Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ возможностей совершенствования характеристик пеленгаторных антенных решеток на основе их математического моделирования с учетом процессов взаимного электродинамического влияния 12
1.1. Сравнительный анализ точности математических моделей и методов с точки зрения возможности учета процессов электродинамического взаимодействия в пеленгаторных антенных системах 14
1.2. Анализ современных программных средств моделирования сложных электродинамических объектов 20
1.3. Анализ перспективных путей построения пеленгаторных антенных систем вибраторного типа и алгоритмов обработки сигналов с учетом наличия эффектов электродинамического взаимодействия 25
1.4. Выводы 30
2. Разработка математических моделей вибраторных антенных систем на основе метода интегральных уравнений 31
2.1. Математическое моделирование влияния геометрии излучателей антенной решетки на ее пеленгационную характеристику 34
2.2. Математическое моделирование рассеяния плоских радиоволн на двухъярусной вибраторной антенной решетке стационарного пеленгатора 41
2.3. Разработка математических моделей функционирования антенной решетки из наклонных элементов в режиме поляризационной селекции принимаемых электромагнитных волн 50
2.3.1. Модель, основанная на прямом использовании метода интегральных уравнений Халлена 50
2.3.2. Использование метода наведенных ЭДС для уменьшения количества вычислительных процедур при функционировании программы имитационного моделирования пеленгаторной антенной решетки 57
2.4. Разработка алгоритма структурного и параметрического синтеза вибраторных антенных решеток пеленгаторов стационарного и мобильного базирования, особенности алгоритма их численного анализа 63
2.5. Математическое моделирование пеленгаторной антенной решетки, состоящей из вибраторных логопериодических структур 73
2.6. Выводы 82
3. Разработка и исследование алгоритмов пеленгации источников радиоизлучения с помощью вибраторных антенных решеток 85
3.1. Алгоритм нелинейной обработки принимаемых пространственных сигналов с высокой степенью однозначности оценки азимута источника радиоизлучения в широкой полосе частот 86
3.2. Исследование устойчивости алгоритмов сверхразрешения источников радиоизлучения к ошибкам измерения комплексных амплитуд в каналах пеленгаторных антенных решеток вибраторного типа 90
3.3. Алгоритм коррекции в реальном масштабе времени измеренного в натурных условиях пеленга, основанный на эвристической модели распределения токов по корпусу носителя вибраторной антенной решетки 97
3.4. Алгоритм обработки принимаемых сигналов, учитывающий процессы электродинамического взаимодействия элементов антенной решетки и опорных конструкций 105
3.5. Алгоритм коррекции измеренного в натурных условиях с помощью вибраторной антенной решетки пеленга, основанный на предложенной итерационной модификации метода наведенных ЭДС 108
3.6. Методика программной коррекции пеленга, измеренного в мобильном пеленгаторном комплексе с помощью малоэлементной вибраторной антенной решетки, основанная на интерполяции данных натурных экспериментальных измерений
3.7. Выводы 118
4. Создание пакета программ численного моделирования пеленгаторных антенных решеток и программных средств обработки сигналов с учетом эффектов электродинамического взаимодействия 120
4.1. Структура разработанного программного комплекса 120
4.2. Особенности интерфейсов программ для численного моделирования пеленгаторных антенных решеток вибраторного типа 124
4.3. Особенности функционирования программно-аппаратного комплекса радиопеленгования и радиомониторинга 129
4.4. Анализ технических характеристик пеленгаторных программно-аппаратных комплексов, оснащенных антенными решетками, созданных с помощью разработанного программного инструментария 142
4.5. Выводы 149
Заключение 150
Список использованных источников 151
- Анализ современных программных средств моделирования сложных электродинамических объектов
- Математическое моделирование рассеяния плоских радиоволн на двухъярусной вибраторной антенной решетке стационарного пеленгатора
- Исследование устойчивости алгоритмов сверхразрешения источников радиоизлучения к ошибкам измерения комплексных амплитуд в каналах пеленгаторных антенных решеток вибраторного типа
- Особенности функционирования программно-аппаратного комплекса радиопеленгования и радиомониторинга
Введение к работе
Актуальность работы. Одним из наиболее перспективных направлений улучшения технических и эксплуатационных характеристик и параметров современных программно-аппаратных комплексов радиопеленгации является уменьшение систематических ошибок пеленгования, обусловленных искажением структуры амплитудно-фазового распределения электромагнитного поля в трехмерном пространстве наблюдения элементами антенной системы, узлами ее крепления, опорной мачтой, корпусом носителя и другими металлическими предметами, расположенными вблизи радиопеленгатора.
Процессы электродинамического взаимодействия вышеназванных объектов, рассеивающих электромагнитные волны, создаваемые источниками радиоизлучения (ИРИ), зачастую носят очень сложный характер и могут приводить к ошибкам оценки угловых координат ИРИ до (30-40) в случае мобильного базирования радиопеленгатора и до (6-12) для стационарных комплексов. Кроме этого, взаимная электромагнитная связь антенной системы и несущих конструкций (а ими могут являться объекты различных электрических размеров и сложной формы, в частности, автомобили, вертолеты и т.д.) приводит к ухудшению разрешающей способности радиотехнических систем, неоднозначности пеленгования и падению чувствительности.
Создание эффективных методов численного анализа пространственно-распределенных электродинамических объектов, каковыми являются вибраторные антенные решетки программно-аппаратных комплексов пеленгации, адекватных математических моделей протекающих в них процессов электродинамического взаимодействия, алгоритмов реально-временной коррекции измеренных в натурных условиях пеленгов и, реализующих их, удобных для пользования программных средств, является важной научно-технической задачей.
Известные работы Тихонова, Ильинского, Рашковского, Маторина и других авторов послужили фундаментальным теоретическим основанием для выполнения настоящей диссертационной работы.
Использование методов и средств математического моделирования пеленгаторных антенных решеток (АР) вибраторного типа поможет понять глубокую физическую сущность процессов электродинамического взаимодействия излучающих (приемных) элементов и различных рассеивающих
объектов, сформулировать принципы построения приемных антенных систем, в минимальной степени искажающих наблюдаемое электромагнитное поле, а также приблизить характеристики и параметры программно-аппаратных пеленгаторных комплексов к потенциально достижимым.
Данному обстоятельству способствуют быстро растущие возможности персональной вычислительной техники и ее программного обеспечения: ведь до недавнего времени даже предложенные в начале и середине прошлого века методы математического моделирования антенных решеток не могли быть реализованы даже на больших стационарных вычислительных комплексах, не говоря уже об их использовании для коррекции натурных экспериментальных данных в реальном масштабе времени; сегодня же многие подобные вычислительные процедуры являются по силам даже портативным компьютерам.
Диссертационная работа выполнена в рамках проводимой в ВГТУ НИР НТП 05/03 «Создание и исследование антенных решеток и алгоритмов коррекции измеренных угловых координат источников радиоизлучения с учетом электродинамического взаимодействия антенно-фидерной системы с корпусом носителя» и одного из основных научных направлений Воронежского государственного технического университета - «Разработка и исследование перспективных радиоэлектронных и лазерных устройств, систем передачи, приема, обработки и защиты информации».
Целью диссертационной работы является создание математических моделей вибраторных антенных решеток, алгоритмов их синтеза и анализа, обработки сигналов с учетом протекающих процессов электродинамического взаимодействия между излучателями, опорными и несущими конструктивными элементами, а также разработка программного обеспечения комплексов радиопеленгации.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
Анализ современных программных средств моделирования сложных электродинамических объектов
Сложность используемых в настоящее время пеленгаторных антенно-фидерных систем и алгоритмов обработки принимаемых сигналов зачастую столь высока, что их эффективная разработка и модернизация невозможны без широкого применения методов их математического моделирования. В последний период особенно интенсивно развивается теория и техника пелен-гаторных антенных решеток, обладающих ранее недостижимыми техническими и эксплуатационными возможностями (в частности, шириной полосы рабочих частот, разрешающей способностью, коэффициентом усиления, уровнем боковых излучений, способностью работы в многосигнальном режиме и др.). Разработка методов, математических моделей и алгоритмов анализа и синтеза пеленгаторных антенных решеток вибраторного типа является одним из перспективных направлений развития как программно-аппаратных комплексов радиопеленгования, антенной техники и области математического моделирования. Рассмотрим особенности используемых в настоящее время в России и за рубежом электродинамических моделирующих программ.
Среди зарубежных фирм, занимающихся разработкой симуляторов антенно-фидерных и СВЧ устройств, можно выделить следующие: Hewlett-Packard, Ansoft и Applied Wave Research (AWR). Одним из лидеров в данной области является фирма Hewlett-Packard. Программная продукция этой всемирно известной фирмы используется для создания антенно-фидерных и СВЧ устройств, создаваемых оборонными предприятиями США. Электродинамические пакеты, разработанные фирмой Hewlett-Packard, отличают повышенная степень универсальности и надежности, обратной стороной чего, однако, является очень высокая стоимость программных продуктов. Во многих странах мира (в том числе и в России) используются СВЧ пакеты программ фирмы Hewlett-Packard, стоимость которых весьма высока. Весьма солидную репутацию в данной области имеет и фирма Ansoft. Фирма AWR, несмотря на свою «молодость», предприняла попытку изменить расстановку сил на рынке программных продуктов в области технологии СВЧ устройств, выпустив в 1998 году пакет программ Microwave Office. Его обеспечение функционирует в среде Windows персональных IBM- совместимых компьютеров, что дает возможность использовать его широкому кругу пользователей, разрабатывающих антенную и СВЧ технику (в то время как программные продукты фирм Hewlett-Packard и Ansoft в основном создавались под операционную систему Unix для использования на высокопроизводительных и дорогостоящих рабочих станциях).
К наиболее часто используемым программным продуктам можно отнести System View, SIMULINK, LabView, SysCalk, APLAC, MicroSim, Mentor Graphics, HFSS, CST Micro Wave Studio, ADS, Maxwell.
Среди отечественных моделирующих программ в области антенно-фидерных и СВЧ устройств и систем наибольшей известностью пользуются программные продукты, разработанные коллективами авторов под руководством Д. И. Воскресенского, В. В. Никольского, Д. М. Сазонова, А. А. Кириленко, Я. С. Шифрина, Б. В. Сестрорецкого. Весьма популярны в нашей стране и за рубежом СВЧ пакеты программ TAMIC, разработанные фирмой «Вега-Стар» (г. Москва) под руководством Б. В. Сестрорецкого. Особенностью математического аппарата последних является использование концепции импедансных сеток и введение топологических ограничений, позволяющих сводить трехмерный анализ электродинамического объекта к двумерному [30, 37]. Пакеты семейства TAMIC в настоящее время составляют серьезную конкуренцию лучшим зарубежным электродинамическим симуляторам. Рассмотрим особенности и возможности некоторых наиболее известных симуляторов антенно-фидерных и СВЧ устройств и систем. Пакет прикладных программ (1II111) HP Momentum фирмы Hewlett-Packard позволяет радиоинженерам и проектировщикам СВЧ устройств значительно расширить число и диапазон параметров анализируемых пассивных цепей, моделей и схем СВЧ. ПІ ІП HP Momentum при моделировании эффектов взаимовлияния и паразитных явлений учитывает реальные проектные параметры (нормы топологии), может анализировать многоуровневые объекты произвольной конфигурации. Используемые в пакете HP Momentum двумерные математические модели фундаментальных анализируемых объектов накладывают ограничение на область его применимости, так как он специально разрабатывался для моделирования планарных схем. Система HP Momentum работает в сочетании с СВЧ линейными симуляторами HP Eesof. Она используется для вычисления S-, Y- и Z- параметров планарных СВЧ схем: микрополосковых и полосковых линий передач, измерительной линии, компланарного волновода и других схемных топологий. В табл. 1.1 приведена сравнительная характеристика электромагнитных симуляторов HP Momentum и HP 85180А.
Наличие фундаментальных отличий в принципах построения делает данные ППП взаимодополняющими. Пакет HP 85180А необходимо использовать там, где требуются возможности полной трехмерной симуляции. Типичные примеры включают: волноводные схемы, резонаторы, коаксиально-волноводные адаптеры и другие непланарные структуры.
Основу системы электродинамического проектирования (СЭП) MDS/Mentor Graphics Integration фирмы Hewlett-Packard составляют пакет ВЧ и СВЧ автоматизированного проектирования HP MDS и графическая подсистема Mentor Graphics Integration. СЭП MDS/Mentor Graphics Integration работает в системе Unix и включает программы схематического ввода, СВЧ схемы и цепи, электромагнитные и системные симуляторы, программы компоновки элементов, библиотеки данных для 40000 различных СВЧ устройств. Данные средства внедрены в графическую среду пользователя и дают возможность решать проектные задачи от концепции до конечного продукта. В состав упомянутого пакета входит более 80 программных модулей.
В настоящее время широкую популярность приобрела программа HP High Frequency Structure Simulator (HP HFSS) фирмы Hewlett Packard, предназначенная для моделирования, разработки и оптимизации пассивных трехмерных электромагнитных структур произвольной формы, включая разработку радио- и микроволновых коннекторов и адаптеров, микроволновых, радиочастотных и быстродействующих схем. В настоящее время широко известен также пакет Maxwell фирмы Ansoft, являющийся в определенном смысле преемником в развитии возможностей ППП HP HFSS.
Мощным программным средством численного электродинамического анализа является пакет CST Micro Wave Studio. Его возможности существенно превышают возможности программных средств HP HFSS и Maxwell. Пакет позволяет вычислить все основные характеристики антенных устройств. Однако если требуется определить величины взаимных сопротивлений между несколькими вибраторными антеннами, данную информацию из средства CST Micro Wave Studio в явном виде извлечь, к сожалению, так же невозможно, как и вывод комплексных амплитуд токов в фиксированных точках.
Математическое моделирование рассеяния плоских радиоволн на двухъярусной вибраторной антенной решетке стационарного пеленгатора
Следует отметить также, что уровень боковых и заднего лепестков АР, состоящей из гантелеобразных элементов, в среднем ниже, чем в случае традиционно используемых цилиндрических вибраторов. Данный факт можно использовать для повышения помехоустойчивости аппаратуры пеленгации и радиомониторинга.
Подводя итоги подраздела, можно заключить следующее. Путем численного машинного моделирования показано, что геометрические параметры элементов антенной решетки оказывают сильное влияние на форму ее диаграммы направленности. Из полученных результатов следует, что для минимизации взаимного влияния элементов антенной решетки следует использовать низкодобротные вибраторы с небольшими угловыми размерами (в случае применения гантелеобразных вибраторов их максимальный диаметр должен быть существенно меньшим их полной длины).
Подтвержден известный факт, свидетельствующий о том, что решетки с четным числом элементов (по сравнению с нечетным их количеством) обладают при одинаковом электрическом диаметре большими значениями уровня боковых лепестков и систематических ошибок оценки угловых координат источников радиоизлучения. Выяснено, что использование гантелеобразных вибраторов позволяет уменьшить уровень боковых и задних лепестков на частотах собственных резонансов антенной решетки, повысить степень однозначности пеленгования ИРИ.
Полученные в данном подразделе математические модели и разработанное программное обеспечение могут использоваться для решения актуальной научно-технической задачи - осуществления коррекции измеренных в натурных условиях угловых координат источников радиоизлучения [116].
Непрерывно возрастающие потребности пользователей аппаратуры радиомониторинга и пеленгации, вызванные как быстрым освоением радиочастот СВЧ диапазона, так и применением для несанкционированной передачи информации радиоволн средневолнового, коротковолнового и УКВ диапазонов, приводят к необходимости создания современных систем радионаблюдения и пеленгации, характеризующихся коэффициентом перекрытия по частоте (kf = /тх//тіп ) значительно большим тысячи [82, 116].
Подобные требования к аппаратуре радиомониторинга и пеленгации вызывают множество серьезных проблем. Во-первых, ограниченной является полоса рабочих частот базовых элементов (вибраторов) антенных решеток. Во-вторых, вибраторы нельзя ставить слишком далеко друг от друга - при расстоянии между вибраторами, стремящимися к длине рабочей волны, резко возрастает уровень боковых лепестков и падает однозначность оценки угловых координат источников радиоизлучения (ИРИ), не говоря уже об увеличении габаритных размеров антенной системы, ее демаскировке. В третьих, антенные элементы нельзя располагать и слишком близко друг к другу - при этом резко усиливается степень их взаимного влияния, что может привести к сильному искажению амплитудно-фазовой картины распределения поля в оцениваемом множестве точек пространства, следствием чего может стать появление грубых промахов в измерении как азимутальной, так и угломест-ной координаты ИРИ. Нельзя не упомянуть и том, что в рабочей полосе частот фиксированное расстояние между двумя соседними элементами dLJ соответствует значениям электрического расстояния dltJ/ AQ существенно меньшим 1 в низкочастотной области (средние, короткие волны и отчасти волны УКВ диапазона частот), а также сравнимым с единичной величиной и даже существенно большим ее в СВЧ диапазоне волн (частоты от 300 МГц до 3 ГГц). Это следует принять к сведению при оговорке, что в настоящее время серийно выпускается приемно-передающая аппаратура, работающая в диапазоне частот до 40 ГГц (в некоторых приложениях, в частности, в радиолокационных системах с высоким разрешением, в системах высокоточного оружия используются частотные диапазоны до 500 ГГц).
Вышесказанное делает весьма актуальным проблему оптимального структурного синтеза антенных решеток, используемых в системах радиопеленгации, нерешенную до сих пор. Давно уже известен эффективный подход, заключающийся в построении многоярусных (многолитерных) вибраторных антенных решеток [129]. Он является глубоко физичным - ведь многоярусные, вложенные друг в друга антенные решетки с элементами разного размера фактически являются примерами фрактальных структур, строение которых повторяется на разных уровнях, что наблюдается во многих природных объектах, явлениях и системах. Однако до сегодняшнего момента в литературе отсутствуют результаты строгого математического анализа многоярусных пеленгационных антенных решеток.
С одной стороны, они являются достаточно сложными системами для того, чтобы их анализировать с помощью приближенных методов теории антенн (например, метода наведенных ЭДС и его модификаций) - могут сыграть весьма существенную роль взаимные резонансы между литерами (ярусами) и дифракционные эффекты высшего порядка. В данном случае не приходится долго выбирать оптимальный метод анализа - аппарат интегральных уравнений Халлена для тонких вибраторов с одной стороны, вытекает непосредственно из уравнений Максвелла [5], а с другой - намного проще метода интегральных уравнений электродинамики в общей постановке [24, 39, 117].
В настоящей работе с использованием метода интегральных уравнений Халлена построена математическая модель двухъярусной вибраторной АР, установленной на антенной мачте, рис. Переход от полученной системы интегральных уравнений к системе линейных алгебраических уравнений осуществлен с помощью метода коллокаций [24, 39]. Диаграммы направленности (взаимно-корреляционные функции между реальным амплитудно-фазовым распределением (или реальным фазовым распределением) и идеальным распределением фаз, соответствующим случаю отсутствия взаимного влияния, построены в соответствии с методикой, изложенной в [82]).
Исследование устойчивости алгоритмов сверхразрешения источников радиоизлучения к ошибкам измерения комплексных амплитуд в каналах пеленгаторных антенных решеток вибраторного типа
Вышеперечисленные противоречия отчасти разрешаются при использовании разработанного алгоритма структурного синтеза вибраторных АР, рис. 2.23. В частности, при проектировании пеленгатора с секторным обзором целесообразным является использовать линейные антенные решетки (при одинаковом с кольцевыми структурами числе элементов и базе они имеют большие поперечные (относительно направления прихода электромагнитной волны) размеры, а, следовательно, обеспечивают более высокую точность и разрешающую способность пеленгования). Повышение точности пеленгования объясняется тем, что центральные элементы решетки находятся практически в одинаковых условиях при любом угле падения волны, их взаимные сопротивления практически одинаковы, и в этом случае нет необходимости применять программную коррекцию измеренного пеленга (для увеличения точности пеленгования ИРИ можно рекомендовать не использовать 2-3 крайних (с каждого конца) элемента АР).
Если значение коэффициента перекрытия по частоте превышает 5, то целесообразным является использование неэквидистантных линейных АР, рис. 2.23: соседние элементы с большим значением пеленгаторной базы обеспечивают высокую точность и разрешающую способность пеленгования, но не позволяют выделить истинное направление прихода электромагнитной волны (выделить главный лепесток из большого числа боковых сравнимых с ним или даже превышающих его по уровню); близко расположенные же элементы решетки, сами по себе обеспечивая низкую точность и разрешающую способность пеленгования, позволяют отделить главный лепесток от боковых (обеспечить однозначный режим пеленгования).
В приведенном алгоритме (рис. 2.23.) используется также возможность увеличения поперечных размеров решетки в двух противоположных угловых секторах общей шириной 180 для повышения точности и разрешающей способности пеленгатора в этих секторах при базировании аппаратуры на мобильном носителе (микроавтобусе, автомобиле и т.д.). В этом случае выбирается эллиптическая форма решетки. В стационарных пеленгаторах кругового обзора, как правило, не существует жестких требований к их габаритных размерам, поэтому в них предпочтительней использовать кольцевые решетки, в которых элементы находятся в более одинаковых условиях и точность пеленгования не зависит от угла прихода падающей волны.
Далее решается задача выбора оптимального количества литер (ярусов) антенной решетки. Параметром вариации является число литер (при заданном максимально допустимом числе элементов решетки N ), другими ограничивающими параметрами являются максимально допустимые габаритные размеры антенной системы. Если при вычисленном количестве литер решетки ее габаритные размеры превышают максимально заданные, то их количество уменьшается на единицу и опять проверяется условие выполнения требований по ограничивающим габаритным размерам.
Если габаритные размеры решетки близки к максимально допустимым, количество каналов пеленгатора выбрано оптимальным образом с точки зрения обеспечения минимальной средней ошибки пеленгования (особенно в области низких частот рабочего диапазона), но все равно не выполняется требование обеспечения заданного в техническом задании уровня точности пеленгования ScpTmx, то необходимо провести корректировку его параметров: либо увеличить максимально допустимые габаритные размеры антенной системы, либо снизить требования к точности пеленгования (увеличить значение максимально допустимой ошибки оценки угловых координат S pmiX).
Последним этапом синтеза АР является выбор типа ее базового элемента, проводящийся на основе вычисленных не предыдущем этапе частотных зависимостей точности и однозначности пеленгования в заданном секторе углов. Анализ точности и однозначности пеленгования проводится на основе решения соответствующей электродинамической граничной задачи дифракции плоских электромагнитных волн на решетке с вибраторами трех типов: цилиндрического, гантелеобразного и биконического. Данная задача относится к классу некорректных задач (система интегральных уравнений Фредгольма 1 -го рода (интегральные уравнения Халленовского типа), само-регуляризующаяся в смысле Тихонова при ее алгебраизации методом колло-каций [115]). Структурная схема данного этапа алгоритма структурного синтеза (алгоритм анализа характеристик АР) приведена на рис. 2.24.
Ранее в технической литературе рассматривался строгий электродинамический анализ линейных и кольцевых решеток, состоящих из тонких вибраторов цилиндрической формы [51, 115, 130, 131-134]. Автором настоящей работы решены подобные задачи для решеток произвольной геометрии (в том числе многоярусных), с вибраторами цилиндрического, гантелеобразного и цилиндрического видов.
На первом этапе алгоритма (рис. 2.24) вводятся данные о структуре и геометрических параметрах анализируемой антенной решетки, падающей на структуру волны и шаге сетки метода коллокаций, с помощью которого исходная система интегральных уравнений Халлена сводится к системе линейных алгебраических уравнений с неизвестными значениями комплексных амплитуд токов в узлах сетки.
После вычисления координат фазовых центров элементов АР и узлов сетки на вибраторах и опорной мачте производится определение коэффициентов перед токами вибраторов и опорной мачты. Далее формируется квадратная матрица системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ). Ее диагональные элементы, для которых индексы интегрирования и наблюдения совпадают, являются явно выраженными, квадратная матрица является хорошо обусловленной, а решение СЛАУ стремится к решению исходной системы интегральных уравнений при шаге сетки метода коллокаций большем диаметра вибратора (мачты) Д 2 а, в случае чего, как показано А. Н. Тихоновым, переход от системы интегральных уравнений к СЛАУ эквивалентен ее саморегуляризации и решению методом Крылова-Боголюбова [132].
Особенности функционирования программно-аппаратного комплекса радиопеленгования и радиомониторинга
В связи с этим обстоятельством, особенно пригоден для коррекции ошибок пеленгования корреляционно-интерферометрический метод, который заключается в оценке корреляции между N-мерным амплитудно-фазовыми распределением сигнала, принятым антенной решеткой и базовыми N-мерными распределениями, вычисляемыми аналитически с небольшим угловым шагом для возможных направлений прихода сигнала от нуля до 360 градусов. Размерность амплитудно-фазовых распределений зависит от числа элементов антенной решетки и алгоритма вычисления пеленгов.
За значение пеленга сигнала принимается тот азимут, базовое распределением которого имело наибольшую корреляцию с принятым распределением. В гипотетическом случае, когда имеется точное теоретическое решение задачи дифракции радиоволн на данном носителе, при расчете базового амплитудно-фазового распределения возможен учет влияния корпуса носителя для компенсации ошибок пеленгования. Однако, ввиду причин, указанных выше, получить точное теоретическое решение задачи дифракции весьма затруднительно, поэтому более предпочтительно использовать методы, базирующиеся на экспериментальных измерениях свойств конкретного носителя пеленгаторной АР.
Для устранения влияния корпуса носителя в мобильных комплексах АРК-МК (ЗАО «ИРКОС», г. Москва) используется методика, заключающаяся в том, что при расчете пеленгов в диапазонах частот, для которых значения ошибок выходят за допустимые пределы, в качестве базовых распределений используются калибровочные амплитудно-фазовые распределения, экспериментально снятые для данного носителя и хранящиеся в памяти вычислителя пеленгов.
Формирование банка данных калибровочных амплитудно-фазовых распределений для мобильных панорамно-пеленгационных комплексов АРК-МК ЇМ в настоящее время проводится в несколько этапов: 1. Проведение оценочных измерений в рабочем диапазоне частот, выявление интервалов частот, где наблюдается радиодевиация и резо-нансы корпуса носителя. 2. Устранение наиболее сильных резонансов корпуса носителя. 3. Проведение детальных измерений с записью значений калибровочных распределений. 4. Удаление ошибочных результатов. 5. Вычисление недостающих значений путем интерполяции по частоте и азимуту, сглаживание и усреднение распределений. 6. Формирование файла банка данных калибровочных распределений. На первом этапе проводятся оценочные измерения точности пеленго вания в рабочем диапазоне частот. В ходе оценочных измерений снимаются зависимости значений пеленгов от частоты для азимутов, выбираемых со сравнительно большим угловым шагом, обычно от 15 до 30 градусов. Шаг перестройки сканирующего генератора задается в пределах от 2 до 5 МГц. Далее с помощью специализированной программы CMO-PCorrect, предназначенной для отображения кривых пеленгов и формирования калибровочных распределений, полученные зависимости пеленгов от частоты представляются в виде диаграмм, которые анализируются с целью обнаружения возможных резонансов и выбора диапазонов частот для которых необходима коррекция. В качестве примера на рис. 3.13 показаны окно программы CMO-PCorrect, в котором представлены кривые пеленгов, полученные в ходе испытаний одного из мобильных пеленгаторов. Из рисунка видно, корпус этого носителя имеет ярко выраженный резонанс на частоте около 137 МГц, что проявляется в ошибках пеленгования более 40 градусов. Если в ходе оценочных измерений выявлены сильные резонансные эффекты, то проводится поиск элементов конструкции носителя, которые эти эффекты вызывают (этап 2). Затем по возможности производится устранение резонансов, например путем создания нескольких гальванических соединений резонирующего элемента с шасси автомобиля. На третьем, наиболее трудоемком этом этапе, для диапазонов частот, в которых погрешности пеленгования превысили допустимые значения, проводятся детальные измерения многомерных амплитудно-фазовых распределений сигналов на АР. Измерения производятся для каждого из азимутов, расположенных по кругу с угловым шагом не более 6. Шаг по частоте выбирается в зависимости от плавности хода кривых пеленгов, но как правило не большим, чем 2 МГц. Чтобы исключить влияние площадки, меняя угловую ориентацию автомобиля, проводят несколько полных циклов измерений. Удаление результатов грубых промахов осуществляется в рамках этапа 4. Одним из распространенных грубых промахов является инверсия главного и заднего лепестков ВКФ. Устраняются также ложные отсчеты, вызванные, например, работой посторонних радиостанций. На пятом этапе полученные файлы амплитудно-фазовых распределений обрабатываются программой CMO-PCorrect. Затем производится кубическая сплайн-интерполяции значений интерференционных векторов, вначале по частоте, затем по азимуту, в результате формируются амплитудно-фазовые распределения с малым частотным и угловым шагом. Чтобы уменьшить влияние случайных факторов полученные значения сглаживаются и усредняются. На последнем этапе формируется файл калибровки, который в двоичном формате хранит базовые значения измеренных и обработанных амплитудно-фазовые распределений. Анализ снятых зависимостей показывает, что ошибки пеленгования для отдельных азимутов абсолютная ошибка превышает 20. Среднеквадра-тические ошибки пеленгования для диапазонов частот от 40 до 100 МГц, от 100 до 250 МГц и от 250 до 500 МГц соответственно равны С увеличением частоты ошибки пеленгования уменьшаются, но только на частотах выше 250 МГц точность пеленгования становится приемлемой для решения практических задач. Наименьшие ошибки пеленгования не превышают 2.5 и наблюдаются в случаях прихода сигнала с направлений, близких к продольной оси автомобиля (0 и 180). Но для углов, соответствующих диагоналям автомобиля, значение ошибок резко возрастает и становится больше 6. Величина ошибки для осевых направлений прихода сигнала вполне приемлема, если комплекс используется для поиска источников излучения по методу привода на объект. Однако если комплекс предназначен для работы на постоянной позиции, то ему необходима хорошая точность пеленгования для всех направлений от нуля до 360 градусов. Таким образом, оценочные измерения точности пелен гования комплекса подтвердили необходимость его калибровки. В ходе калибровки комплекса для диапазона частот от 40 до 250 МГц были получены экспериментальные амплитудно-фазовые распределения. # Измерения проводились с шагом по частоте 2 МГц для 60 азимутов, равно мерно распределенных от 0 до 360. В результате обработки полученных зна чений был сформирован калибровочный файл значений амплитудно фазового распределения с шагом по частоте 500 кГц и угловым шагом 1. СКО пеленгования для диапазонов частот от 40 до 100 МГц и от 100 до 250 МГц теперь имеют значения сг2(М00 = 2,8, т10О_25О = 2,1. Таким обра зом, для диапазона частот от 40 до 250 МГц среднеквадратическая ошибка ф пеленгования уменьшились более чем в три раза, что подтверждает работо способность рассмотренного метода коррекции. Таким образом, рассмотренная настоящем подразделе методика коррекции ошибок пеленгования достаточно эффективна и позволяет существенно уменьшить инструментальные погрешности, обусловленные влиянием корпуса носителя.
