Результаты разработки пеленгатора с синтезированной апертурой для малогабаритного беспилотного летательного аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

ООО "Специальный технологический центр" ("СТЦ")

РЕЗУЛЬТАТЫ РАЗРАБОТКИ ПЕЛЕНГАТОРА С СИНТЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ ДЛЯ МАЛОГАБАРИТНОГО БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

В.И. Кулакова

Аннотация

пеленгатор радиопеленгование радиоизлучение частота

Рассматривается задача радиопеленгования узкополосных стационарных источников радиоизлучений в диапазоне частот от 30 МГц до 3 ГГц. Представлены результаты разработки пеленгатора с синтезированной апертурой, который позволяет решить поставленную задачу с использованием двух малогабаритных БЛА. Описаны основные сложности, возникающие при реализации данного пеленгатора, и предложены пути их решения. Показано, что разработанный пеленгатор позволяет достигнуть углового разрешения в 0,1° по всем диапазоне рабочих частот. Приводятся данные летных испытаний пеленгатора, которые подтверждают представленные результаты.

Ключевые слова: синтез апертуры; радиопеленгация; определение местоположения источника радиоизлучения.

Abstract

RESULTS OF DEVELOPMENT OF SYNTHETIC APERTURE DIRECTION FINDER FOR SMALL UAV

V. I. Kulakova LTD «Special Technological Centre», Saint-Petersburg, Russia

The problem of radio direction finding to individual narrow-band stationary sources emitting in frequency range from 30 MHz to 3 GHz is considered. The paper presents the results of the development of a synthetic aperture direction finder, which allows to solve the problem with the use of two small UAVs. The main difficulties arising in the implementation of this direction finder are described, and the ways of their solution are offered. It is shown that the developed system allows to reach an angular resolution of 0,1° over the entire range of operating frequencies. The data of flight tests are presented, which confirm the results.

Keywords: aperture synthesis; radio direction finder; emitter location.

Введение

В работе представлены результаты разработки пеленгатора с синтезированной апертурой (ПСА) [1, 2] для определения местоположения источника радиоизлучения (ИРИ) с борта малогабаритного беспилотного летательного аппарата (БЛА). Интерес представляет радиопеленгование стационарных ИРИ, расположенных на земле и излучающих узкополосные радиосигналы (с полосой частот до 100 кГц) в диапазоне частот от 30 МГц до 3 ГГц (значения длины волны л от 10 м до 10 см).

Существуют разные методы и средства радиопеленгования, а также определения местоположения ИРИ. Для использования на небольшом БЛА можно выделить фазоразностный и разностно-дальномерно-доплеровский методы [3-5]. Фазоразностный пеленгатор предполагает построение многоканального приемника и антенной системы минимум из трех элементов, расположенных на расстоянии соизмеримом с длиной радиоволны. В метровом диапазоне волн конструкция данного радиопеленгатора становится слишком тяжелой и громоздкой для размещения на малогабаритном БЛА. Разностно-дальномерно-доплеровский метод рассчитан на работу с широкополосными радиосигналами, принятыми несколькими БЛА на миллисекундных интервалах времени.

Для малогабаритного БЛА привлекательным является метод синтеза апертуры, в котором используется перемещение приемной антенны в пространстве для построения ее виртуальной апертуры большого размера [6, 7]. При этом в ПСА, в отличие от радиолокатора с синтезированной апертурой, используются только разнесенные в пространстве приемники радиосигналов, а полезной информацией для определения местоположения цели является составляющая мгновенной фазы принятого сигнала, вызванная изменением расстояния от ИРИ до приемных антенн (рисунок 1).

Рис. 1 Радиопеленгование ИРИ с помощью ПСА

Привлекательность ПСА состоит в малой массе и габаритах, возможности работы при малых значениях отношения сигнал/шум, возможности азимутального разделения нескольких ИРИ. Однако существует ряд технических сложностей при реализации ПСА:

? нужно измерять текущие координаты фазового центра антенны (ФЦА) с ошибкой не превышающей 1/8 от длины принимаемой радиоволны [6];

? требуется знать ошибку настройки приемника на заданную частоту, которая вызывается случайными уходами частоты опорных генераторов (ОГ) в приемных трактах;

? необходимо обеспечивать стабильность фазы сигнала в приемном тракте на нужных длительностях синтезирования (когерентного накопления радиосигнала).

К недостаткам метода можно отнести длительное время пеленгования ИРИ, необходимое для построения виртуальной апертуры антенны большого размера, и, следовательно, получения высокого углового разрешения.

В данной статье представлены результаты разработки ПСА для БЛА «Орлан-10» производства ООО «СТЦ» [8]. Вначале приводится общее описание пеленгатора и описываются решения, принятые для его успешной реализации. В заключение работы представлены данные летных испытаний и даны оценки точности ПСА.

Общее описание ПСА

Для реализации ПСА достаточно двух приемных постов с одним антенно-приемным модулем (АПМ). Хотя бы один из постов должен быть подвижным. В данной работе в качестве носителей АПМ используются БЛА. Навигационную поддержку ПСА в низком диапазоне частот (до 200 МГц) можно обеспечить на борту БЛА с помощью спутниковой навигационной системы (СНС). При этом желательно приемную антенну СНС расположить рядом с приемной антенной сигнала ИРИ. При радиопеленговании ИРИ, работающих в более высоком диапазоне частот, для обеспечения требуемой точности измерения положения ФЦА необходимо в состав навигационной системы БЛА включить инерциальную систему навигации (ИНС) [9].

Во время работы ПСА на борту каждого БЛА осуществляется прием сигнала от ИРИ на интервале синтезирования , формирование его квадратурных составляющих, перенос сигнала на нулевую частоту, дискретизация сигнала в соответствии с занимаемой сигналом полосой частот. Комплексные отсчеты сигнала вместе с навигационной информацией и данными для системы синхронизации АПМ по частоте передаются на наземный пункт управления (НПУ). Синхронизация АПМ по времени, а также синхронизация радиосигнала с данными навигации осуществляется с помощью импульса секундной метки времени (СМВ), который поступает от приемника СНС, входящего в состав бортовой навигационной системы.

Структурная схема обработки информации на НПУ представлена на рисунке 2 и включает в себя: синхронизацию АПМ по частоте, обработку радиосигнала, счисление траекторий ФЦА, синтез апертуры (согласованную обработку траекторного сигнала) и местоопределение.

Рис. 2 Структурная схема обработки информации на НПУ

Блок синхронизации приемников по частоте

Блок синхронизации частоты позволяет определить отстройку ОГ АПМ от номинального значения, что необходимо для измерения значения доплеровской частоты принятого радиосигнала. Для оценки действительной частоты ОГ используется импульс СМВ, который поступает с темпом один раз в секунду от приемника СНС со среднеквадратической ошибкой 50 нс. Высокая точность выдачи сигнала СМВ позволяет отсчитать некоторый отрезок времени и сопоставить его со временем, вычисленным по данным ОГ, и, таким образом, получить значение отстройки частоты ОГ. На следующем шаге, с учетом преобразований принятого радиосигнала в аналоговой и цифровой части АПМ, отстройка по частоте между двумя ОГ пересчитывается на несущую частоту радиосигнала.

Точность оценки отстройки частоты ОГ определяет точность измерения доплеровской частоты принятого радиосигнала. При прямолинейном движении БЛА неверное значение доплеровской частоты хотя и не повлияет на когерентное накопление радиосигнала в апертуре, но приведет к систематической ошибке пеленга [6]. При маневрах БЛА (при значительном изменении направления вектора путевой скорости БЛА за время синтеза апертуры) нарушит когерентность сигнала в апертуре.

Степень влияния отстройки частоты на работу ПСА будет зависеть от значений путевых скоростей БЛА, а также траекторий движения БЛА относительно ИРИ. На борту малогабаритного БЛА в качестве ОГ используются высокостабильные кварцевые генераторы. При выходе такого ОГ в рабочий режим и при условии, что перемещается только один БЛА прямолинейно со скоростью 30 м/с, а угол наблюдения ИРИ составляет 90°, СКО систематической ошибки пеленга из-за погрешности измерения частоты ОГ составляет 0,1°.

Блок обработки радиосигнала

Схема блока обработки радиосигнала представлена на рисунке 3. Для выделения траекторного сигнала, содержащего полезную информацию для пространственной селекции ИРИ, выполняется перемножение радиосигналов, принятых от ИРИ на разных БЛА. Для полученного в результате сигнала можно записать:

, (1)

где - сигнал, принятый первым АПМ, - комплексно сопряженный сигнал, принятый от ИРИ вторым АПМ, U₁(t), U₂(t) - амплитуды сигналов и , - волновое число, л - длина волны ИРИ, , - расстояния от ИРИ до траектории перемещение ФЦА первого и второго АПМ соответственно, - отстройка по частоте между двумя АПМ, , - нестабильности фазы, вносимые АПМ, - постоянный фазовый сдвиг.

Рис. 3 Блок обработки радиосигнала

В (1) сделано допущение, что можно пренебречь величиной задержки между сигналами и . Это справедливо при выполнении условия: r₁-r₂ < c/?f, где ?f - полоса принимаемого сигнала, c - скорость света. Например, для полосы ?f = 10 кГц разница расстояний r₁ и r₂ должна быть меньше 30 км. Невыполнение названного условия приводит к необходимости учета задержки между сигналами и .

Полезная информация в результирующем сигнале заключена в составляющей его фазы , из чего следует, что полоса полезного сигнала определяется диапазоном доплеровских частот. После коррекции сигнала на отстройку по частоте , которая поступает из блока синхронизации частоты, сигнал пропускается через фильтр низких частот (ФНЧ) и его частота дискретизации понижается. Обнаружитель полезного сигнала предлагается использовать по результирующему сигналу после понижения его частоты дискретизации. На выходе блока получается траекторный сигнал , который поступает в блок синтеза апертуры.

Блок счисления траектории

Для синтезирования апертуры необходима высокоточная информация о движении антенны относительно ее местоположения в момент старта накопления принятого ей радиосигнала. В общем случае допустимой является ошибка положения точек апертуры относительно заданного порядка л/8 [6]. Для обеспечения такой точности во всем диапазоне длин волн на борту БЛА используется интегрированная инерциально-спутниковая навигационная система на базе микромеханических датчиков, разработанная ООО «СТЦ» [9].

Навигационные данные, поступающие с двух БЛА на НПУ, подаются в блок относительного счисления траекторий (рисунок 4) [2, 9]. Траектории центров масс БЛА счисляются в фиксированной относительно земли декартовой системе координат ФСК (F) ox_Fу_Fz_F, местоположение начала которой задается оператором. При необходимости выполняется интерполяция координат для повышения частоты обновления навигации до частоты дискретизации траекторного сигнала. Кроме того, выполнятся пересчет координат из центров масс БЛА в местоположение ФЦА.

Рис. 4 Блок счисления траекторий ФЦА

Ошибка в знании начального положения ФЦА приведет к равной ошибке определения местоположения ИРИ, но не повлияет на когерентное накопление радиосигнала в апертуре [6]. По данным системы навигации СКО данной ошибки составляет 6 м. Наиболее жесткие требования к ошибкам относительного счисления координат ФЦА предъявляются для несущей частоты 3 ГГц и составляют не более 3 см. В работе [9] показано, что навигационная система обеспечивает данную точность на участках траектории без маневрирования на длительностях синтезирования до 5 с, что позволяет достичь углового разрешения 0,05° при средней скорости БЛА 30 м/с.

Блок синтеза апертуры (согласованной обработки)

Измеренные на интервале синтезирования координаты движения ФЦА используются для расчета расстояний , от n-го точечного стационарного объекта (цели) с координатами до положений ФЦА первого и второго АПМ в момент времени t и формирования эталонного траекторного сигнала:

. (2)

Сигнал используется в качестве опорной функции при согласованной обработке принятого траекторного радиосигнала. При этом уровень сигнала на выходе блока согласованной обработки для n-го объекта:

, , (3)

где , - значения энергий сигналов и . Чем лучше согласованы опорная функция и принятый радиосигнал, т.е. чем больше совпадают фазы сигналов, тем выше значение Q_n.

Совокупность величин Q_n представляет собой функцию пространственной неопределенности (ФН), которая характеризует рассогласование принятого траекторного сигнала от точечного объекта и опорного (эталонного) траекторного сигнала, рассчитанного при известных траекториях движения задействованных ФЦА и известных координатах объекта.

Блок местоопределения

В блоке местоотпределения происходит сложение (наложение) нескольких ФН, полученных на разных траекториях, и определение местоположения ИРИ путем поиска точечного объекта, при котором достигается максимум суммарной ФН. Нужно отметить, что высота ИРИ считается заданной, т.е. поиск осуществляется только по координатам x и y.

Достижимые точности ПСА

Достижимые точности ПСА зависят от длительности синтезирования апертуры, длины волны ИРИ, значений путевых скоростей БЛА, а также траекторий движения БЛА относительно ИРИ.

В таблице 1 приведены значения необходимого времени синтезирования апертуры для достижения углового разрешения ди = 0,1° при условии, что перемещается только один БЛА со скоростью 30 м/с, а угол наблюдения ИРИ составляет 90°.

Таблица 1

Необходимое время синтеза апертуры для ди = 0,1°

Точность разработанной системы навигации достаточна для обеспечения условия когерентного накопления радиосигнала на участках траектории без интенсивного маневрирования на представленных в таблице интервалах времени T для всех рабочих частот. Ограничение времени синтезирования может быть вызвано нестабильностями фазы, которые вносятся в сигнал при его прохождении через АПМ главным образом посредством ОГ. Нестабильность фазы колебания на выходе кварцевого генератора за секундные интервалы времени имеет в основном характер квадратичного набега [10] (линейного ухода частоты). В целях пеленгования квадратичный набег фазы на краях апертуры должен быть не больше 90°. При этом СКО высокочастотной нестабильности фазы должно быть не больше 10°. Фазовые нестабильности, вносимые АПМ, можно проверить, записав принятый радиосигнал при стационарных условиях. Проведенные исследования показали, что при выходе ОГ в рабочий режим, когерентность сигнала обеспечивается на заданных в таблице 1 длительностях во всем диапазоне частот.

Таким образом, разработанный ПСА обладает систематической ошибкой с СКО 0,1°, вызванной неточностью измерения действительной частоты ОГ, и позволяет достигнуть углового разрешения в 0,1°, если ИРИ присутствует в эфире достаточное время, чтобы синтезировать апертуру на представленных в таблице интервалах времени.

Результаты летных испытаний

Результаты летных испытания ПСА с двумя БЛА для диапазона частот от 30 до 200 МГц и наиболее распространенных видов модуляции (амплитудной, частотной, однополосной) представлены в работе [1]. Во время экспериментов местоположение различных ИРИ было определено с погрешностью менее 7 м на расстоянии 4 км. При этом навигационная поддержка ПСА обеспечивалась только с помощью СНС. Примеры синтезирования апертуры для несущей частоты 2600 МГц при использовании ИНС/СНС представлены в работе [9]. При этом перемещался только один БЛА. Эксперимент продемонстрировал, что на данной несущей частоте ПСА позволяет достигнуть углового разрешения 0,05° при средней путевой скорости БЛА 30 м/с.

В данной работе представлены результаты испытаний ПСА с двумя БЛА для диапазона частот 400-500 МГц, который представляет особый интерес в целях радиомониторинга, так как соответствует рабочим частотам портативных радиостанций. В качестве носителя использовался БЛА «Орлан-10». Для данного БЛА взлетная масса составляет 14 кг, масса полезной нагрузки - до 3 кг, воздушная скорость - от 25 до 40 м/с. БЛА стартует с катапульты.

Вначале для оценки достижимой точности ПСА был поставлен эксперимент с непрерывным сигналом при большом значении отношения сигнал/шум (30 дБ). В качестве ИРИ использовался генератор монохроматического сигнала на частоте 450 МГц (л = 0,7 м). Геодезические координаты ИРИ были известны с точностью до одного метра. Для удобства начало ФСК было совмещено с координатами ИРИ. Один БЛА летал вокруг ИРИ на расстоянии около 2 км, высоте 1 км, со средней путевой скоростью 22 м/с. Второй приемник радиосигнала располагался стационарно на земле.

На рисунке 5, а приведен пример отрезка траектории БЛА в ФСК, на котором была синтезирована апертура. Соответствующая ему траектория ФЦА в системе координат, где ось y направлена по направлению движения БЛА, показана на рисунке 5, б. На данном отрезке длительностью 13 с БЛА двигался со скоростью 21,5 м/с, что позволило синтезировать апертуру размером = 279 м. Угловой размер синтезированной апертуры , где - дальность до ИРИ, составил 8,5°, что соответствует разрешению по углу 0,14°, линейному разрешению вдоль линии пути 4,5 м и разрешению по дальности 420 м.

На рисунке 5, в показано рассогласование по фазе между принятым и опорным траекторными сигналами. Видно, что ошибка по фазе находится в пределах 40°, что позволяет достигнуть максимума ФН равного 0,91. На рисунке 5, г приведен элемент разрешения ПСА (сечение ФН по уровню 0,7) в ФСК в области ИРИ (шаг сетки по x - 3 м, шаг по y - 2 м). Полученное в эксперименте разрешение пеленгатора вдоль линии пути составляет 5 м.

Рис. 5 Результаты эксперимента № 1

Во время второго эксперимента с помощью двух БЛА определялось местоположение радиостанции, периодически излучающей частотно-модулированный сигнал c полосой частот 5 кГц на несущей частоте 469 МГц. Эксперимент длился 5 минут, в течение которых БЛА летали на высоте 1 км на расстоянии около 4 км от ИРИ. Траектории движения БЛА в ФСК представлены на рисунке 6, а. ИРИ находится в центре координат. Первый БЛА летел со средней путевой скоростью 22 м/с, а второй БЛА - 31 м/с. На рисунке 6, б представлены выборки радиосигналов, принятые двумя АПМ. В целях исключения влияния систематической ошибки ПСА при суммировании ФН, полученных на разных участках траектории, было задано разрешение по углу для ПСА 0,5°.

Рис. 6 Результаты эксперимента № 2

На рисунке 3, в представлена суммарная ФН (шаг по x и y - 10 м), а на рисунке 3, е изображен соответствующий элемент разрешения, где "M" обозначает максимум ФН, который является результатом определения местоположения ИРИ с помощью ПСА. Из рисунка следует, что местоположения ИРИ было определено с ошибкой 22 м.

Заключение

В работе представлены результаты разработки пеленгатора с синтезированной апертурой с использованием двух малогабаритных БЛА для радиопеленгования стационарных ИРИ, излучающих узкополосные радиосигналы в диапазоне частот от 30 МГц до 3 ГГц. Показано, что для реализации данного пеленгатора необходимо наличие интегрированной инерциально-спутниковой навигационной системы на борту БЛА для высокоточного сопровождения траекторий движения ФЦА, АПМ с малыми фазовыми нестабильностями и системы синхронизации двух АПМ по частоте.

На угловое разрешение ПСА влияют длительность синтезирования апертуры, длина волны ИРИ, значения путевых скоростей БЛА, траектории движения БЛА относительно ИРИ, а также продолжительность присутствия ИРИ в эфире. Предложенные технические решения позволяют синтезировать апертуры достаточной длительности, чтобы при определенных условиях движения БЛА относительно ИРИ достигнуть углового разрешения в 0,1° при систематической ошибке по углу с СКО 0,1° во всем диапазоне рассматриваемых частот.

Литература

1. Царик О. В., Терентьев А. В., Кулакова В. И., Смирнов П. Л. Способ и устройство определения координат источника радиоизлучения. RU 2594759 G01S5/04, заяв. 28.10.2015, опубл. 27.07.2016.

2. Кулакова В. И., Царик О. В. Пассивный синтез апертуры в метровом диапазоне с сопровождением траектории фазового центра антенны. // Успехи современной радиоэлектроники, 2016, № 5. С. 15-22.

3. Рембовский А. М., Ашихмин А. В., Козьмин В. А. Радиомониторинг - задачи, методы, средства. / Под ред. А. М. Рембовского. М.: Горячая линия-Телеком, 2010. 624 с.

4. Кондратьев В. С., Котов А. Ф., Марков Л. Н. Многопозиционные радиотехнические системы. / Под ред. проф. В. В. Цветаева. М.: Радио и связь, 1986. 251 с.

5. Царик Д. В., Клишин А. В., Петров А. Ю. Определение координат источников радиоизлучения разностоно-дальномерным методом с использованием двух беспилотных летательных аппаратов. // Успехи современной радиоэлектроники, 2015, № 7. С. 39-43.

6. Кондратенков Г. С., Фролов А. Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. М.: Радиотехника, 2005. 368 с

7. Wang W. Q. Multi-Antenna Synthetic Aperture Radar. Boca Raton, FL: CRC Press, Taylor & Francis, cop., 2013. 438 р.

8. Свободная энциклопедия "ВикипедиЯ". https://ru.wikipedia.org/wiki/Орлан-10, 01.03.2018.

9. Кулакова В. И., Сохарев А. Ю. Навигационная система для сопровождения траектории движения антенны на малогабаритном БЛА. // Успехи современной радиоэлектроники, 2017, № 10. С. 5-14.

10. Rutman J. Characterization of frequency stability in precision frequency sources. // Proceedings of the IEEE, 1991, Vol. 79, № 6. Pp. 952-960.

Размещено на Allbest.ru