CC BY
23
Радиотехника и связь
DOI 10.36622/^Ти.2023.19.1.004 УДК 621.396
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВИРТУАЛЬНЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК ДЛЯ ПАССИВНЫХ ПЕЛЕНГАТОРОВ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Е.А. Ищенко1, Ю.Г. Пастернак1, В.А. Пендюрин2, С.М. Фёдоров1,3, И.А. Черноиваненко1
воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2АО Научно-производственное предприятие «Автоматизированные системы связи»,
г. Воронеж, Россия
3Международный институт компьютерных технологий, г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассматривается возможность установки пассивного пеленгационного комплекса на беспилотный летательный аппарат. Ввиду сложной геометрической формы беспилотника происходит искажение картин электромагнитного поля, что приводит к искажению характеристик, которые измерит пеленгатор. Для решения данной проблемы предлагается использовать аппарат виртуальных антенных решеток, который позволяет путем выполнения аппроксимации электромагнитного поля снизить влияние корпуса-носителя на картины электромагнитного поля. Для формирования виртуальной антенной решетки применялся алгоритм на основе функции Ганкеля, это приводит к тому, что удается повысить скорость расчетов, а также повысить эффективность аппроксимации электромагнитного поля. Полученные результаты моделирования показывают, что использование технологии виртуальных антенных решеток позволяет значительно повысить точность пеленгации электромагнитных волн, при этом обеспечивается сохранение высокого уровня скрытности носителя, так как не требуется осуществлять излучение электромагнитных волн, все системы работают в пассивном режиме. Применение пассивной пеленгации, таким образом, позволяет также повысить дальность применения беспилотного летательного аппарата, так как удается понизить энергопотребление системы. Приводится картина эффективной площади рассеяния беспилотного летательного аппарата, что позволяет оценить искажение электромагнитных волн, картины пеленгов, а также статистические показатели пеленгации
Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат, пеленгатор электромагнитных волн, виртуальная антенная решетка
Благодарности: исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 19-79-10109, https://rscf.ru/project/19-79-10109
Введение
Беспилотные ^Н летательные аппараты (БПЛА) позволяют упростить отслеживание всех действий, которые происходят в районе применения благодаря передаче фото- и видеосигнала, при этом при использовании на удалении особый интерес в применении БПЛА имела бы возможность пеленгации излученных электромагнитных волн. Применение пассивной пеленгации позволяет повысить малозаметность БПЛА, так как не происходит побочного излучения, а также снижает энергопотребление, что позволяет повысить время использования летательного аппарата. Однако из-за сложной формы БПЛА происходит искажение электромагнитных волн, которые отражаются от корпуса, тем самым повышая ошибку пеленга.
Важность использования технологий пассивной локации приводится в работе [1], при этом особый акцент делается на том, что при-
© Ищенко Е.А., Пастернак Ю.Г., Пендюрин В.А., Фёдоров С.М., Черноиваненко И.А., 2023
менение пассивного локатора мобильного базирования (на подвижной платформе) значительно повышает эффективность использования пеленгатора, так как позволяет обеспечить обнаружение в динамике (в разных точках пространства). При этом благодаря особенностям массивной радиолокации удается достичь значительного повышения скрытности носителя, снижения энергопотребления. Таким образом, на основе всех преимуществ такого типа пеленгации одним из наиболее перспективных способов применения является установка комплекса на БПЛА.
Однако особое внимание стоит уделить объектам с использованием технологии скрытности (стелс), особенности которых приводятся в работах [2, 3]. Из-за малых значений ЭПР, сложной геометрической формы возникает серьезное искажение электромагнитных волн, нарушается распознание объектов. При этом данные особенности значительно усложняют процесс выполнения пеленгации и обработки сигналов ввиду влияния корпуса-носителя. Но если решить проблему искажений, вызванных
корпусом, то применение пассивных пеленгаторов позволит еще больше повысить скрытность благодаря отсутствию излучения активных антенных решеток.
Для решения таких задач применяют технологию виртуальных антенных решеток (ВАР). Один из классических методов формирования ВАР является метод MUSIC [4], который базируется на достаточно сложном математическом аппарате, что увеличивает время расчетов, а также усложняет обработку результатов.
Для решения проблемы формирования ВАР с использованием метода MUSIC и root-MUSIC можно предложить новый метод, который основан на формировании пеленгатора с использованием функции Ганкеля, которая может выступать фундаментальным решением уравнений Гельмгольца.
Формирование виртуальной антенной
решетки с использованием функции Ганкеля
Стандартными методами формирования виртуальных антенных решеток являются методы MUSIC, root-MUSIC и ESPRIT. Недостатками данных методов являются их математическая сложность и необходимость решать большое число уравнений. В данной работе рассматривается метод формирования виртуальных антенных решеток на основе функции Ган-келя первого рода нулевого порядка - функция Бесселя третьего рода:
H(1)(m,z) = ]n(m,z) + i • Yn(m,z), (1)
где Jn(m, z) - функция Бесселя первого рода m-го порядка; Yn(m,z) - функция Бесселя второго рода m-го порядка.
Благодаря этой функции возможно решение уравнений Гельмгольца в фундаментальной форме, что и требуется для выполнения аппроксимации электромагнитного поля на увеличенном радиусе. Для того, чтобы осуществить формирование ВАР, реальный пеленгатор измеряет напряжения в нагрузках антенных элементов в комплексной форме:
Ù(f) = A(f) • exp(i • <p(f)), (2)
где A(f) - амплитуда напряжений в нагрузках; - фаза напряжений в нагрузках.
Далее каждый антенный элемент параметризуется на основании окружности - присваи-
ваются порядковые номера и координаты нахождения в решетке, после чего производится аппроксимация поля на новой окружности -радиусе формирования ВАР:
Е(х0,у0) = Н(1){о,к0 • ^(хп-х0У + (уп-у0Г), (3)
где хп, уп - координаты изначальных антенных элементов; х0,у0 - координаты расположения аппроксимируемых антенных элементов; к0 -волновое число.
Таким образом, на основании измеренных напряжений (2) и аппроксимированного поля (3) составляется система уравнений:
Е(х0,у0)^Х = и(Т). (4)
На основании данной системы уравнений становится возможным получить напряжения на виртуальных элементах в антенной решетке (используются для корреляционно-
интерференционного амплитудно-фазового метода пеленгации), которые определяются в соответствии с:
N
и¥Ая(Я = ^ х • Я(1) (о, к0 • ^(хп-х0у + (уп-у0у),
п=1
где хп, уп - координаты элементов ВАР; х0, у0 -координаты элементов на вспомогательной окружности при изначальной аппроксимации поля; X - корни системы уравнений (4).
Таким образом, выполняется формирование виртуальной антенной решетки, которая позволяет повысить точность пеленгации путем выполнения аппроксимации электромагнитного поля на большем радиусе, чем реальная антенная решетка, что снижает влияние корпуса-носителя.
Исследуемая модель БПЛА с корпусом пеленгации
В процессе исследования был выбран крупный беспилотный летательный аппарат с установленным на него пассивным пеленгатором - рис. 1.
Рис. 1. Исследуемый БПЛА с пеленгатором в верхней полусфере
Для того, чтобы определить искажения, которые вызывает корпус БПЛА, производилось моделирование эффективной площади рассеяния - рис. 2.
20 «... ° ,350 340
Рис. 2. Характеристики корпуса-носителя: а) эффективная площадь рассеяния (ЭПР); б) трассировка отраженных лучей от корпуса-носителя
Как видно, корпус БПЛА вносит серьезные искажения в картину электромагнитных волн, что приведет к искажению характеристик поля, которое будет измерено пеленгатором. Для снижения этого влияния предлагается использование аппарата ВАР с использованием функции Ганкеля.
Результаты пеленгации с использованием реальной и виртуальной антенных решеток
На основании описанной выше методики производились расчет и измерение характеристик пеленгации в диапазоне частот от 150 до 650 МГц. В результате этого были получены картины пеленгов, а также статистические показатели пеленгации. Картины пеленгов приводятся на рис. 3.
а)
I-
7V5, ■
£
550 ' жГ
б)
В)
Frequency(MHz)
г)
Рис. 3. Характеристики пеленгации с использованием реальной (RAA) и виртуальной (VAA) антенных решеток: а) истинный пеленг 30°; б) истинный пеленг 80°; в) истинный пеленг 130°; г) истинный пеленг 170°
Как видно, применение технологии ВАР позволяет значительно повысить точность пе-
ленгации благодаря снижению влияния корпуса-носителя. Статистические показатели пеленгации приводятся на рис. 4 и в таблице.
10 20 30 40 50 ВО 70 80 00 100 110 120 130 140 160 180 170 11 Bearing;')
а)
о-Ч1 у
* RAA VAA
ИИ
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180
Bearing(*} б)
Рис. 4. Статистические показатели пеленгации: а) средне-квадратическое отклонение; б) ошибка пеленга
Статистические показатели пеленгации
Пеленг, Мат. ожидание Среднеквадра-тическое отклонение Ошибка пеленга
РАР ВАР РАР ВАР РАР ВАР
0 70.48 0 112.6 0 70.48 0
10 78.18 8.41 109.7 2.039 70.05 1.759
20 92.23 20.58 115.7 3.786 73.53 3.452
30 103.9 30.97 110.0 3.026 74.30 2.458
40 114.6 40.21 112.0 3.116 76.85 2.313
50 130.2 49.60 124.3 1.628 86.49 1.301
60 155.1 59.20 138.9 2.794 99.52 2.133
70 143.9 70.52 125.9 2.903 89.07 2.259
80 173.9 81.20 137.9 3.34 99.57 2.325
90 161.9 91.02 117.7 4.009 84.75 2.88
100 176.4 100.4 115.2 4.911 84.06 3.705
110 187.5 110.7 113.7 7.297 82.66 5.428
120 195.5 121.4 114.4 6.234 82.18 5.325
130 199.8 131.1 114.2 4.429 74.69 3.554
140 211.7 141.8 116.4 5.83 78.08 5.12
150 217.9 149.3 119.8 4.435 80.84 3.512
160 223.3 156.4 107.3 4.761 67.86 3.795
170 228.0 170.7 114.4 1.755 72.83 1.536
180 110.6 180 111.7 0 69.39 0
Среднее ---- 117.5 3.5 79.9 2.8
Как видно, благодаря тому, что использование технологии ВАР позволяет снизить влияние корпуса на характеристики электромагнитных волн, удается значительно повысить точность пеленгации, а также увеличить рабочий диапазон.
Заключение
Полученные в процессе исследования результаты показывают, что использование технологии виртуальных антенных решеток позволяет значительно повысить точность пеленгации по сравнению с реальной антенной решеткой.
Применение использованного метода формирования ВАР на основе функции Ганкеля позволяет упростить и повысить скорость расчетов, что положительно сказывается на возможности использования в задачах пеленгации.
Литература
1. Babkin S.I., Tolstykh Y.G. Antenna device for radio acoustic sensing with passive radiolocation // 2015 International Conference on Antenna Theory and Techniques (ICATT). 2015. Р. 1-2.
2. The influence of dual stealth aircraft formation cooperating with aerial bombing on the performance of monopulse radar/ L. Bao, F. Li, X. Di, P. Chen, M. Xiao, J. Bai // 2020 International Conference on Artificial Intelligence and Education (ICAIE). 2020. Р. 467-470.
3. Radar assignment for stealth targets detection and tracking based on BPSO in air-defense radar network/ Q. Liu, Z. Liu, R. Xie, H. Zhou, Y.F. Liu // IET International Radar Conference. 2013. Р. 1-5.
4. Virtual Multiantenna Array for Estimating the Direction of a Transmitter: System, Bounds, and Experimental Results/ F. Quitin, P. De Doncker, F. Horlin, W.P. Tay // IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2018. Vol. 67. No. 2. Р. 1510-1520.
Поступила 30.10.2022; принята к публикации 15.02.2023 Информация об авторах
Ищенко Евгений Алексеевич - аспирант, инженер, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: kursk1998@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5270-0792
Пастернак Юрий Геннадьевич - д-р техн. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), e-mail: pasternakyg@mail.ru
Пендюрин Владимир Андреевич - генеральный директор, АО НПП «Автоматизированные системы связи» (394062, Россия, г. Воронеж, ул. Пеше-Стрелецкая, д. 108, офис 415), e-mail: infonpp-acc.ru@yandex.ru
Фёдоров Сергей Михайлович - канд. техн. наук, доцент кафедры радиоэлектронных устройств и систем, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84); доцент кафедры информационной безопасности и систем связи, Международный институт компьютерных технологий (394026, Россия, г. Воронеж, ул. Солнечная, д. 29 б), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9027-6163 Черноиваненко Игорь Александрович - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: chernoivanenko2000@mail.ru
APPLICATION OF VIRTUAL ARRAY TECHNOLOGY FOR PASSIVE DIRECTION FINDERS OF UNMANNED AERIAL VEHICLES
E.A. Ishchenko1, Yu.G. Pasternak1, V.A. Pendyurin2, S.M. Fyedorov1,3, I.A. Chernoivanenko1
'Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia 2Research and Production Enterprise "Automated Communication Systems", Voronezh, Russia international Institute of Computer Technologies, Voronezh, Russia
Abstract: the article considers the possibility of installing a passive direction-finding complex on an unmanned aerial vehicle. Due to the complex geometric shape of the drone, the patterns of the electromagnetic field are distorted, which leads to a distortion of the characteristics that the direction finder will measure. To solve this problem, it is proposed to use the apparatus of virtual antenna arrays, which allows one, by performing an approximation of the electromagnetic field, to reduce the influence of the carrier body on the patterns of the electromagnetic field. To form a virtual antenna array, we used an algorithm based on the Hankel function, which leads to the fact that it is possible to increase the speed of calculations, as well as to increase the efficiency of the approximation of the electromagnetic field. The obtained simulation results show that the use of virtual antenna array technology can significantly improve the accuracy of electromagnetic wave direction finding, while maintaining a high level of carrier secrecy, since it is not required to emit electromagnetic waves, all systems operate in a passive mode. The use of passive direction finding in this way also makes it possible to increase the range of use of an unmanned aerial vehicle, since it is possible to reduce the power consumption of the system. The article presents a picture of the effective scattering area of an unmanned aerial vehicle, which makes it possible to evaluate the distortion of electromagnetic waves, bearing patterns as well as bearing statistics
Key words: unmanned aerial vehicle, electromagnetic wave direction finder, virtual antenna array
Acknowledgments: the research was supported by the Russian Science Foundation, grant no. 19-79-10109, https://rscf.ru/en/proj ect/19-79-10109/
References
1. Babkin S.I., Tolstykh Y.G. "Antenna device for radio acoustic sensing with passive radiolocation", 2015 Int. Conf. on Antenna Theory and Techniques (ICATT), 2015, pp. 1-2.
2. Bao L., Li F., Di X., Chen P., Xiao M., Bai J. "The influence of dual stealth aircraft formation cooperating with aerial bombing on the performance of monopulse radar", 2020 Int. Conf. on Artificial Intelligence and Education (ICAIE), 2020, pp. 467470.
3. Liu Q., Liu Z., Xie R., Zhou H., Liu Y.F. "Radar assignment for stealth targets detection and tracking based on BPSO in air-defense radar network", IETInt. Radar Conf, 2013, pp. 1-5.
4. Quitin F., De Doncker P., Horlin F., Tay W.P. "Virtual multiantenna array for estimating the direction of a transmitter: system, bounds, and experimental results", IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2018, vol. 67, no. 2, pp. 1510-1520.
Submitted 30.10.2022; revised 15.02.2023
Information about the authors
Evgeniy A. Ishchenko, graduate student, engineer, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: kursk1998@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5270-0792 Yuriy G. Pasternak, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: pasternakyg@mail.ru.
Vladimir A. Pendyurin, General Director, JSC RPE "Automated Communication Systems" (of. 415, 108 Peshe-Streletskaya str., Voronezh 394062, Russia), e-mail: infonpp-acc.ru@yandex.ru
Sergey M. Fyedorov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), International Institute of Computer Technologies (29 b Solnechanya str., Voronezh 39026, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9027-6163
Igor' A. Chernoivanenko, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: chernoivanenko2000@mail.ru
