CC BY
28
DOI 10.36622/^ТО.2022.18.3.012 УДК 621.396
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВИРТУАЛЬНЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ПЕЛЕНГАТОРА ВОЗДУШНОГО БАЗИРОВАНИЯ
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 пассивный радиопеленгатор авиационного базирования, который устанавливается на беспилотный летательный аппарат с применением технологий малозаметности. Благодаря применению технологии виртуальных антенных решеток, как показывают результаты моделирования, удается повысить точность пеленгации, так, ошибка и среднеквадратическое отклонение пеленга уменьшились более чем в 2 раза. На основе всех проведенных исследований можно сделать вывод, что использование технологии виртуальных антенных решеток позволило снизить искажения, которые вносит корпус, серьезно искажающий характеристики электромагнитного поля. Благодаря применению функции Ганкеля в процессе формирования (может быть использовано как фундаментальное решение уравнений Гельмгольца) виртуальной антенной решетки удалось повысить скорость расчетов, а также решить проблему отсутствия опорного сигнала в процессе формирования виртуальной антенной решетки. Аппроксимация поля, которая выполняется на основе использования функции Ганкеля обладает высокой точностью, а также позволяет снизить влияние окружающих поверхностей, искажающие характеристики электромагнитных волн. Таким образом, можно сказать, что использование аппарата виртуальных антенных решеток на основе характеристик поля, измеренных реальным радиопеленгатором, позволяет улучшить характеристики пеленгации, что является важной и актуальной задачей в пассивной радиопеленгации
Ключевые слова: виртуальная антенная решетка, пеленгация, беспилотный летательный аппарат
Благодарности: исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 19-79-10109)
Введение
Пассивные радиопеленгаторы применяются все чаще в задачах определения направления прихода электромагнитных волн, так как их применение позволяет значительно повысить скрытность. Однако в случае установки таких систем на летательные аппараты с использованием технологии повышения скрытности (стелс-технология) возникает серьезное искажение характеристик электромагнитных волн, что нарушает качество пеленгации электромагнитных волн. Решение задачи повышения точности является важной и актуальной задачей и одним из способов решения данной задачи могут послужить виртуальные антенные решетки (ВАР).
Пример использования виртуальных антенных решеток для повышения точности определения направления прихода электромаг-
© Ищенко Е.А., Пастернак Ю.Г., Пендюрин В.А., Фёдоров С.М., Черноиваненко И.А., 2022
нитных волн (ЭМВ) приводится во многих научных работах. Например, в работе [1] представлен пример использования ВАР для повышения точности определения направления прихода ЭМВ от базовых станций сотовых связей, чтобы повысить эффективность работы технологии формирования луча (beamforming). Благодаря применению виртуальной антенной решетки удалось значительно повысить точность определения направления прихода электромагнитных волн, что позволило повысить точность фокусировки главного лепестка диаграммы направленности.
Другим примером использования ВАР для повышения точности определения направления прихода ЭМВ может послужить работа [2]. В ней предложен алгоритм SAGE для формирования виртуальной антенной решетки, которая позволила значительно повысить точность определения направления прихода электромагнитных волн. Таким образом, удается улучшить точность пеленгации за счет обработки измеренных реальной антенной решеткой напряже-
ний путем выполнения аппроксимации характеристик поля.
Одной из особенностей применения алгоритма ВАР является сужение главного лепестка диаграммы направленности, а также уменьшение уровня боковых лепестков, как это показано в работе [3, 4]. Благодаря достижению таких характеристик удается достичь повышения точности определения направления прихода волн, а также повысить защиту от помех, которые принимает пеленгатор.
В работе [5] отчетливо видно, что даже если формировать виртуальную антенную решетку на незначительно увеличенном радиусе относительно реальной удается достичь повышения точности пеленгации и снизить погрешность определения пеленга.
В данной работе предлагается алгоритм формирования ВАР на основе функции Ганке-ля, при этом исследуемый комплекс пеленгации устанавливался на беспилотном летательном аппарате (БПЛА) с использованием технологии снижения заметности.
Метод формирования виртуальной антенной решетки
Формирование виртуальной антенной решетки основано на характеристиках, которые измеряет реальная антенная решетка. Так, в нагрузках антенных элементов происходит измерение комплексных характеристик напряжения:
и1(Г) = А1(Г)-вх, (1)
где А^(/) - амплитуды напряжений, которые изменены в нагрузках антенных элементов;
- фазы напряжений, которые измерены в нагрузках.
На основании конструкции пеленгатора производится привязка антенных элементов к координатам, а также присвоение к каждому соответствующих комплексных напряжений. На основании этого происходит аппроксимация электромагнитного поля с использованием функции Ганкеля первого рода:
Е(х0,у0) = Н(1)[0,к0^(х-х0у + (у-у0у] , (2) где Я(1)
- функция Ганкеля первого рода; к0 - волновое число;
х, у - координаты антенных элементов реальной антенной решетки;
х0, у о - координаты элементов аппроксимации (Виртуальная антенная решетка).
Далее на основании этого находятся напряжения на антенных элементах ВАР, после чего выполняется пеленгация. Данный алгоритм ВАР имеет преимущество над алгоритмами MUSIC и root-MUSIC в том, что обладает большей скоростью расчетов, а также не требует информации об опорном сигнале. Рассмотрим применение данного алгоритма для пеленгатора, установленного на БПЛА.
Моделирование использования предложенного алгоритма ВАР
Исследуемая модель БПЛА с комплексом пеленгации приводится на рис. 1.
Рис. 1. Модель исследуемого БПЛА с комплексом пеленгации: а) вид снизу; б) 3D-модель БПЛА
Как видно, конструкция БПЛА выполнена на основе технологий повышения скрытности, что приводит к ухудшению точности пеленгации на основе реальной антенной решетки. Вид того, насколько искажены характеристики ЭМВ после отражения от БПЛА можно отследить на основе картины моностатической эффективной площади рассеяния (ЭПР) - рис. 2.
о
180
Рис. 2. Моностатическая ЭПР исследуемого БПЛА
Как видно по картине ЭПР БПЛА из-за особой формы корпуса возникают серьезные искажения характеристик электромагнитных
волн - «изрезанность» ЭПР, особенно отчетливо это заметно в диапазоне углов от 90 до 180 градусов, при этом радиус аппроксимации поля (радиус ВАР) составляет 650 мм, число элементов ВАР - 15.
На основании выбранной модели произведем исследование возможности использования виртуальной антенной решетки, которая формируется на основе метода функции Ганкеля, для повышения точности пеленгации. Моделирование производилось путем облучения модели плоской волной от 0 до 180 градусов с шагом в 10 градусов. На рис. 3 приводятся картины пеленгов для углов падения в 10°, 40°, 90°, а в таблице приводятся статистические показатели пеленга.
is -
1514 -
■ЛЗ-1
1.2.
■
11 -
-RAA ■VAA
i ' i—
60 70 30 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220
Frequency (MHz)
а)
07 96 95
С 94
о> 33
и 92
a si
с 47
ст>46
45
ГО 44 iE 43 42 41 40 39 38 37 3S 35
VA/
f
■П }
d
■ i i i i ■ i i ' ■ ' 11111
Frequency(MHz)
б)
п_г
-RAA
VAA
90 100 110 120 150 140 150 160 170 100 190 200 210 220 Frequency(MHz) В)
Рис. 3. Картины пеленгов для реальной (RAA) и виртуальной (VAA) антенных решеток (40-220 МГц): а) истинный пеленг 10°; б) истинный пеленг 40°; в) истинный пеленг 90°
Статистические показатели пеленгации
с использованием ВАР и РАР
Пеленг, Мат. ож. РА Р, ° Мат. ож. ВАР, с.к.о. РАР с.к.о. ВАР Ош. пеленга РАР, Ош. пеленга ВАР,
0 0 0 0 0 0 0
10 14 10 4.5 0.5 4.4 0.28
20 21 20 1.5 1.1 1.28 0.9
30 35 31 5.71 1.9 5.3 1.7
40 48 41 8.6 2.7 8.2 2.3
50 55 51 6.5 2.9 5.4 2.4
60 62 61 4.21 2.9 3.1 2.1
70 72 70 3.3 2.4 2.1 1.6
80 87 84 7 4 6.7 3.7
90 95 90 5.52 1.7 5.2 1.3
100 100 100 1.7 1.4 1.4 1.1
110 109 109 3 2.5 2.2 1.8
120 123 119 5.06 3.42 4.5 2.7
130 132 128 4.57 3.72 4.1 2.9
140 137 141 4.968 2.962 4.101 2.30 7
150 147 149 4.37 2.55 3.92 1.9
160 163 159 3.87 1.9 3.243 1.58
170 175 170 4.9 0.99 4.76 0.61
180 180 180 0 0 0 0
ср. 4.17 2.08 3.68 1.64
Как видно по полученным результатам, применение технологии виртуальных антенных решеток позволяет снизить среднеквадратиче-ское отклонение пеленгации в 2 раза, а ошибка пеленга уменьшилась в 2.24 раза. Таким образом, можно сделать вывод, что использование аппарата теории виртуальных антенных решеток позволяет повысить точность пеленгации даже в сложных задачах, когда носитель имеет особую геометрическую форму.
Заключение
Полученные в процессе исследования результаты показали, что использование технологии виртуальных антенных решеток позволяет повысить точность пеленгации благодаря выполнению аппроксимации напряжений, которые измеряет реальный комплекс радиопеленгации. Также можно сделать вывод, что использование метода формирования ВАР на основе функции Ганкеля позволяет повысить скорость расчетов, а также получить требуемые значения пеленгации.
Литература
1. 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. Pp. 1510-1520.
2. Direction of arrival estimation with arbitrary virtual antenna arrays using low cost inertial measurement units / M.A. Yaqoob, F. Tufvesson, A. Mannesson, B. Bernhardsson // 2013 IEEE International Conference on Communications Workshops (ICC). 2013. Pp. 79-83.
3. Optimization of Virtual Array Element Position for Sparse Array Based on Particle Swarm Algorithm / X. Chen, X. Yang, F. Xu, M. Lu // 2019 IEEE International Conference on Signal, Information and Data Processing (ICSIDP). 2019. Pp. 1-4.
4. Wang W.Q. Virtual Antenna Array Analysis for MIMO Synthetic Aperture Radars // International Journal of Antennas and Propagation. 2012. Vol. 2012. Article ID 587276. 10 p.
5. Joint Estimation Method for Frequency and DOA of Virtual Antenna Array in Space-Time Domain / M. Zuo, S. Xie, Y. Li, C. Zhang // 2019 International Applied Computational Electromagnetics Society Symposium. China (ACES). 2019. Pp. 1-2.
Поступила 10.03.2022; принята к публикации 16.06.2022
Информация об авторах
Ищенко Евгений Алексеевич - 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 TO INCREASE THE ACCURACY
OF AIR-BASED DIRECTION FINDER
E.A. Ishchenko1, Yu.G. Pasternak1, V.A. Pendyurin2, S.M. Fyedorov1,3, I.A. Chernoivanenko1
1Voronezh 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 an airborne passive radio direction finder, which is installed on an unmanned aerial vehicle using stealth technologies. Thanks to the use of virtual antenna array technology, as simulation results show, it is possible to improve the direction-finding accuracy, so the error and the standard deviation of the bearing decreased by more than 2 times. Based on all the studies conducted, it can be concluded that the use of virtual antenna array technology has made it possible to reduce the distortions introduced by the housing, which seriously distorts the characteristics of the electromagnetic field. Thanks to the use of the Hankel function in the process of formation (it can be used as a fundamental solution of the Helmholtz equations) of a virtual antenna array, it is possible to increase the speed of calculations, as well as solve the problem of the lack of a reference signal in the process of forming a virtual antenna array. Field approximation, which is based on the use of the Hankel function, has high accuracy, and also reduces the influence of surrounding surfaces that distort the characteristics of electromagnetic waves. Thus, it can be said that the use of the apparatus of virtual antenna arrays based on the field characteristics measured by a real radio direction finder makes it possible to improve the direction-finding characteristics, which is an important and urgent task in passive radio direction finding
Key words: virtual antenna array (VAA), direction finding, unmanned aerial vehicle (UAV)
Acknowledgments: this research was funded by Russian Science Foundation, grant no. 19-79-10109
References
1. 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.
2. Yaqoob M.A., Tufvesson F., Mannesson A., Bernhardsson B. "Direction of arrival estimation with arbitrary virtual antenna arrays using low-cost inertial measurement units", 2013 IEEE Int. Conf. on Communications Workshops (ICC), 2013, pp. 79-83.
3. Chen X., Yang X., Xu F., Lu M. "Optimization of virtual array element position for sparse array based on particle swarm algorithm", 2019 IEEE Int. Conf. on Signal, Information and Data Processing (ICSIDP), 2019, pp. 1-4.
4. Wang W.Q. "Virtual antenna array analysis for MIMO synthetic aperture radars", Int. J. of Antennas and Propagation, 2012, vol. 2012, Article ID 587276, 10 p.
5. Zuo M., Xie S., Li Y., Zhang C. "Joint estimation method for frequency and DOA of virtual antenna array in space-time domain", 2019 Int. Applied Computational Electromagnetics Society Symposium - China (ACES), 2019, pp. 1-2.
Submitted 10.03.2022; revised 16.06.2022
Information about the authors
Evgeniy A. Ishchenko, 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. Feydorov, 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
