Алгоритм корреляционного интерферометра, обеспечивающий допустимый уровень методической погрешности на основе учета топологии антенной системы

В современных пеленгаторах источников радиоизлучений (ИРИ) широко применяется алгоритм корреляционного интерферометра [1] - [3], [6]. Однако его практические реализации являются компромиссом между точностью непосредственной оценки углового положения ИРИ, обусловленной, в частности, с методической погрешностью, и допустимыми вычислительными затратами для её формирования. При этом объем вычислительных затрат и величина методической погрешности непосредственно зависят от числа угловых положений, для которых формируются эталонные амплитудно-фазовые распределения сигналов на выходах пеленгационных каналов. Как правило используется равномерная сетка угловых положений, для которой характерно неравномерное распределение методической погрешности, обусловленное топологией антенной системы пеленгатора.[5] С другой стороны применение неравномерной сетки угловых положений, учитывающей топологию антенной системы пеленгатора, может обеспечить равномерное распределение методической погрешности на допустимом уровне с одновременным снижением числа угловых положений, и, следовательно, со снижением вычислительных затрат.

Цель работы: сокращение вычислительных затрат при реализации алгоритма корреляционного интерферометра при заданном допустимом уровне методической погрешности.

Решаемая задача: разработка алгоритма корреляционного интерферометра, обеспечивающего допустимый уровень методической погрешности на основе учета топологии антенной системы.

Постановка задачи

Пусть задана топология антенной системы в виде координат расположения её элементов в прямоугольной системе координат XOY:,, M - количество элементов антенной решетки.

Сигнал, принимаемый антенной системой, преобразуется в каждый момент времени в амплитудно-фазовое распределение, где Т - знак транспонирования, - комплексная амплитуда сигнала для m-го канала, .

В алгоритме многоканального корреляционного интерферометра оценка азимутального пеленга ИРИформируется в общем случае на основе определения максимума пеленгационного рельефа :

.

При практической реализации пеленгационный рельеф вычисляется для конечного числа значений аргумента ,,

, ,

например, по выражению[3]:

, ,

где H-обозначение операции эрмитового сопряжения; - обозначение нормы, - вектор эталонных значений комплексных амплитуд сигналов на выходах пеленгационных каналов для заданной частоты излучения f и k-го эталонного углового положения ИРИ по азимуту, ,

,,

j - мнимая единица, л=с/f - длина волны сигнала ИРИ, - азимут k-го эталонного углового положения ИРИ, отсчитываемый в системе координат XOY от оси OX против часовой стрелки, с последующей интерполяцией (1): , в области и формированием оценки пеленга как аргумента интерполяционной функции:

, ,

, -константы, определяющие степень интерполяционной функции, , в точке её максимума:

.

Модуль разности

представляет собой составляющую методической погрешности оценки азимутального пеленга ИРИ, обусловленную погрешностью интерполяции. Величина этой методической погрешности, исходя из (5), (6),зависит от (,), , (, ), K, а также действительного положения ИРИ , которое в условиях рассматриваемой модели совпадает со значением , т.е.

.

В свою очередь вычислительные затраты на реализацию формирование оценки пеленга зависят от величины K.

Тогда математическую постановку решаемой задачи - разработки алгоритма корреляционного интерферометра (2), обеспечивающего сокращение вычислительных затрат () при заданном допустимом уровне методической погрешности на основе учета топологии антенной решётки (,) - можно представить в следующем виде:

для заданных

(,),

найти

,

в условиях ограничения

.

Алгоритм корреляционного интерферометра, учитывающий топологию антенной системы и обеспечивающий допустимый уровень методической погрешности

Решение (9) - (11) можно искать при следующих допущениях:

1) значения равны, т.е. ;

2) на значения не накладываются дополнительные ограничения.

В первом случае решение задачи (9) - (11) сводится к решению задачи оптимизации с одной переменной:

для заданных

(,),

найти , в условиях ограничения

,

где -функция, аналогичная (8), имеющая меньшее число аргументов.

При этом для различных значения функции могут существенно отличаться, а величинаопределяется по выражению

,

где - операция округления до целого числа.

Во втором случае решению подлежит исходная задача (9) - (11), в результате для различных значения функции близки к , а величина. Однако её решение значительно более сложнее, чем в первом случае.

Алгоритм решения задачи (9) - (11) и на её основе формирования пеленга ИРИ - алгоритм корреляционного интерферометра, учитывающий топологию антенной системы и обеспечивающий допустимый уровень методической погрешности - можно представить следующем виде:

1. Определение начальных эталонных угловых положений ИРИ на основе решения задачи оптимизации с переменными, при :

найти

в условиях ограничения

.

В результате решения формируются оптимальные значения части эталонных угловых положений ИРИ: .

Определение найденного текущего конечного индекса значения эталонного углового положения ИРИ(текущего конечного числа эталонных угловых положений ИРИ):

.

2. Увеличение числа на единицу.

3. Если, то, а найденные оптимальные значения эталонных угловых положений ИРИ: есть решение задачи (9) - (11). Переход к п. 5.

4. Если условие 3 не выполняется, то реализуется поиск значения следующего эталонного углового положения ИРИ на основе решения одномерной задачи оптимизации вида:

найти

в условиях ограничения

,

.

Осуществляется переход к п. 2.

5. Найденная последовательность применяется в (3) - (6) для формирования оценки азимутального пеленга, обеспечивая минимальные вычислительные затраты при требуемом допустимом уровне методической погрешности.

Пример

Пусть антенная система пеленгатора состоит из двух линейных эквидистантных антенных решёток со следующим расположением элементов:

- для первой (элементы с номерами ,=9):

, , для ,

- для второй (элементы с номерами где ,=19):

, , для ,

Где d - межэлементное расстояние, d = 0,05м; l-смещение второй антенной решётки относительно края первой, l = 1,2м; [*] - операция округления с отбрасыванием дробной части.

Интерполяционная функция определена так, что ==1 и в соответствии с (5), корреляционный интерферометр пеленг погрешность

,

где , ,

.

Ограничение на допустимый уровень методической погрешности задано значением = 0,05.

Тогда выполнение пп.1-4 разработанного алгоритма позволяет определить следующую последовательность оптимальных значений эталонных угловых положений ИРИ (при = 114), представленную в таблице 1.

Таблица № 1

С другой стороны, применение алгоритма корреляционного интерферометра, основанного на решении задачи (12) - (15),для рассматриваемого примера определяет следующую последовательность равномерных значений эталонных угловых положений ИРИ:

, где , = 1, 360

На рис. 1 и 2 представлены графики зависимости методической погрешности (8)соответственно для алгоритмов с оптимальной и равномерной последовательностью значений эталонных угловых положений ИРИ.

Рис.1 - График зависимости методической погрешности для алгоритма с оптимальной последовательностью значений эталонных угловых положений ИРИ

Рис.2 - График зависимости методической погрешности для алгоритма с равномерной последовательностью значений эталонных угловых положений ИРИ

Из анализа рисунков видно, что значения методической погрешности как функции углового положения ИРИ при реализации предлагаемого алгоритма для всей области определения близки к , а для алгоритма с равномерным распределением эталонных угловых положений ИРИ существенно изменяется.

Вследствие этого величина, а относительное сокращение вычислительных затрат, определяемое по выражению , составляет 68 %.

Одновременное снижение вычислительных затрат и повышение точности оценки пеленгов позволяет рассматривать в качестве одного из применений предложенного алгоритма интеграцию в навигационные системы транспортных средств [4] в следствие принципиально различного характера ошибок по сравнению с инерциальными навигационными системами на основе технологии MEMS и спутниковыми навигационными системами.

Вывод

Разработанный алгоритм формирования оценки пеленга в корреляционном интерферометре, учитывающий топологию антенной системы, в условиях рассмотренного примера позволил сократить вычислительные затраты при формировании оценки пеленга на 68% при заданном допустимом уровне методической погрешности.

Литература

• 1. Рембовский А.М., Ашихмин А.В., Козьмин В.А. Радиомониторинг - задачи, методы, средства. - М.: Горячая линия-Телеком, 2010. - 624с.
• 2. Ратынский М.В. Адаптация и сверхразрешение в антенных решетках - М.: Радио и связь, 2003. - 200с.
• 3. Колесников С.С., Строцев А.А., Сухенький И.А. Методика калибровки мобильного пеленгатора-многоканального корреляционного интерферометра с применением GNSS-приёмников // Труды XX международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (RLNC*2014) 15 - 17 апреля 2014 г. С.1407-1418.
• 4. Щербань И.В., Толмачёв С.А., Красников С.О. Универсальная стохастическая модель произвольного движения наземного транспортного средства // Инженерный вестник Дона, 2013, №3.
• 5. Шевгунов Т. Я., Дубровин А. В. Точность оценки пеленга источника радиоизлучения при нерегулярной структуре спектра в полосе анализа пассивной системы местоопределения. Журнал радиоэлектроники, 2014, №1
• 6. Денисов В.П., Дубинин Д.В. Фазовые радиопеленгаторы: Монография. Томск: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2002.-251с.

Аннотация

Для снижения вычислительных затрат предложен комплексный подход к разработке алгоритма пеленгации для многоканального корреляционного интерферометра, учитывающий, как его методическую погрешность, так и топологию антенной системы.

Ключевые слова: алгоритм пеленгации, антенная система, точность пеленгации, корреляционный интерферометр, методическая погрешность.