутниковой навигационной системы 9 соединена с входом приемника спутниковой навигационной системы 10, выход которого подключен к второму входу бортового цифрового накопителя 8, выход которого является входом бортового вычислителя 3.
На фиг. 2 приведена схема устройства, которое может быть использовано для измерения параметров ГЛ ДН исследуемой антенны на прием. Устройство содержит исследуемую антенну 1, БЛА 4, бортовую антенну 5, бортовой цифровой накопитель 8, антенну спутниковой навигационной системы 9, приемник спутниковой навигационной системы 10, бортовой генератор 11, цифровой приемник 12, наземный цифровой накопитель 13, антенну спутниковой навигационной системы 14, приемник спутниковой навигационной системы 15 и наземный вычислитель 16. При этом на земле выход исследуемой антенны 1 соединен с входом цифрового приемника 12, выход которого подключен к первому входу наземного цифрового накопителя 13, антенна спутниковой навигационной системы 14 соединена с входом приемника спутниковой навигационной системы 15, выход которого подключен к второму входу наземного цифрового накопителя 13, выход которого является входом наземного вычислителя 16, а на борту БЛА 4 бортовая антенна 5, связанная по радиоканалу с исследуемой антенной 1, подключена к выходу бортового генератора 11, антенна спутниковой навигационной системы 9 соединена с входом приемника спутниковой навигационной системы 10, выход которого подключен к входу бортового цифрового накопителя 8.
На фиг. 3 поясняются перемещения шаблона в пределах углов сектора облета при вычислении значений ДВКФ.
На фиг. 4 поясняются процесс расчета значений ДАКФ.
На фиг. 5 поясняется связь азимута Az и угла места В сферической системы координат и углов θ и ϕ вспомогательной сферической системы координат, используемой при расчете шаблона.
На фиг. 6 проиллюстрирован результат расчета априорно заданной ДН антенной решетки размером 32×32 элементов в предположении, что максимум ГЛ ДН направлен по нормали к антенному полотну
Figure 00000001
На фиг. 7 проиллюстрирован результат расчета значений мощностей принятых сигналов Рп с учетом воздействия шумового фона, ошибок позиционирования и погрешностей измерения мощности. Расчет был проведен при априорно заданной ДН антенной решетки размером 32×32 элементов в предположении, что максимум ГЛ ДН направлен по нормали к антенному полотну
Figure 00000002
На фиг. 8 проиллюстрирован шаблон, рассчитанный по ГЛ антенной решетки размером 32×32 элемента.
На фиг. 9 проиллюстрирован результат расчета нормированной ДВКФ в предположении, что антенная решетка размером 32×32 элемента, а максимум ДН направлен по нормали к антенному полотну
Figure 00000003
На фиг. 10 проиллюстрирован результат расчета значений мощностей принятых сигналов Рn с учетом воздействия шумового фона, ошибок позиционирования и погрешностей измерения мощности. Расчет был проведен для реальной антенной решетки размером 20×20 элементов при том, что максимум ГЛ ее ДН смещен от нормали к антенному полотну по азимуту на -2°, а по углу места на 3°.
На фиг. 11 проиллюстрирован результат расчета ДВКФ после первой итерации, когда реальная ДН была сформирована антенной решеткой размером 20×20 элементов, ГЛ ДН которой смещен от нормали к антенному полотну по азимуту на -2° и по углу места на 3°, а шаблон был рассчитан по априорно заданной ДН антенной решетки размером 32×32 элемента, ГЛ ДН которой направлен по нормали.
На фиг. 12 иллюстрируется результат расчета шаблона перед второй итерацией.
5. Осуществление изобретения
БЛА совершает облет ограниченного углового сектора, центр которого соответствует априорно заданному направлению максимума неподвижной ДН исследуемой антенны.
В режиме измерения параметров ГЛ ДН на передачу (фиг. 1) сигналы, излучаемые исследуемой антенной 1, принимают на борту БЛА 4 бортовой антенной 5, ослабляют аттенюатором 6, осуществляют их полосовую фильтрацию, разделяют на квадратурные составляющие и оцифровывают в цифровом приемнике 7 и записывают оцифрованные сигналы вместе с временем их приема в бортовой цифровой накопитель 8 подключенный к бортовому вычислителю 3, рассчитывающему ДН в режиме передачи сигналов исследуемой антенной. Полученные посредством антенны спутниковой навигационной системы 9 и приемника спутниковой навигационной системы 10 текущие геодезические координаты БЛА 4 вместе с временем также записывают в бортовой цифровой накопитель 8.
В режиме измерения параметров ГЛ ДН на прием (фиг. 2) сигналы, формируемые бортовым генератором 11, излучают бортовой антенной 5 с борта БЛА 4 и принимают исследуемой антенной 1, осуществляют их полосовую фильтрацию, разделяют на квадратурные составляющие, оцифровывают в цифровом приемнике 12 и записывают оцифрованные сигналы в наземный цифровой накопитель 13. Время приема этих сигналов, полученное посредством антенны спутниковой навигационной системы 14 и приемника спутниковой навигационной системы 15, также записывают в наземный цифровой накопитель 13, подключенный к наземному вычислителю 16, рассчитывающему ДН в режиме приема сигналов исследуемой антенной. Причем время излучения сигналов с борта БЛА 4, а также его геодезические координаты на это время, полученные посредством антенны спутниковой навигационной системы 9 и приемника спутниковой навигационной системы 10, записывают в бортовой цифровой накопитель 8.
После окончания полета бортовой цифровой накопитель 8 подключают к наземному вычислителю 16 для расчета ДН в режиме приема сигналов исследуемой антенны, осуществляют временную привязку сигналов, принятых исследуемой антенной 1 в режиме приема, и геодезических координат БЛА 4 на момент их излучения, и затем выполняют одинаковые операции как при расчете ДН исследуемой антенны 1 на прием, осуществляемые в наземном вычислителе 16, так и при расчете ее ДН на передачу, осуществляемые в бортовом вычислителе 3, а именно: пересчитывают геодезические координаты БЛА, соответствующие времени излучения или приема этих сигналов, в сферическую систему координат, центр которой совпадает с фазовым центром исследуемой антенны, осуществляют согласованную фильтрацию записанных в соответствующем цифровом накопителе сигналов, осуществляют их детектирование и временную селекцию, нормируют их мощность в зависимости от дальности, на которой находился БЛА в момент их излучения или приема, сравнивают с пороговым уровнем, отбирая при этом для дальнейшей обработки те сигналы, которые были получены при нахождении БЛА в ГЛ ДН исследуемой антенны, вычисляют ДВКФ поверхности, образованной в трехмерном пространстве значениями мощности превысивших пороговый уровень сигналов и соответствующими им значениями азимута и угла места, и шаблона, образованного в трехмерном пространстве значениями модуля априорно заданной ДН исследуемой антенны в пределах ее ГЛ по уровню половинной мощности и соответствующими им значениями азимута и угла места, а затем находят значения азимута и угла места, при которых ДВКФ максимальна, определяют азимут направления максимума ГЛ ДН исследуемой антенны и угол места направления максимума ГЛ ДН исследуемой антенны, рассчитывают ДАКФ поверхности, являющейся шаблоном и образованной в трехмерном пространстве значениями модуля априорно заданной ДН исследуемой антенны и соответствующими им значениями азимута и угла места, а затем определяют размеры азимутального и угломестного сечений ГЛ ДН исследуемой антенны по уровню половинной мощности как произведения ширины соответствующих сечений ГЛ априорно заданной ДН исследуемой антенны по уровню половинной мощности на соответствующие коэффициенты согласованности размеров соответствующих сечений ДВКФ и ДАКФ и если рассчитанные значения направления ГЛ ДН исследуемой антенны и ширины его соответствующих сечений по уровню половинной мощности не соответствует априорно заданным значениям на величину относительной ошибки более установленной, то осуществляют новую итерацию расчетов, начиная с расчета ДВКФ, предварительно взяв в качестве априорно заданных значений значения направления ГЛ ДН исследуемой антенны и ширины его соответствующих сечений по уровню половинной мощности, полученные в результате выполнения последней итерации расчетов, причем расчеты прекращают, когда все относительные ошибки измерения соответствующих параметров ГЛ ДН исследуемой антенны становятся менее заданной величины или знаки разницы между соответствующими заданными и измеренными значениями этих параметров в текущей итерации вычислений меняются на противоположные по сравнению с предыдущей итерацией.
Пересчет геодезических координат БЛА в сферические осуществляется последовательно: координаты БЛА из геодезической системы координат (СК) пересчитываются в геоцентрическую СК, геоцентрические координаты пересчитываются в топоцентрическую прямоугольную СК, и затем топоцентрические прямоугольные координаты пересчитываются в сферическую СК.
Пересчет из геодезической СК в геоцентрическую СК проводится по формулам (1) [ГОСТ 32453-2017. Глобальная навигационная спутниковая система. Системы координат. Методы преобразований координат определяемых точек. Принят и введен в действие с 01.07.2018 г. Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 12.09.2017 г. №1055-ст.]:
Figure 00000004
Figure 00000005
Figure 00000006
где ϕБЛА - широта точки нахождения БЛА; λ=λА - λБЛА - долгота БЛА относительная; λБЛА - долгота точки нахождения БЛА; λА - долгота точки фазового центра исследуемой антенны; HБЛА - высота точки нахождения БЛА;
Figure 00000007
- радиус кривизны первого вертикала; а з - 6378,1365 км - экваториальный радиус (большая полуось эллипсоида вращения Земли;
Figure 00000008
- эксцентриситет меридиана; bз=aз(1 - ƒз) - малая полуось эллипсоида вращения Земли; ƒз=1/298,2564151 - сжатие Земного эллипсоида.
При таком пересчете плоскость XГ0ZГ проходит через фазовый центр исследуемой антенны. Ось 0ZГ направлена к Условному земному полюсу [ГОСТ 32453-2017. Глобальная навигационная спутниковая система. Системы координат. Методы преобразований координат определяемых точек. Принят и введен в действие с 01.07.2018 г. Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 12.09.2017 г. №1055-ст.], а ось 0YГ дополняет СК до правой.
Пересчет из геоцентрической СК в топоцентрическую прямоугольную СК проводится в соответствии с формулой (2) [Ю.С. Саврасов. Алгоритмы и программы в радиолокации. М.: Радио и связь, 1985]:
Figure 00000009
где
Figure 00000010
=(ХТ, YT, ZT)Т - вектор-столбец координат в топоцентрической прямоугольной СК; |AТ| - матрица направляющих косинусов с элементами
a11=- sin АА sin ϕА, a12=- cos AA, a13=sin AA cos ϕA,
a21=cos ϕA, a22=0, a23=sin ϕA,
а31=- соs AA sin ϕA, a32=sin AA, а33=cos AA cos ϕA;
AA - азимут оси 0ZТ, отсчитываемый от направления на север по часовой стрелке;
Figure 00000011
- вектор смещения центра топоцентрической СК относительно центра геоцентрической СК с элементами аX=ΔА sin АА sin ϕА, aY=-(rA+ΔA cos ϕA), aZ=ΔA cos АА sin ϕА;
Figure 00000012
- расстояние от центра эллипсоида вращения до фазового центра антенны; ΔA=rB sin BA (ctg BA - ctg ϕA);
Figure 00000013
- расстояние от центра эллипсоида вращения Земли до его поверхности при заданной геоцентрической широте BA; ВА=arctg[tg ϕA(1 - ƒз)2] - геоцентрическая широта.
Центр топоцентрической прямоугольной СК находится в фазовом центре исследуемой антенны, ось 0YT направлена в зенит по местной нормали к поверхности Земли, оси 0ХТ и 0ZT лежат в плоскости местного горизонта и вместе с осью 0YT образуют правую СК, причем, ось 0ZТ лежит в плоскости нормали к антенному полотну/электрической оси антенны.
Пересчет из топоцентрической прямоугольной СК в сферическую СК проводится в соответствии с формулами (3) [Ю.С. Саврасов. Алгоритмы и программы в радиолокации. М: Радио и связь, 1985]:
Figure 00000014
Figure 00000015
Figure 00000016
Согласованную фильтрацию осуществляют умножением входного потока оцифрованных квадратур сигналов на импульсную характеристику, которая является зеркальным отображением сигналов [Теоретические основы радиолокации: Учебное пособие для вузов / Под ред. Я.Д. Ширмана. М.: Сов. радио, 1970, стр. 112], излучаемых либо исследуемой антенной, либо - бортовой. Согласованная фильтрация является стандартной процедурой при обработке сигналов и позволяет получить максимальное отношение «сигнал/шум» [Теоретические основы радиолокации: Учебное пособие для вузов / Под ред. Я.Д. Ширмана. М.: Сов. радио, 1970, стр. 118], тем самым повышая точность измерений.
Осуществляя временную селекцию сигналов, выбирают для дальнейшей обработки сигналы с периодом следования, равным периоду излучения сигналов либо исследуемой антенной, либо - бортовой. Тем самым исключаются сигналы посторонних источников с другим периодом следования, что повышает точность измерений.
После детектирования сигналов нормировку мощности сигналов в зависимости от дальности, на которой находился БЛА в момент их излучения или приема, осуществляют по формуле (4):
Figure 00000017
где Dзад. - удаление БЛА от исследуемой антенны, заданное для проведения измерений; Dизм.,n - реальное удаление БЛА от исследуемой антенны при приеме n-го сигнала; Рn - мощность n-го сигнала; n=1…N, N - количество сигналов, принятых за все время облета БЛА исследуемой антенны.
Нормировкой по формуле (4) уменьшают флуктуации мощности принятых сигналов, возникающие при случайных отклонениях траектории движения БЛА от заданной, и таким образом, повышают точность измерений. Случайные отклонения траектории могут возникать, например, при турбулентностях воздушных масс на траектории полета.
Для отбора сигналов, которые были получены при нахождении БЛА в ГЛ ДН исследуемой антенны, осуществляется сравнение нормированных сигналов с пороговым уровнем согласно формуле (5):
Figure 00000018
где П=Рнор.,mах /T - уровень порога; Рнор.,max - максимальная нормированная мощность сигналов, принятых сигналов за все время облета БЛА исследуемой антенны; Т - пороговый множитель, значение которого обеспечивает дальнейшую обработку только тех сигналов, которые были приняты, когда БЛА находился в ГЛ ДН исследуемой антенны.
Значение Т может быть взято равным, например, 10. Это позволяет исключать из дальнейшей обработки малоинформативные сигналы и, возможно, посторонние сигналы, мощность которых на 10 дБ меньше максимальной мощности сигналов, принятых за время облета, что повышает точность измерений.
В результате вышеперечисленных операций послеполетной обработки сигналов и координатной информации образуют массив данных, каждый элемент которого содержит, значение мощности сигнала, а также значения азимута и угла места БЛА 4 в момент приема этого сигнала исследуемой антенной 1 в режиме измерения параметров ГЛ ДН на прием или бортовой антенной 5 в режиме измерения параметров ГЛ ДН на передачу. Значения ДВКФ рассчитывают по формуле (6) [И.С. Гоноровский. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Радио и связь, 1986, стр. 70]:
Figure 00000019
где
Figure 00000020
и
Figure 00000021
- азимут и угол места очередного углового направления, для которого рассчитывают значение ДВКФ; Azнач. и Bнач. - начальные границы ограниченного углового сектора по азимуту и углу места соответственно;
Figure 00000022
и
Figure 00000023
- размеры соответственно азимутального и угломестного сечений ГЛ априорно заданной ДН исследуемой антенны по уровню половинной мощности;
Figure 00000024
и
Figure 00000025
- дискреты расчета ДВКФ по азимуту и углу места соответственно, причем их значения выбирают пропорционально предполагаемым размерам соответствующих сечений ДН исследуемой антенны и так, чтобы обеспечить получение не менее одного сигнала с одной дискреты; ΔAzC и ΔВС - азимутальный и угломестный размеры сектора облета соответственно; i=1…I, I - количество направлений по азимуту для расчета значений ДВКФ; j=1…J, J - количество направлений по углу места для расчета значений ДВКФ; Рнор.,k (Azk,Bk) - мощность нормированного и превысившего уровень порога П сигнала, принятого в момент нахождения БЛА на азимуте Azk и угле места Вk, значения которых соответственно удовлетворяют условиям
Figure 00000026
F(Azk - Azi, Bk - Bi) - модуль априорно заданной ДН исследуемой антенны по мощности в направлении азимута Azk и угла места Вk; k - 1…Ki,j, Ki,j - общее количество сигналов, принятых, когда БЛА находился внутри углового сектора
Figure 00000027
, центр которого направлен на азимут Azi и угол места Вj; Ki,j<М, М - общее количество нормированных сигналов, превысивших уровень порога П.
При вычислении значений ДВКФ организуют обход шаблоном сектора ΔAzC×ΔBC по строкам, что поясняется графически на фиг. 3, где показан азимутально-угломестный сектор размером ΔAzC×ΔВС с границами по азимуту от начального Аzнач. до конечного азимута Azкон. и от начального Внач. до конечного угла места Вкон. Первое значение ДВКФ в первой строке S(Az1,B1) получают для азимута
Figure 00000028
и угла места
Figure 00000029
. При этом для расчета ДВКФ отбирают сигналы, попадающие в границы шаблона - прямоугольника
Figure 00000030
с центром в точке (Az1, В1). Для расчета второго значения ДВКФ в первой строке S(Az2,B1) шаблон (прямоугольник
Figure 00000031
) сдвигают по азимуту так, что его центр перемещают в точку (Az2, В1), где Az2=Az1+dAz, и т.д. Последнее значение ДВКФ в первой строке S(AzI,B1) получают в точке (AzI, В1), где
Figure 00000032
Расчет ДВКФ во второй строке начинают с точки (Az1, В2), где B2=B1+dB, а заканчивают в точке (AzI, В2). Расчет в последней строке начинают с точки (Az1, BJ) где
Figure 00000033
, и заканчивают в точке (AzI, BJ). Таким образом получают I×J значений ДВКФ.
Находят значения азимута и угла места, при которых значение ДВКФ максимально, т.е. значения Azd и Вl из условия S(Azd,Bl)=maxS(Az,B). Формируют две выборки: угломестную выборку
Figure 00000034
и азимутальную выборку
Figure 00000035
Сглаживают каждую выборку методом наименьших квадратов, как например, показано в [Е.С. Вентцель. Теория вероятностей. М: Наука, 1969, стр. 354-356]. При реализации вычислительного процесса в среде MATLAB можно воспользоваться функцией polyfit(x,у,n), возвращающей вектор коэффициентов полинома р(х) степени n, который с наименьшей среднеквадратичной погрешностью аппроксимирует функцию у(х) [В.П. Дьяконов. MATLAB 7. */R2006/R2007: Самоучитель. - М.: ДМК Пресс, 2008, стр. 465]. Здесь функция y - угломестная выборка (7) или азимутальная выборка (8), а значения аргумента х - соответствующие значения угла места или азимута. Получают два сглаживающих полинома степени q : азимутальный полином по формуле (9)
Figure 00000036
и угломестный полином по формуле (10)
Figure 00000037
где a0,a1,…,aq-1, aq и b0, b1,…, bq-1, bq - коэффициенты соответствующих полиномов.
Азимут и угол места направления максимума ГЛ ДН исследуемой антенны 1
Figure 00000038
и
Figure 00000039
определяют из условий (11):
Figure 00000040
Figure 00000041
Поиск максимумов полиномов (11) может быть осуществлен методом «золотого сечения» [В.Ф. Формалев, Д.Л. Ревизников. Численные методы. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004, стр. 200-203]. При реализации вычислительного процесса в среде MATLAB можно воспользоваться функцией fminbnd(ƒun,x1,x2), которая возвращает значение аргумента х, при котором функция ƒun(x) минимальна [В.П. Дьяконов. MATLAB 7. */R2006/R2007: Самоучитель. - М.: ДМК Пресс, 2008, с. 398]. Здесь при нахождении
Figure 00000042
функция ƒun(x)=-G(Az) и x1=Azd-1, x2=Azd+l, а при нахождении
Figure 00000043
функция ƒun(x)=-G(B) и x1=Bl-1, х2=Вl+1.
Выборку значений азимутального сечения ДАКФ априорно заданной ДН исследуемой антенны рассчитывают по формуле (12):
Figure 00000044
где F(.) - модуль априорно заданной ДН исследуемой антенны по мощности;
Figure 00000045
и
Figure 00000046
- измеренные значения азимута и угла места направления максимума ГЛ ДН исследуемой антенны;
Figure 00000047
- пределы интегрирования;
Figure 00000048
- количество направлений по азимуту для расчета значений азимутального сечения ДАКФ;
Figure 00000049
- азимут начала азимутального сечения ДАКФ;
Figure 00000050
- азимут конца азимутального сечения ДАКФ.
Выборку значений угломестного сечения ДАКФ априорно заданной ДН исследуемой антенны рассчитывают по формуле (13):
Figure 00000051
где
Figure 00000052
- пределы интегрирования;
j=1…JA,
Figure 00000053
- количество направлений по углу места для расчета значений угломестного сечения ДАКФ;
Figure 00000054
- угол места начала угломестного сечения ДАКФ;
Figure 00000055
- угол места конца угломестного сечения ДАКФ.
Процесс вычисления значений ДАКФ поясняется на фиг. 4. На фиг. 4 большой прямоугольник, обозначенный штрих-пунктирной линией, ограничивает азимутально-угломестный сектор расчета ДАКФ, а малый прямоугольник, обозначенный также штрих-пунктирной линией, определяет непосредственно область интегрирования по формулам (12) и (13) (в данном случае для расчета значения
Figure 00000056
При расчете каждого значения азимутального сечения ДАКФ, от первого значения
Figure 00000057
до последнего значения
Figure 00000058
пределы интегрирования последовательно смещаются по азимуту вдоль линии
Figure 00000059
с дискретностью dAz. А для расчета каждого значения угломестного сечения ДАКФ, от первого значения
Figure 00000060
до последнего значения
Figure 00000061
, пределы интегрирования последовательно смещаются по углу места вдоль линии
Figure 00000062
с дискретностью dB.
Выборки
Figure 00000063
и
Figure 00000064
сглаживают методом наименьших квадратов [Е.С. Вентцель. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969, стр. 354-3 56], получая два сглаживающих полинома степени q - азимутальный полином GF(Az)=bqAzq+bq-1Azq-1+…+b1Az+b0 и угломестный полином GF(B)=aqBq+aq-1Bq-1+…+axB+a0, где a0, a1,…, aq-1, aq и b0, b1,…, bq-1, bq - коэффициенты соответствующих полиномов.
Коэффициенты согласованности размеров азимутальных и угломестных сечений ДВКФ соответственно размерам азимутальных и угломестных сечений ДАКФ определяют по формулам (14):
Figure 00000065
Figure 00000066
где Az(1), Az(2), B(1) и B(2) - азимутальные и угломестные границы соответствующих сечений ДВКФ, определяют соответственно из условий:
Figure 00000067
и
Figure 00000068
Figure 00000069
- азимутальные и угломестные границы соответствующих сечений ДАКФ, определяют соответственно из условий:
Figure 00000070
и
Figure 00000071
Значения Az(1), Az{2), В(1) и В(2), а также и значения
Figure 00000072
и
Figure 00000073
могут быть найдены методом «золотого сечения» [В.Ф. Формалев, Д.Л. Ревизников. Численные методы. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004, стр. 200-203].
Размеры азимутального и угломестного сечений ГЛ ДН исследуемой антенны по уровню половинной мощности определяют по формулам (15):
Figure 00000074
Figure 00000075
После вычисления осуществляют проверку соответствия параметров, рассчитанных по формулам (11) и (15), параметрам шаблона - априорно заданным направлению ГЛ ДН исследуемой антенны и размерам его азимутального и угломестного сечений по уровню половинной мощности. Для этого рассчитывают относительные ошибки измерения соответствующих параметров и сравнивают их с заданными порогами по формулам (16):
Figure 00000076
Figure 00000077
Figure 00000078
Figure 00000079
где
Figure 00000080
и
Figure 00000081
- азимут и угол места априорно заданного направления максимума ДН исследуемой антенны;
Figure 00000082
заданные пороги относительных ошибок измерения соответствующих параметров; i=1, 2 … - номер итерации вычислений параметров ГЛ ДН исследуемой антенны.
Процесс расчета ДВКФ можно сравнить по аналогии с последетекторным накоплением некогерентной пачки сигналов, когда отношение «сигнал/шум» растет по мере увеличения накопленных импульсов поскольку полезная мощность накапливается быстрее, чем мощность шумов [Теоретические основы радиолокации: Учебное пособие для вузов / Под ред. Я.Д. Ширмана. М.: Сов. радио, 1970, стр. 157]. И поэтому применение ДВКФ при определении параметров ГЛ ДН исследуемой антенны позволяет увеличить точность измерений за счет снижения влияния шумовых искажений.
Расчеты прекращают, когда все относительные ошибки, рассчитанные по формулам (16), становятся менее заданной величины. Расчеты также прекращают, если знаки разницы между соответствующими заданными и измеренными значениями измеряемых параметров ГЛ ДН исследуемой антенны в текущей итерации вычислений меняются на противоположные по сравнению с предыдущей итерацией, т.е. когда выполняются условия (17):
Figure 00000083
Figure 00000084
Figure 00000085
Figure 00000086
Прекращение итераций по условиям (17) физически означает, что достигнута потенциальная точность предлагаемого способа, когда получаемые в смежных итерациях значения параметров ГЛ ДН исследуемой антенны начинают колебаться около своих математических ожиданий.
6. Оценка работоспособности предлагаемого способа
Оценка работоспособности предлагаемого способа определения параметров ГЛ ДН исследуемой антенны была проведена с использованием математической модели. Исходные данные для моделирования: исследуемая антенна является плоской антенной решеткой; количество столбцов излучателей NAz - 32; количество строк излучателей NB=32; расстояние между столбцами излучателей равно половине длины волны, т.е. dAz=λ/2; расстояние между строками излучателей равно половине длины волны, т.е. dВ=λ/2; реально функционирует только часть антенной решетки размером
Figure 00000087
распределение излучаемой мощности по элементам решетки равномерное в обеих плоскостях; размеры дискрет для расчета ДВКФ по азимуту и углу места одинаковы dAz=dB и составляют 0,073°; заданное отклонение максимума ГЛ ДН исследуемой антенны от нормали по азимуту на угол
Figure 00000088
и по углу места на
Figure 00000089
реальное отклонение максимума ГЛ ДН исследуемой антенны от нормали по азимуту на угол Azmax=-2° и по углу места на Вmах=3°; измерения мощности внутри ячеек на сетке «азимут-угол места» располагаются случайным образом; уровень шума Рш[дБ]=-20 дБ от максимального уровня ГЛ реальной ДНА; относительная погрешность измерения мощности сигналов ΔPизм.[%]=2%; максимальные заданные плоскостные ошибки позиционирования БЛА ΔDmax=3 м; максимальные заданные ошибки позиционирования БЛА по высоте ΔHmax=1 м; БЛА совершает облет исследуемой антенны на удалении Dзад.=1400 м и на высоте Нзад.=1000 м; среднеквадратические ошибки позиционирования БЛА в сферической СК составляют по азимуту
Figure 00000090
по углу места
Figure 00000091
и по дальности
Figure 00000092
заданная относительная погрешность измерения параметров ГЛ ДН исследуемой антенны не более 2%.
Расчет значений мощности сигналов с учетом случайных составляющих осуществлялся внутри прямоугольника ΔAzC × ΔВC с шагом по азимуту и углу места dAz и dB. Моделирование значений мощности сигналов с учетом ошибки позиционирования и шумовой составляющей осуществлялось по формуле (18) [В.В. Быков. Цифровое моделирование в статистической радиотехнике. М.: Сов. радио, 1971, стр. 25]:
Figure 00000093
где
Figure 00000094
- мощность сигнала, принятого с углового направления (Azn,Bn) с учетом ΔD - случайного отклонения БЛА от заданной траектории движения по дальности; F(Azn - Azmax,Bn - Bmax) - модуль реальной ДН исследуемой антенны по мощности в направлении точки (Azn,Bn) на плоскости азимут-угол места, причем ее максимум направлен на точку (Azmax,Bmax); n=1… NC;
Figure 00000095
- общее число моделируемых сигналов;
Figure 00000096
randn(0,1) - датчик нормальных случайных чисел с нулевым математическим ожиданием и единичной дисперсией; x1=σшrandn(0,1) - шумовой сигнал первой квадратуры; х2=σшrandn(0,1) - шумовой сигнал второй квадратуры;
Figure 00000097
- заданная дисперсия шума.
Для расчета модуля реальной ДН исследуемой антенны использовалась вспомогательная сферическая система с углами θ и ϕ, связь которой с азимутальным углом Az и углом места В поясняется на фиг. 5. Здесь XYZ -прямоугольная СК, начало которой соответствует фазовому центру антенной решетки, ось Z направлена в переднюю полусферу по нормали, ось Y направлена параллельно столбцам вибраторов вверх, ось X направлена горизонтально параллельно строкам вибраторов и дополняет систему до правой. Точка А - проекция конца радиус-вектора
Figure 00000098
на плоскость X0Y, точка Б - проекция конца радиус-вектора
Figure 00000099
на плоскость X0Z, азимут Az отсчитывается от оси Z до проекции радиус-вектора
Figure 00000100
на плоскость X0Z, угол места В отсчитывается от проекции радиус-вектора
Figure 00000101
на плоскость X0Z до радиус-вектора
Figure 00000102
, меридиональный угол θ отсчитывается от оси Z до радиус-вектора
Figure 00000103
, азимутальный угол ϕ отсчитывается от оси X до проекции радиус-вектора
Figure 00000104
на плоскость X0Y. Переход от углов Az и В к углам θ, ϕ осуществляется (при единичном размере радиус-вектора
Figure 00000105
) по формулам (19):
Figure 00000106
Модуль реальной ДН исследуемой антенны по мощности при условии всенаправленных излучателей решетки рассчитывается по формуле (20) [Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток: Учеб. пособие для вузов / Под ред. Д.И. Вознесенского. М.: Радиотехника, 2012, стр. 41]:
Figure 00000107
где
Figure 00000108
- множитель направленности эквивалентной линейной антенной решетки, параллельной оси X;
Figure 00000109
- множитель направленности эквивалентной линейной антенной решетки, параллельной оси Y; пара углов θn, ϕn соответствует паре углов Azn,Вn, а пара θmах, ϕmax - паре Аzmaх, Bmах.
В формуле (20) значения азимута меняются от Az1=Аzнач. до
Figure 00000110
а значения угла места от В1=Внач до BN=Вкон.
Окончательный расчет значений мощности сигналов с учетом инструментальной ошибки осуществлялся по формуле (21):
Figure 00000111
где
Figure 00000112
- среднеквадратическая ошибка измерения мощности (по правилу «трех сигм»);
Figure 00000113
- максимальная ошибка измерения мощности для n-го сигнала.
Ошибки позиционирования вводились путем перепривязки n-го сигнала к новым координатам по формулам (22):
Figure 00000114
Figure 00000115
После этого подготовленный массив данных, n-я строка которого содержит значения Рn, Az'n и В'n, подвергался обработке в соответствии с формулой изобретения.
Размеры сечений ГЛ априорно заданной ДН антенны с равномерным распределением по излучателям определялись по формулам (23) [Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток: Учеб. пособие для вузов / Под ред. Д.И. Вознесенского. М.: Радиотехника, 2012, стр. 35] и составили:
Figure 00000116
Figure 00000117
При определении значения ДВКФ S(Azi,Bj) по формуле (6) модуль априорно заданной ДН антенны по мощности с равномерным распределением по излучателям при условии, что излучатели решетки всенаправленные, в направлении k-го сигнала рассчитывался по формуле (24) [Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток: Учеб. пособие для вузов / Под ред. Д.И. Вознесенского. М.: Радиотехника, 2012, стр. 41]:
Figure 00000118
где
Figure 00000119
- множитель направленности эквивалентной линейной антенной решетки, параллельной оси Х;
Figure 00000120
- множитель направленности эквивалентной линейной антенной решетки, параллельной оси Y; пара углов θk, ϕk соответствует паре углов Azk, Вk.
На фиг. 6 проиллюстрирован результат расчета априорно заданной ДН антенной решетки 32×32 элемента в предположении, что максимум ДН направлен на точку
Figure 00000121
. На фиг. 7 проиллюстрирован результат расчета априорно заданной ДН антенной решетки 32×32 элемента в предположении, что максимум ДН направлен на точку
Figure 00000122
с учетом воздействия шумового фона, ошибок позиционирования и погрешностей измерения мощности. На фиг. 8 показан шаблон для расчета значений ДВКФ при обходе сектора ΔAzC × ΔВС, рассчитанный для антенной решетки 32×32. На фиг. 9 приведена ДВКФ, рассчитанная для антенной решетки 32×32 в предположении, что максимум ДН направлен на точку
Figure 00000123
На фиг. 10 приведена рассчитанная ДН антенны 20×20 элементов с учетом воздействия шумового фона и смещения ГЛ по азимуту на -2°, а по углу места на 3°. На фиг. 11 приведен результат расчета ДВКФ после первой итерации, когда реальная ДН была сформирована антенной решеткой 20×20, а шаблон был рассчитан для антенной решетки 32×32.
По результатам первой итерации было получено:
Figure 00000124
и
Figure 00000125
Figure 00000126
и
Figure 00000127
Так как эти результаты не соответствуют требуемым, то осуществлялась вторая итерация. Перед второй и, если потребуется, перед последующими итерациями проводится корректировка шаблона. Для этого необходимо сделать новый расчет значений множителей направленности эквивалентной линейной антенной решетки по формулам (25):
Figure 00000128
Figure 00000129
где N*Az и N*B - условные значения количества излучателей; а
Figure 00000130
соответствует паре углов
Figure 00000131
Значения N*Az и N*B рассчитывались по формулам (26) и перед второй итерацией расчетов составили:
Figure 00000132
На фиг. 12 проиллюстрирован результат расчета шаблона при
Figure 00000133
Figure 00000134
Figure 00000135
Figure 00000136
N*Az=20,785 и N*B=20,671.
По результатам второй итерации были получены следующие параметры ГЛ ДН исследуемой антенны:
Figure 00000137
Figure 00000138
Figure 00000139
и
Figure 00000140
Относительные ошибки измерения соответствующих параметров в соответствии с формулой (16) составили:
Figure 00000141
Figure 00000142
Figure 00000143
Figure 00000144
Данные ошибки более заданных, и поэтому необходима третья итерация расчетов при
Figure 00000145
Figure 00000146
Figure 00000147
и
Figure 00000148
В результате третьей итерации были получены следующие параметры ГЛ ДН исследуемой антенны:
Figure 00000149
Figure 00000150
Figure 00000151
и
Figure 00000152
Относительные ошибки измерения соответствующих параметров при этом в соответствии с формулой (16) составили:
Figure 00000153
Figure 00000154
Figure 00000155
Figure 00000156
После третьей итерации значения относительных ошибок оказались меньше заданных, что соответствует прекращению расчетов. В итоге измеренные параметры ГЛ ДН составили: направление ГЛ -
Figure 00000157
и
Figure 00000158
ширина ГЛ ДН по уровню половинной мощности в азимутальной и угломестной плоскости соответственно
Figure 00000159
и
Figure 00000160
Дополнительно определен размер реально действующего антенного полотна, который после округления значений N*Az и N*B составил 20×20 элементов.
Анализ работоспособности предлагаемого способа автоматического измерения параметров ДН антенны в дальней зоне методом облета с помощью БЛА по сравнению с прототипом позволяет сделать вывод о достижении технического результата изобретения.
Таким образом, отличительные признаки заявляемого способа автоматического измерения параметров ДН антенны в дальней зоне методом облета с помощью БЛА обеспечивают появление новых свойств, не достигаемых в прототипе и аналогах. Проведенный сопоставительный анализ известных способов, технических решений (аналогов) в исследуемой и смежных предметных областях позволил установить: аналоги с совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного способа, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного устройства условию "новизны".
Результаты поиска известных решений в области радиолокации, радиотехники и антенных измерений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого способа, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения действий на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".
Изобретение является "промышленно приемлемым", поскольку предлагаемый способ может быть внедрен в существующих устройствах для измерения ДНА методом облета, а также использоваться в различных областях радиолокации, радиотехники и антенных измерений.

Claims (17)

  1. Способ автоматического измерения параметров диаграммы направленности (ДН) антенны в дальней зоне методом облета с помощью беспилотного летательного аппарата (БЛА), заключающийся в том, что в режиме передачи сигналы, излучаемые исследуемой антенной, принимают на борту БЛА и подвергают полосовой фильтрации, а в режиме приема сигналы, излучаемые с борта БЛА, принимают исследуемой антенной, отличающийся тем, что БЛА совершает облет ограниченного углового сектора, центр которого соответствует априорно заданному направлению максимума неподвижной ДН исследуемой антенны, и в режиме передачи исследуемой антенны сигналы, принимаемые на борту БЛА бортовой антенной, при необходимости ослабляют, разделяют на квадратурные составляющие, оцифровывают в цифровом приемнике и записывают оцифрованные сигналы вместе с временем их приема и текущими геодезическими координатами БЛА в бортовой цифровой накопитель, подключенный к бортовому вычислителю, рассчитывающему ДН в режиме передачи сигналов исследуемой антенной, а в режиме приема исследуемой антенны сигналы, излученные с борта БЛА, и принятые данной антенной, усиливают, разделяют на квадратурные составляющие, оцифровывают в цифровом приемнике и записывают оцифрованные сигналы вместе с временем их приема в наземный цифровой накопитель, подключенный к наземному вычислителю, рассчитывающему ДН в режиме приема сигналов исследуемой антенной, причем время излучения сигналов с борта БЛА, а также его геодезические координаты на это время записывают в бортовой цифровой накопитель, а после окончания полета бортовой цифровой накопитель подключают к наземному вычислителю для расчета ДН в режиме приема сигналов исследуемой антенны, осуществляют временную привязку сигналов, принятых исследуемой антенной в режиме приема, и геодезических координат БЛА на момент их излучения, и затем выполняют одинаковые операции как при расчете ДН исследуемой антенны на прием, осуществляемые в наземном вычислителе, так и при расчете ее ДН на передачу, осуществляемые в бортовом вычислителе, а именно: пересчитывают геодезические координаты БЛА, соответствующие времени излучения или приема этих сигналов, в сферическую систему координат, центр которой совпадает с фазовым центром исследуемой антенны; осуществляют согласованную фильтрацию записанных в соответствующем цифровом накопителе сигналов, осуществляют их детектирование и временную селекцию; нормируют их мощность в зависимости от дальности, на которой находился БЛА в момент их излучения или приема в соответствии с выражением
    Figure 00000161
    где Dзад. - удаление БЛА от исследуемой антенны, заданное для проведения измерений, Dизм.,n - реальное удаление БЛА от исследуемой антенны при приеме n-го сигнала, Рn - мощность n-го сигнала, n=1…N, N - количество сигналов, принятых за все время облета БЛА исследуемой антенны; сравнивают с пороговым уровнем, отбирая при этом для дальнейшей обработки те сигналы, которые были получены при нахождении БЛА в главном лепестке (ГЛ) ДН исследуемой антенны, мощность которых удовлетворяет условию Рнор.,n>П, где П=Рнор.,max / T - уровень порога, Pнор.,max - максимальная нормированная мощность сигналов, принятых за все время облета БЛА исследуемой антенны, Т - пороговый множитель, значение которого обеспечивает дальнейшую обработку только тех сигналов, которые были приняты, когда БЛА находился в ГЛ ДН исследуемой антенны; вычисляют двумерную взаимную корреляционную функцию (ДВКФ) поверхности, образованной в трехмерном пространстве значениями мощности превысивших пороговый уровень сигналов и соответствующими им значениями азимута и угла места, и шаблона, образованного в трехмерном пространстве значениями модуля априорно заданной ДН исследуемой антенны в пределах ее ГЛ по уровню половинной мощности и соответствующими им значениями азимута и угла места по соотношению
    Figure 00000162
    в котором
    Figure 00000163
    азимут и угол места очередного углового направления, Azнач. и Bнач. - начальные границы ограниченного углового сектора по азимуту и углу места соответственно,
    Figure 00000164
    и
    Figure 00000165
    - размеры соответственно азимутального и угломестного сечений ГЛ априорно заданной ДН исследуемой антенны по уровню половинной мощности,
    Figure 00000166
    и
    Figure 00000167
    дискреты расчета ДВКФ по азимуту и углу места соответственно, ΔAzC и ΔВС - азимутальный и угломестный размеры сектора облета соответственно, i=1…I, I - количество направлений по азимуту для расчета значений ДВКФ, j=1…J, J - количество направлений по углу места для расчета значений ДВКФ, Рнор.,k(Azk,Bk) - мощность нормированного и превысившего уровень порога П сигнала, принятого в момент нахождения БЛА на азимуте Azk и угле места Bk, значения которых соответственно удовлетворяют условиям
  2. Figure 00000168
  3. a F(Azk - Azi,Bk-Вi) - модуль априорно заданной ДН исследуемой антенны по мощности в направлении азимута Azk и угла места Вk; k=l...Ki j, Ki,j - общее количество сигналов, принятых БЛА, находящимся внутри сектора
    Figure 00000169
    центр которого направлен на азимут Azi и угол места Вj; а затем находят значения азимута Azd и угла места Bl при которых ДВКФ максимальна, формируют угломестную и азимутальную выборки S(Azd,B1), …, S(Azd,Bl-1), S(Azd,Bl), S(Azd,Bl+1), …, S(Azd,BJ) и S(Az1,Bl), …, S(Azd-1,Bl), S(Azd,Bl), S(Azd+1,Bl), …, S(AzI,Bl), сглаживают каждую выборку методом наименьших квадратов, получая два полинома степени q - азимутальный G(Az)=bqAzq+bq-1Azq-1+…+b1Az+b0 и угломестный G(B)=aqBq+aq-1Bq-1+…+a1B+a0 соответственно, где a0, a1, …, aq-1, aq и b0, b1, …, bq-1, bq - коэффициенты соответствующих полиномов; определяют азимут направления максимума ГЛ ДН исследуемой антенны
    Figure 00000170
    из условия
    Figure 00000171
    и угол места направления максимума ГЛ ДН исследуемой антенны
    Figure 00000172
    из условия
    Figure 00000173
    рассчитывают значения азимутального сечения двумерной автокорреляционной функции (ДАКФ) поверхности, являющейся шаблоном и образованной в трехмерном пространстве значениями модуля априорно заданной ДН исследуемой антенны и соответствующими им значениями азимута и угла места, по соотношению
    Figure 00000174
    в котором F(.) - модуль априорно заданной ДН исследуемой антенны по мощности,
    Figure 00000175
    и
    Figure 00000176
    - измеренные значения азимута и угла места направления максимума ГЛ ДН исследуемой антенны,
  4. Figure 00000177
    - пределы интегрирования,
  5. Figure 00000178
    - количество направлений по азимуту для расчета значений азимутального сечения ДАКФ,
    Figure 00000179
    - азимут начала азимутального сечения ДАКФ,
    Figure 00000180
    - азимут конца азимутального сечения ДАКФ; а также рассчитывают значения угломестного сечения ДАКФ по формуле:
  6. Figure 00000181
  7. где
    Figure 00000182
    - пределы интегрирования,
    Figure 00000183
    - количество направлений по углу места для расчета значений угломестного сечения ДАКФ,
    Figure 00000184
    - угол места начала угломестного сечения ДАКФ,
    Figure 00000185
    - угол места конца угломестного сечения ДАКФ; сглаживают выборки
    Figure 00000186
    и
    Figure 00000187
    методом наименьших квадратов, получая два сглаживающих полинома степени q - азимутальный GF(Az)=bqAzq+bq-1Azq-1+…+b1Az+b0 и угломестный GF{B)=aqBq+aq-1Bq-1+…+axB+a0 соответственно; определяют коэффициенты согласованности размеров соответствующих сечений ДВКФ и ДАКФ по формулам:
    Figure 00000188
    и
    Figure 00000189
    где B(1) и B(2) - азимутальные и угломестные границы соответствующих сечений ДВКФ, определяют соответственно из условий:
  8. Figure 00000190
    и
    Figure 00000191
  9. Figure 00000192
    и
    Figure 00000193
    - азимутальные и угломестные границы соответствующих сечений ДАКФ определяют соответственно из условий:
  10. Figure 00000194
    и
    Figure 00000195
  11. а затем определяют размеры азимутального и угломестного сечений ГЛ ДН исследуемой антенны по уровню половинной мощности как произведения ширины соответствующих сечений ГЛ априорно заданной ДН исследуемой антенны по уровню половинной мощности на соответствующие коэффициенты согласованности размеров соответствующих сечений ДВКФ и ДАКФ -
    Figure 00000196
    и
    Figure 00000197
    и если рассчитанные значения направления ГЛ ДН исследуемой антенны и ширины его соответствующих сечений по уровню половинной мощности не соответствуют априорно заданным значениям на величину относительной ошибки более установленной:
  12. Figure 00000198
  13. Figure 00000199
  14. где
    Figure 00000200
    и
    Figure 00000201
    - азимут и угол места априорно заданного направления максимума ДН исследуемой антенны,
    Figure 00000202
    - заданные относительные ошибки измерения соответствующих параметров, i - номер итерации вычислений параметров ГЛ ДН исследуемой антенны; то осуществляют новую итерацию расчетов, начиная с расчета ДВКФ, предварительно взяв в качестве априорно заданных значения направления ГЛ ДН исследуемой антенны и размеры его соответствующих сечений по уровню половинной мощности, полученные в результате выполнения последней итерации расчетов, причем расчеты прекращают, когда все относительные ошибки измерения соответствующих параметров ГЛ ДН исследуемой антенны становятся менее заданной величины или знаки разницы между соответствующими заданными и измеренными значениями этих параметров в текущей итерации вычислений меняются на противоположные по сравнению с предыдущей итерацией, то есть когда выполняются условия:
  15. Figure 00000203
  16. Figure 00000204
  17. Figure 00000205
RU2021109033A 2021-04-01 2021-04-01 Способ автоматического измерения параметров диаграммы направленности антенны в дальней зоне методом облета с помощью бла RU2758979C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021109033A RU2758979C1 (ru) 2021-04-01 2021-04-01 Способ автоматического измерения параметров диаграммы направленности антенны в дальней зоне методом облета с помощью бла

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021109033A RU2758979C1 (ru) 2021-04-01 2021-04-01 Способ автоматического измерения параметров диаграммы направленности антенны в дальней зоне методом облета с помощью бла

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2758979C1 true RU2758979C1 (ru) 2021-11-03

Family

ID=78466861

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021109033A RU2758979C1 (ru) 2021-04-01 2021-04-01 Способ автоматического измерения параметров диаграммы направленности антенны в дальней зоне методом облета с помощью бла

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2758979C1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114184852A (zh) * 2021-11-30 2022-03-15 南京理工大学 一种基于空中平台的天线方向图主被动复合式测量系统
RU2799625C1 (ru) * 2022-08-02 2023-07-07 Акционерное общество "Лётно-исследовательский институт имени М.М. Громова" Радиофлюктуационный способ измерения пространственной диаграммы направленности слабонаправленных приёмных и передающих антенн бортовых радиостанций и бортового пилотажно-навигационного оборудования воздушного судна в лётных условиях

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07128382A (ja) * 1993-11-05 1995-05-19 Mitsubishi Electric Corp アンテナ測定法
JP4628255B2 (ja) * 2005-11-07 2011-02-09 三菱電機株式会社 アレーアンテナ測定方法
RU2602833C2 (ru) * 2011-06-10 2016-11-20 Астриум Гмбх Система навигации ближнего поля
RU2626561C1 (ru) * 2016-04-13 2017-07-28 Общество с ограниченной ответственностью "ЧКТБ" Способ измерения параметров направленности антенны с помощью бпла методом облета
RU2649084C2 (ru) * 2015-12-25 2018-03-29 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС" Устройство измерения диаграммы направленности антенны
RU2653105C1 (ru) * 2017-01-09 2018-05-07 Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") Способ измерения диаграммы направленности антенны источника радиоизлучения, местоположение которого неизвестно
RU2704393C1 (ru) * 2019-01-17 2019-10-28 Акционерное общество "Радиокомпания "Вектор" Способ автоматизированной ориентации бортовой антенны беспилотного комплекса для измерений параметров направленности антенн

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07128382A (ja) * 1993-11-05 1995-05-19 Mitsubishi Electric Corp アンテナ測定法
JP4628255B2 (ja) * 2005-11-07 2011-02-09 三菱電機株式会社 アレーアンテナ測定方法
RU2602833C2 (ru) * 2011-06-10 2016-11-20 Астриум Гмбх Система навигации ближнего поля
RU2649084C2 (ru) * 2015-12-25 2018-03-29 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС" Устройство измерения диаграммы направленности антенны
RU2626561C1 (ru) * 2016-04-13 2017-07-28 Общество с ограниченной ответственностью "ЧКТБ" Способ измерения параметров направленности антенны с помощью бпла методом облета
RU2653105C1 (ru) * 2017-01-09 2018-05-07 Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") Способ измерения диаграммы направленности антенны источника радиоизлучения, местоположение которого неизвестно
RU2704393C1 (ru) * 2019-01-17 2019-10-28 Акционерное общество "Радиокомпания "Вектор" Способ автоматизированной ориентации бортовой антенны беспилотного комплекса для измерений параметров направленности антенн

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114184852A (zh) * 2021-11-30 2022-03-15 南京理工大学 一种基于空中平台的天线方向图主被动复合式测量系统
CN114184852B (zh) * 2021-11-30 2024-06-11 南京理工大学 一种基于空中平台的天线方向图主被动复合式测量系统
RU2799625C1 (ru) * 2022-08-02 2023-07-07 Акционерное общество "Лётно-исследовательский институт имени М.М. Громова" Радиофлюктуационный способ измерения пространственной диаграммы направленности слабонаправленных приёмных и передающих антенн бортовых радиостанций и бортового пилотажно-навигационного оборудования воздушного судна в лётных условиях
RU2799625C9 (ru) * 2022-08-02 2023-11-16 Акционерное общество "Лётно-исследовательский институт имени М.М. Громова" Радиофлюктуационный способ измерения пространственной диаграммы направленности слабонаправленных приёмных и передающих антенн бортовых радиостанций и бортового пилотажно-навигационного оборудования воздушного судна в лётных условиях
RU2807022C1 (ru) * 2023-02-03 2023-11-08 Акционерное общество "Научно-производственный центр Тверских военных пенсионеров" (АО "НПЦ ТВП") Способ измерения ширины диаграммы направленности антенны методом облета
RU2822401C1 (ru) * 2024-01-29 2024-07-04 Акционерное общество "Научно-производственный центр Тверских военных пенсионеров" (АО "НПЦ ТВП") Способ измерения параметров диаграммы направленности антенны методом облета
RU2818013C1 (ru) * 2024-01-31 2024-04-23 Акционерное общество научно-внедренческое предприятие "ПРОТЕК" Устройство измерения параметров радиосигналов пространственно-распределенной системы радиопередатчиков с использованием беспилотного летательного аппарата

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11454702B2 (en) Synthetic aperture radar method and synthetic aperture radar device
EP3254133B1 (en) Direction finding using signal power
CN110426690B (zh) 一种机载气象雷达波束指向自动校准方法
US11249183B2 (en) Motion extended array synthesis for use in high resolution imaging applications
US10274579B2 (en) Method for improving direction finding and geolocation error estimation in a direction finding system
CN102540180A (zh) 天基相控阵雷达空间多目标定轨方法
CN111381215A (zh) 相位校正方法以及流星位置获取方法
CN105137430A (zh) 一种前视阵列sar的回波稀疏获取及其三维成像方法
RU2732505C1 (ru) Способ обнаружения и азимутального пеленгования наземных источников радиоизлучения с летно-подъемного средства
KR102151362B1 (ko) 극좌표변환을 이용한 항공기기반 영상복원장치 및 이를 이용한 영상복원방법
CN106646395A (zh) 一种飞行目标的雷达回波推演方法
Meles et al. Measurement based performance evaluation of drone self-localization using AoA of cellular signals
RU2758979C1 (ru) Способ автоматического измерения параметров диаграммы направленности антенны в дальней зоне методом облета с помощью бла
CN108152836A (zh) 一种基于fda天线抗三星频差定位体制的欺骗方法
RU2735744C1 (ru) Способ обзорной однопозиционной трилатерационной некогерентной радиолокации воздушных целей
CN108363046B (zh) 基于双接收机椭圆扫描的无源雷达测向方法及系统
RU2610150C1 (ru) Способ определения координат наземного источника радиоизлучения при радиопеленговании с борта летательного аппарата
RU2674007C1 (ru) Способ измерения угла места радиолокационных целей, находящихся на больших углах места
Korotetskiy et al. Phased array antenna calibration with probe positioning errors [Measurements Corner]
RU2711341C1 (ru) Способ двухмерного пеленгования
US10422644B2 (en) Method for improving target location accuracy in a direction finding system
RU2527943C1 (ru) Способ обработки сигналов при многоканальной фазовой пеленгации источников радиоизлучений коротковолнового диапазона
Huang et al. In-field calibration of passive array receiver using detected target
RU2752878C2 (ru) Способ пеленгации широкополосных сигналов с повышенной разрешающей способностью
RU2620130C1 (ru) Способ амплитудного двухмерного пеленгования