Результат интеллектуальной деятельности: Способ измерения диаграммы направленности антенны источника радиоизлучения, местоположение которого неизвестно

Изобретение относится к антенной технике и области радиотехнических систем и может быть использовано, например, в системах радиотехнического контроля.

Известны различные способы измерения диаграмм направленности антенн источников радиоизлучения (ИРИ), местоположение которых известно.

В частности, известен способ измерения азимутальной диаграммы направленности антенны (ДНА) [1, Патент РФ №2298198, Способ измерения азимутальной диаграммы направленности антенны. МПК G01S 3/46, опубл. 27.04.2007, бюл. №12], включающий измерение на выбранной частоте азимутальной диаграммы направленности антенны, установленной на оси проводящего диска, заклепанного на поворотном устройстве стенда антенных измерений, при этом на той же частоте и при том же начальном приближении поворотного устройства производят измерения азимутальной диаграммы направленности вспомогательной штыревой антенны, а искомую азимутальную диаграмму направленности исследуемой антенны получают путем вычитания значений, полученных при измерении азимутальной диаграммы направленности исследуемой антенны и последующего нормирования полученной разностной функции.

Недостатком способа является их нереализуемость в случае неизвестного положения исследуемой антенны относительно измерительной антенны.

Известны способы измерения ДНА с известным положением методом ее облета самолетом или иным летно-подъемным средством (ЛПС) [2, Патент SU №1778713, Способ измерения пространственных характеристик передающей антенны. МПК G01R 29/10, опубл. 30.11.1992, бюл. №44], [3, с. 256-259 - Фрадин А.Э., Рыжков Е.В. Измерения параметров антенно-фидерных устройств. 2-е доп. изд. - М.: Связь, 1972. - 317 с], [4, с. 128-135 - Цейтлина Н.М. Методы измерения характеристик антенн СВЧ. - М.: Радио и связь, 1985. - 368 с.]; [5, Мартыненко Ю.Н., Сергеев В.Л., Страхов А.Ф., Тарасов Н.С. О комплексной автоматизации измерений радиотехнических параметров антенн // Материалы всесоюзной научно-технической конференции по радиотехническим измерениям. - Новосибирск: СНИИМ, 1970] [6, с. 44 - Толкачев А.А., Шилов А.В. Технологии радиолокации. - М.: Вече, 2010. - 424 с.], [7, с. 218 - Вартанесян В.А., Гойхман Э.Ш., Рогаткин М.И. Радиопеленгация. - М.: Воениздат МО СССР, 1966. - 248 с.].

Недостатком этих способов является их нереализуемость в случае неизвестного положения исследуемой антенны.

Также известен способ измерения параметров излучения крупноапертурных антенн с помощью беспилотного летательного аппарата [8, с. 95-103 - Классен В.И., Просвиркин И.А. Измерение параметров излучения крупноапертурных ФАР с помощью беспилотного летательного аппарата. // Радиотехника. - 2014. - №4. - С. 95-103], направленный на измерение ДНА, принятый за прототип, который включает в себя:

- формирование маршрута измерений в виде последовательности точек траектории , , как результата решения прямой геодезической задачи с исходными данными: заданным местоположением фазового центра антенной системы ИРИ О_ИРИ(В_ИРИ,L_ИРИ,Н_ИРИ), фиксированными значениями расстояния и углом места, при различных азимутальных углах, принимающих значения из интервала от 0 до 360 градусов;

- вывод ЛПС в начальную точку маршрута измерений О_нач(В_нач,L_нач,Н_нач);

- в процессе движения ЛПС по маршруту измерений прием сигнала ИРИ, измерение его параметра D_DНA, для которого определяется ДНА;

- сохранение координат точек ,

где , в которых эти измерения проводились;

- в момент возвращения в конечную точку маршрута измерений завершения измерений и представление измерений в виде функции от геодезических координат ,

где заданной в N_изм точках.

- определение ДНА ИРИ на основе решения обратной геодезической задачи:

,

где , а ƒ - функция определения азимутального угла на основе решения обратной геодезической задачи.

Способ обеспечивает возможность измерения диаграммы направленности крупноапертурных антенн на известной частоте и с известным местоположением при помощи летно-подъемного средства (ЛПС). Данный способ представлен в еще одном источнике литературы [9, с. 60-65 - Классен В., Просвиркин И., Измерение параметров излучения крупноапертурных антенн с помощью беспилотного летательного аппарата. // Технологии и средства связи. - 2014. - №1. - С. 60-65].

Недостатком способа-прототипа является его нереализуемость в случае неизвестного положения исследуемой антенны.

Задачей изобретения является расширение арсенала технических средств измерения ДНА ИРИ в условиях отсутствия информации о ее местоположении.

Для решения поставленной задачи предлагается способ измерения ДНА ИРИ, местоположение которого неизвестно, при котором выполняют движение ЛПС в начальную точку маршрута измерений О_нач(В_нач,L_нач,Н_нач), принимают сигнал ИРИ и измеряют его параметр D_ДНА, для которого определяется ДНА, в процессе движения ЛПС по маршруту измерений.

Согласно изобретению, формируют маршрут измерений в процессе движения ЛПС на высоте Н_нач по критерию

ƒ_Доп=ƒ_изм.-ƒ_изл→0,

где ƒ_Доп - значение частоты Доплера;

ƒ_изм - значение частоты излучения ИРИ, измеренное на ЛПС;

ƒ_изл - априорно известная частота излучения ИРИ,

в процессе движения ЛПС по маршруту измерений, одновременно с измерением параметра сигнала D_ДНА и фиксируют длину пройденного пути от начала движения по маршруту измерений с частотой выдачи данных навигационной системой ЛПС, в момент возвращения ЛПС в начальную точку маршрута измерений О_нач(В_нач,L_нач,Н_нач) завершают формирование маршрута, прием сигнала ИРИ и измерения его параметра D_ДHA, фиксируют конечную длину пройденного пути L_ПП, представляют измерения в виде функции от длины пройденного пути ,

где , формируют ДНА ИРИ в виде

где .

Техническим результатом является реализация измерения ДНА ИРИ с использованием ЛПС в условиях отсутствия информации о ее местоположении.

Указанный технический результат достигают за счет введения новых операций: измерения маршрута измерений в процессе движения ЛПС на высоте Н_нач по критерию ƒ_Доп=ƒ_изм.-ƒ_изл→0,

где ƒ_Доп - значение частоты Доплера;

ƒ_изм. - значение частоты излучения ИРИ, измеренное на ЛПС;

ƒ_изл - априорно известная частота излучения ИРИ,

в процессе движения ЛПС по маршруту измерений, одновременно с измерением параметра сигнала D_ДHA, фиксирования длины пройденного пути от начала движения по маршруту измерений с частотой выдачи данных навигационной системой ЛПС, в момент возвращения ЛПС в начальную точку маршрута измерений О_нач(В_нач,L_нач,Н_нач) завершения формирования маршрута, приема сигнала ИРИ и измерения его параметра D_ДНA, фиксирования конечной длины пройденного пути L_ПП, представления измерений в виде функции от длины пройденного пути ,

где , определения ДНА ИРИ в виде

где .

На чертеже приведена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ измерения ДНА ИРИ, местоположение которого неизвестно.

Сочетание отличительных признаков и свойств предлагаемого способа из литературы неизвестны, поэтому он соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.

Способ измерения ДНА ИРИ, местоположение которого неизвестно, реализуется следующим образом:

1. Выполняют движение ЛПС в начальную точку маршрута измерений О_нач(В_нач,L_нач,Н_нач).

2. Формируют маршрут измерений в процессе движения ЛПС на высоте Н_нач по критерию ƒ_Доп=ƒ_изм.-ƒ_изл→0,

где ƒ_Дoп - значение частоты Доплера;

ƒ_изм. - значение частоты излучения ИРИ, измеренное на ЛПС;

f_изл - априорно известная частота излучения ИРИ.

3. В процессе движения ЛПС по маршруту измерений принимают сигнал ИРИ и измеряют его параметр D_ДHA, для которого определяется ДНА.

4. В процессе движения ЛПС по маршруту измерений, одновременно с измерением параметра сигнала D_ДHA, фиксируют длину пройденного пути от начала движения по маршруту измерений с частотой выдачи данных навигационной системой ЛПС.

5. В момент возвращения ЛПС в начальную точку маршрута измерений О_нач(В_нач,L_нач,Н_нач) завершают формирование маршрута, прием сигнала ИРИ и измерения его параметра D_ДHA, фиксируют конечную длину пройденного пути L_ПП.

6. Представляют измерения в виде функции от длины пройденного пути ,

где .

7. Определяют диаграмму направленности ИРИ в виде

где .

Для реализации пункта 1, выполняют движение ЛПС в выбранную точку в пространстве О_нач(В_нач,L_нач,Н_нач), которая будет являться начальной для формирования маршрута измерений, и запоминают ее координаты.

Для выполнения пункта 2 измеряют частоту излучения ИРИ ƒ_изм., начиная с момента выхода ЛПС в начальную точку маршрута измерений О_нач(В_нач,L_нач,Н_нач), и производят вычисления значения частоты Доплера ƒ_Доп=/ƒ_изм.-ƒ_изл. По значению ƒ_Доп в соответствии с функциональной связью

где с - скорость распространения радиоволны;

- вектор скорости ЛПС;

Θ - угол между вектором скорости ЛПС и направлением на ИРИ относительно ЛПС;

- операция определения модуля, средствами управления ЛПС изменяют направление вектора его скорости v таким образом, чтобы ƒ_Доп=0, а высота полета оставалась равной Н_нач.

Для определения ДНА ИРИ необходимым условием выполнения измерений при движении ЛПС по траектории полета является обладание точками этой траектории O_i, i=1, 2,… следующими свойствами:

- равное удаление точек O_i, i=1, 2,… от точки О_ИРИ местоположения фазового центра антенной системы ИРИ (s_i=s, i=1, 2,…);

- равенство углов места β_i точек O_i, i=1, 2,… относительно плоскости местного горизонта π₁ в точке О_ИРИ (β_i=β, i=1, 2,…).

Покажем, что при выполнении, в процессе движения ЛПС на заданной высотой Н_нач, условия f_Доп=0, точки траектории О_i, i=1, 2,… обладают требуемыми перечисленными свойствами.

Поскольку геометрические размеры траектории полета при измерении ДНА ИРИ малы по сравнению с размерами земного эллипсоида, то поверхность Земли в окрестностях точки О_ИРИ можно считать плоской. В частности, в качестве этой поверхности примем плоскость местного горизонта в точке О_ИРИ, т.е. плоскость π₁. Тогда, т.к. высота Н_нач постоянна на всем маршруте полета ЛПС, то можно считать, что все точки O_i, i=1, 2,… траектории полета ЛПС лежат в плоскости π₂, причем

Так как при движении ЛПС по траектории выполняется условие ƒ_Доп=0, то радиальная скорость ЛПС, определяемая выражением

где с - скорость распространения радиоволны;

ƒ_изл - априорно известная частота излучения ИРИ [10, с. 68 - Зырянов Ю.Т., Белоусов О.А. Основы радиотехнических систем. - ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2011. - 146 с], равна 0.

Если ν_p=0, то ЛПС не приближается и не удаляется от неподвижного ИРИ, т.е. точки траектории O_i равноудалены от точки О_ИРИ местоположения фазового центра антенной системы ИРИ: s_i=s, i=1,2,…, и первое из требуемых свойств выполняется.

Поскольку геометрическое место точек в пространстве, равноудаленных от некоторой точки, - есть сфера [11, с. 242 - Бескин Л.Н. Стереометрия. - М.: Просвещение, 1971. - 415 с], то точки траектории полета ЛПС O_i, i=1,2,… принадлежат сфере с радиусом s и центром в точке О_ИРИ.

Так как точки траектории полета ЛПС O_i, i=1, 2,… принадлежат одновременно плоскости π₂ и сфере с центром в точке О_ИРИ, а пересечением сферы с плоскостью является окружность [11, с. 243], то траектория полета ЛПС - окружность.

Так как траектория полета ЛПС в виде окружности представляет непрерывную линию, а прямые (O_ИРИ, O_i) проходят через одну точку О_ИРИ, не принадлежащую этой линии, и пересекают непрерывную линию, образованную множеством точек траектории полета ЛПС O_i, i=1, 2,…, то (O_ИРИ, O_i) образуют коническую поверхность κ_пов [11, с. 170].

Поскольку тело, ограниченное замкнутой конической поверхностью и плоскостью, пересекающей все ее образующие, является конусом [11, с. 175], то тело, ограниченное κ_пов и частью плоскости π₂, ограниченной траекторией полета ЛПС в виде окружности, будет являться конусом K_кон с вершиной в точке О_ИРИ, основанием которого будет являться круг.

Возьмем произвольную плоскость, проходящую через точку вершины О_ИРИ конуса K_кон и отрезок - диаметр круга основания этого конуса, концами которого являются точки траектории. Поскольку для всех отрезков [О_ИРИ, O_i] их длины , i=1, 2,…, то пересечением этой произвольной плоскости и конуса K_кон будет являться равнобедренный треугольник с вершиной в точке О_ИРИ и прилежащими к ней катетами длиной s. При этом диаметр включает в себя точку, являющуюся центром круга основания конуса K_кон. Так как рассматриваемый треугольник - равнобедренный, то биссектриса его угла О_ИРИ будет являться одновременно и медианой, и высотой h [12, с. 35 - Киселев А.П. Геометрия / под ред. Глаголева Н.А. - М.: ФИЗМАЛИТ, 2004. - 328 с.]. Отсюда следует, что вершина О_ИРИ проектируется в центр основания конуса K_кон, поэтому конус K_кон будет прямым и круговым [11, с.182].

Свойствами прямого кругового конуса является наличие двух определяющих его параметров [11, с. 186]. Например, такими параметрами могут являться длина образующих и угол α между ними и высотой конуса h, являющейся нормалью к плоскости π₂ Т.к. плоскости π₁ и π₂ параллельны, то высота конуса h, также будет является нормалью к плоскости π₁ и угол места β₁ каждой точки О_i, i=1, 2,… относительно плоскости местного горизонта π₁ в точке О_ИРИ будет равен β₁=90°-α=β. Т.е. второе из требуемых свойств выполняется.

Отсюда следует, что при выполнении движения ЛПС на заданной высоте Н_нач в условиях ƒ_Доп=0 точки траектории O_i, i=1, 2,… обладают требуемыми свойствами:

- равное удаление точек O_i, i=1, 2,… от точки О_ИРИ местоположения фазового центра антенной системы ИРИ (s_i=s, i=1,2,…);

- равенство углов места β₁ точек O_i, i=1, 2,… относительно плоскости местного горизонта π₁ в точке О_ИРИ (β_i=β, i=1, 2,…), и выполняется необходимое условие измерений для определения ДНА ИРИ.

Для выполнения пунктов 3 и 4 в процессе движения ЛПС по маршруту измерений одновременно фиксируют длину пройденного пути , принимают сигнал ИРИ и измеряют его параметр D_ДНА, для которого определяется ДНА.

Для выполнения пунктов 5 и 6, в момент возвращения ЛПС в начальную точку маршрута измерений О_нач(В_нач,L_нач,Н_нач) завершают формирование маршрута измерений, прием сигнала и измерения его параметра D_ДНA, фиксируют конечную длину пройденного пути L_ПП, сохраняют сформированный маршрут измерений и измеренные значения параметра сигнала D_ДНA, представляют сохраненные измерения в виде функции зависимости измеренного значения параметра ИРИ D_ДНА от длины пройденного пути ,

где .

Для выполнения пункта 7 определяют ДНА ИРИ в виде функции от азимутального угла θ через функцию значения измеренного параметра D_ДНA от длины пройденного пути , т.е. ,

где .

Таким образом, предлагаемый способ имеет следующие отличительные признаки в последовательности его реализации от способа-прототипа, которые представлены в таблице 1.

Из представленной таблицы сравнения последовательностей реализации способа-прототипа и предлагаемого способа видно, что в предлагаемом способе относительно способа-прототипа дополнительно формируют маршрут измерений в процессе движения ЛПС на высоте Н_нач по критерию ƒ_Доп=ƒ_изм.-ƒ_изл→0,

где ƒ_Доп - значение частоты Доплера;

ƒ_изм. - значение частоты излучения ИРИ, измеренное на ЛПС;

ƒ_изл - априорно известная частота излучения ИРИ,

в процессе движения по маршруту измерений одновременно: измеряют параметр сигнала D_ДНA и фиксируют длину пройденного пути от начала движения по маршруту измерений с частотой выдачи данных навигационной системой ЛПС, в момент возвращения ЛПС в начальную точку маршрута измерений О_нач(В_нач,L_нач,Н_нач) завершают формирование маршрута, прием сигнала ИРИ и измерения его параметра D_ДНA, фиксируют конечную длину пройденного пути L_ПП, представляют измерения в виде функции от длины пройденного пути ,

где ,

определяют ДНА ИРИ в виде

где .

Что приводит к положительному эффекту - реализации измерения ДНА ИРИ с использованием ЛПС в условиях отсутствия информации о ее местоположении.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, изображена на чертеже. В состав устройства входят: антенная система (АС) 01, радиоприемное устройство (РПУ) 02, измеритель частоты 03, измеритель параметра сигнала 04, запоминающее устройство (ЗУ) 05, навигационная система ЛПС 06, вычислительное устройство (ВУ) 07, блок определения диаграммы направленности (БО ДНА) 08, система управления (СУ) ЛПС 09.

AC 01 соединена с РПУ 02, выход которого подключен к входам измерителя частоты 03 и измерителя параметра сигнала 04. Выходы измерителя частоты 03, измерителя параметра сигнала 04 подключены к первому входу ЗУ 05, а выход навигационной системы ЛПС 06 подключен к второму входу ЗУ 05, выход ЗУ 05 соединен с входом ВУ 07. Первый выход ВУ 07 подключен к входу БО ДНА 08, а второй выход ВУ 07 подключен к входу СУ ЛПС 09.

Сигнал ИРИ поступает на АС 01, а затем в РПУ 02, где выполняется прием сигнала и его аналого-цифровое преобразование. Далее цифровой сигнал поступает в измеритель частоты 03, в котором выполняется определение значения частоты принятого сигнала ƒ_изм., и в измеритель параметра сигнала 04, который определяет параметр D_ДHA для определения диаграммы направленности. Результаты измерений ƒ_изм. и D_ДНA из измерителя частоты 03 и измерителя параметра сигнала 04, соответственно, передаются в ЗУ 05, в то же время в ЗУ 05 поступают данные из навигационной системы ЛПС 06. Из ЗУ 05 эти данные поступают в ВУ 07, где происходит вычисление частоты Доплера, расчет длины пройденного пути и параметров коррекции траектории полета для системы управления ЛПС 09. Из ВУ 07 параметры коррекции траектории полета поступают в систему управления ЛПС 09, где обеспечивается движение ЛПС на высоте Н_нач по критерию ƒ_Доп→0. При возвращении ЛПС в начальную точку маршрута измерений, выходные данные из ВУ 07: значения измеренного параметра, им соответствующие длины пройденного пути, конечная длина пройденного пути L_ПП, - поступают в БО ДНА 08 для определения ДНА.

Варианты реализации АС 01, рассмотрены в литературе [13, Шпиндлер Э. Практические конструкции антенн - М.: МИР, 1989. - 448 с.], тип используемых антенных элементов определяется местом размещения АС 01. Под фюзеляжем в ЛПС, как правило, используются ненаправленные антенные элементы. РПУ 02 может быть выполнено в виде известных устройств, описанных, например, в [14, с. 37-110 - Сиверса А.П. Проектирование радиоприемных устройств. - М.: Советское радио, 1976. - 486 с.] или [15, с. 28-106 - Рембовский A.M. Мониторинг. Задачи, методы, средства. - М.: Горячая линия - Телеком, 2010. - 624 с.], выбор РПУ будет зависеть от типа принимаемых сигналов и возможности его размещения на используемом ЛПС. Измеритель частоты 03, измеритель параметра сигнала 04, ВУ 07, БО ДНА 08 могут быть реализованы в виде аппаратно-программного средства, например, на микросхемах программируемой логики, описанных в [16, Грушвицкий Р.И. Проектирование систем на микросхемах программируемой логики. - Санкт-Петербург: БХВ, 2002. - 607 с.], обеспечивающих малые габариты и позволяющих использование в ЛПС. Для цифрового сигнала примеры реализуемых подходов измерителя частоты 03, измерителя параметра сигнала 04, если измеряемым параметром является амплитуда сигнала ИРИ, описаны в [17, с. 130-196 - Подлесный С.А. Устройства приема обработки сигналов. - Красноярск: ИПК СФУ, 2008. - 291 с.] или [18, с. 204-265 - Рембовский A.M. Мониторинг. Задачи, методы, средства. - М.: Горячая линия - Телеком, 2010. -624 с.]. Реализация ЗУ 05 описана в [19, Горденов А.Ю. Большие интегральные схемы запоминающих устройств. Справочник. - М.: Радио и связь, 1990. - 288 с.], [20, Лебедев О.Н. Микросхемы памяти и их применение. - М.: Радио и связь, 1990]. Навигационная система ЛПС 06 и СУ ЛПС 09, являются стандартными и входят в состав ЛПС. Тип навигационной системы ЛПС 06 и тип СУ ЛПС 09 определяется используемым ЛПС.

Таким образом, предлагаемый способ, так же как и способ-прототип, позволяет измерять диаграмму направленности антенны. Кроме того, приведенная сравнительная оценка эффективности предлагаемого способа относительно способа-прототипа показывает реализацию измерения ДНА ИРИ с использованием ЛПС на случай отсутствия информации о ее местоположении.