radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2018-21-6-30-40radioelectronics-274Research ArticleЭЛЕКТРОДИНАМИКА, МИКРОВОЛНОВАЯ ТЕХНИКА, АНТЕННЫELECTRODYNAMICS, MICROWAVE ENGINEERING, ANTENNASПЕЛЕНГОВАНИЕ ИСТОЧНИКОВ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ В ШИРОКОЙ ПОЛОСЕ ЧАСТОТ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КРУГОВОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИRADIO SOURCE DIRECTION FINDING IN WIDE FREQUENCY BAND USING CIRCULAR ANTENNA ARRAYШевченкоМ. Е.ShevchenkoMaya E.

Шевченко Майя Евгеньeвна – кандидат технических наук (1997), доцент (2002) кафедры радиоэлектронных средств Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина). Автор 50 научных работ. Сфера научных интересов – прием и обработка радиосигналов; обнаружение, оценивание и пеленгование сигналов, радиомониторинг; цифровая обработка сигналов.

ул. Профессора Попова, д. 5, Санкт-Петербург, 197376

Maya E. Shevchenko – Ph.D. in Engineering (1997), Associate Professor (2002) of the Department of Radio Electronics Equipment of Saint Petersburg Electrotechnical University"LETI". The author of 50 scientific publications. Area of expertise: radio signals reserving and processing; frequency radio monitoring; digital signal processing.

5, Professor Popov Str., 197376, St. Petersburg

m_e_shevchenko@mail.ruМалышевВ. Н.MalyshevVictor N.

Малышев Виктор Николаевич – доктор технических наук (2000), профессор (2004), декан факультета Радиотехники и телекоммуникаций Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина). Автор более 100 научных работ. Сфера научных интересов – численные методы, СВЧ-техника, антенны, информационные сети, информационная безопасность.

ул. Профессора Попова, д. 5, Санкт-Петербург, 197376

Victor N. Malyshev – D.Sc. in engineering (2000), Professor (2004), the Dean of faculty of Radio Equipment and Telecommunications of Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI". The author of mors than 100 scientific publications. Area of expertise: numerical methods; microwave engineering; antennas; information networks; information security.

5, Professor Popov Str., 197376, St. Petersburg

vm@eltech.ruФайзуллинаД. Н.FayzullinaDilara N.

Файзуллина Дилара Наилевна – магистр (2013) по направлению "Инфокоммуникационные технологии и системы связи", инженер АО "НИИ Вектор". Автор 10 научных публикаций. Сфера научных интересов –прием и обработка радиосигналов; цифровая обработка сигналов; обнаружение и пеленгование сигналов.

Кантемировская ул., д. 10, Санкт-Петербург, 197342

Dilara N. Fayzullina – Master of Science in Information Technologies and Communication Systems (2013), the engineer of JSC «SRI "Vector"» (Saint Petersburg). The author of 10 scientific publications. Area of expertise: radio signals reserving and processing; digital signal processing; signal detection and finding.

10, Kantemirovskaya Str., 197342, St. Petersburg

dilara89@yandex.ruСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical University "LETI"Russian FederationАО "НИИ Вектор"РоссияJSC SRI "Vector"Russian Federation201828122018063040Copyright © Шевченко М.Е., Малышев В.Н., Файзуллина Д.Н., 20182018Шевченко М.Е., Малышев В.Н., Файзуллина Д.Н.Shevchenko M.E., Malyshev V.N., Fayzullina D.N.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/274

Для широкополосного радиопеленгатора УКВ-диапазона разработаны и исследованы когерентный и некогерентный алгоритмы пеленгования при коммутируемом и некоммутируемом подключении антенной решетки (АР) к радиоприемному устройству в односигнальном и многосигнальном режимах пеленгования. Синтез выполнен на основе методов пространственно-временной́ теории радиосистем. Численным расчетом пеленгационной характеристики алгоритмов при различном числе элементов АР определена верхняя граничная частота рабочего диапазона, в котором при данной конфигурации обеспечиваются однозначные оценки азимута и угла места. Показано, что при нечетном числе антенн амплитудно-фазовое распределение АР является уникальным в более широкой полосе частот, чем при четном числе антенн. Благодаря этому свойству на основе метода MUSIC, примененного в пространстве элементов АР, разработан алгоритм пеленгования в широкой полосе частот при наличии нескольких сигналов, перекрывающихся по частоте, при коммутируемом и некоммутируемом подключении АР к радиоприемному устройству. Статистическим имитационным моделированием показано, что применение методов ESPRIT и MUSIC в пространстве диаграммы направленности АР не позволяет реализовать пеленгование в широкой полосе частот при фиксированной конфигурации антенной решетки. Приведены результаты натурных исследований разработанных алгоритмов в односигнальном и многосигнальном режимах работы, программно-аппаратно реализованных в радиопеленгаторе УКВ-диапазона. Выполнен сравнительный анализ разработанных алгоритмов с известными при фиксированной конфигурации АР. Показано, что при одной и той же конфигурации АР именно алгоритм пеленгования определяет диапазон частот, в котором обеспечивается однозначность пеленгования.

For the VHF broadband direction finder, coherent and incoherent direction finding algorithms for switched and non-switched connection of the antenna array (AR) to receiving device in single-signal and multi-signal direction finding modes are developed and investigated.

Their synthesis is based on the methods of space-time theory of radio systems. Numerical calculation of the direction finding characteristics of the algorithms for different number of antenna array elements determines the operating range upper limiting frequency, in which this configuration provides single-value estimates of the azimuth and elevation angle. Statistical simulation modeling shows that for an odd number of antennas, the antenna array amplitudephase response is unique in a wider frequency band than for an even number of antennas. Due to this MUSIC based property applied in the space of antenna array elements, direction finding algorithm is developed for wide frequency band with several signals overlapping in frequency, with switched and non-switched AR connection to a radio receiver. It is shown that the use of ESPRIT and MUSIC methods in free-space diagram does not allow for direction finding in a wide frequency band with the antenna array fixed configuration. The results of the field studies of the developed algorithms are presented for the single-signal and multi-signal modes of operation, software and hardware implemented in the VHF radio direction finder. A comparative analysis of the developed algorithms with the known APs with fixed configuration is performed. It is shown that with the same AR configuration, it is the direction finding algorithm that determines the frequency range in which the direction finding is unique.

круговая коммутируемая и некоммутируемая антенная решеткаоценка азимута и угла местаMUSICESPRITпространственная временная теория радиосистемширокополосный радиопеленгаторcircular switched and non-switched antenna arrayazimuth and elevation estimationMUSICESPRITtime-space radio system theorywide frequency band direction finderРабота выполнена в рамках Федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы" (RFMEFI57817X0242).ReferencesВиноградов А. Д., Дмитриев И. С. Потенциальная точность многоканального пеленгатора с антенной решеткой из ненаправленных невзаимодействующих антенных элементов // Антенны. 2008. № 3(130). С. 60–63.Vinogradov A. D., Dmitriev I. S. Potential Accuracy of Multi-Channel Direction Finder with Antenna Array of NonDirectional Non-Interacting Antenna Elements. Antennas. 2008, no. 3 (130), pp. 60-63. (In Ruissian)New Digital Direction finder 0.5 MHz to 3000 MHz // News from Rohde & Schwarz. 2002. № 174. P. 47–49.New Digital Direction finder 0.5 MHz to 3000 MHz. News from Rohde & Schwarz. 2002, no. 174, pp. 47–49.R&S®DDF550 Wideband Direction Finder. URL: https://www.rohde-schwarz.com/ru/product/ddf550-productstartpage_63493-11734.html (дата обращения 15.12.2018).R&S®DDF550 Wideband Direction Finder. Available at: https://www.rohde-schwarz.com/ru/product/ddf550-productstartpage_63493-11734.html (accessed 15.12.2018).Classical And Modern Direction-Of-Arrival Estimation / ed. by T. E. Tuncer, B. Friedlander. New York: Elsevier Inc., 2009. 456 p.Classical and Modern Direction-of-Arrival Estimation; ed. by T. E. Tuncer, B. Friedlander. New York, Elsevier Inc., 2009, 456 p.Шевченко М. Е., Малышев В. Н., Файзуллина Д. Н. Совместное обнаружение и пеленгование с использованием коммутируемой антенной решетки // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2015. № 5. С. 33–39.Shevchenko M. E., Malyshev V. N., Faizullina D. N. Joint Detection and Direction Finding Using Switched Antenna Array. Journal of the Russian Universities. Radioelectronics. 2015, no. 5, pp. 33–39. (In Ruissian)Foutz J., Spanias A., Banavar M. K. Narrowband Direction of Arrival Estimation for Antenna Arrays // Synthesis Lectures on Antennas. 2008. Vol. 8. P. 1–79. doi: 10.2200/S00118ED1V01Y200805ANT008Foutz J., Spanias A., Banavar M. K. Narrowband Direction of Arrival Estimation for Antenna Arrays. Synthesis Lectures on Antennas. 2008, vol. 8, pp. 1–79. doi: 10.2200/S00118ED1V01Y200805ANT008Проектирование фазовых автоматических радиопеленгаторов / А. С. Саидов, А. Р. Тагилаев, Н. М. Алиев, Г. К. Асланов. М.: Радио и связь, 1997. 160 с.Saidov A. S., Tagilaev A. R., Aliev N. M., Aslanov G. K. Proektirovanie fazovykh avtomaticheskikh radiopelengatorov [Phase Automatic Direction Finder Design]. Moscow, Radio i svyaz', 1997, 160 p. (In Ruissian)Коростелев А. А. Пространственно-временная теория радиосистем. М.: Радио и связь, 1987. 320 с.Korostelev A. A. Prostranstvenno-vremennaya teoriya radiosistem [Spatio-temporal Theory of Radio Systems]. Moscow, Radio i svyaz', 1987. 320 p. (In Russian)Cheng J., Ohira T. ESPAR Antenna Signal Processing for DOA Estimation // Advances in Direction-ofArrival Estimation / ed. by S. Chandran. Norwood: Artech House, 2006. P. 395–417.Cheng J., Ohira T. ESPAR Antenna Signal Processing for DOA Estimation. Advances in Direction-ofArrival Estimation; ed. by S. Chandran. Norwood: Artech House, 2006, pp. 395–417.Исследование характеристик широкополосных малоэлементных однокольцевых антенных решеток с использованием функций Бесселя / А. В. Ашихмин, А. Д. Виноградов, М. Г. Мазлов, Л. А. Минин // Антенны. 2006. № 8(111). С. 8–14.Ashikhmin A. V., Vinogradov A. D., Mazlov M. G., Minin L. A. Investigation of Broadband Low-Element SingleRing Antenna Array Characteristics Using Bessel Functions. Antennas. 2006, vol. 8 (111), pp. 8–14. (In Ruissian)Виноградов А. Д., Зибров Г. В., Леньшин А. В. Структуры и свойства пеленгаторных кольцевых антенных решеток с нечетной симметрией диаграмм направленности антенн // Антенны. 2013. № 5(192). С. 4–17.Vinogradov A. D., Zibrov G. V., Len'shin A. V. Structures and Properties of Direction-Finding Ring Antenna Arrays With Odd Symmetry of Antenna Patterns. Antennas. 2013, vol. 5 (192), pp. 4–17. (In Ruissian)Roy R., Kailath T. ESPRIT-Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques // IEEE Trans. Acoustics, Speech and Signal Processing. 1989. Vol. ASSP-37, № 7. P. 984–995. doi: 10.1109/29.32276Roy R., Kailath T. ESPRIT-Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques. IEEE Trans. Acoustics, Speech and Signal Processing, 1989, vol. ASSP-37, no. 7, pp. 984–995. doi: 10.1109/29.32276Mathews C. P., Zoltowski M. D. Eigenstructure Techniques for 2-D Angle Estimation with Uniform Circular Arrays // IEEE Trans. on Signal Processing. 1994. Vol. SP-42, № 9. P. 2395–2407. doi: 10.1109/78.317861Mathews C. P., Zoltowski M. D. Eigenstructure Techniques for 2-D Angle Estimation with Uniform Circular Arrays. IEEE Trans. on Signal Processing. 1994, vol. SP-42, no. 9, pp. 2395–2407. doi:10.1109/78.317861Mathews C. P., Zoltowski M. D. Performance Analysis of the UCA-ESPRIT Algorithm for Circular Ring Arrays // IEEE Trans. on Signal Processing. 1994. Vol. SP-42, № 9. P. 2536–2539. doi: 10.1109/78.317881Mathews C. P., Zoltowski M. D. Performance Analysis of the UCA-ESPRIT Algorithm for Circular Ring Arrays. IEEE Trans. on Signal Processing. 1994, vol. SP-42, no. 9, pp. 2536–2539. doi: 10.1109/78.317881Ramos J., Mathews C. P., Zoltowski M. D. FCAESPRIT: a Closed-Form 2-D Angle Estimation Algorithm for Filled Circular Arrays with Arbitrary Sampling Lattices // IEEE trans. on Signal Processing. 1999. Vol. SP-47, № 1. P. 213–217. doi: 10.1109/78.738255Ramos J., Mathews C. P., Zoltowski M. D. FCAESPRIT: a Closed-Form 2-D Angle Estimation Algorithm for Filled Circular Arrays with Arbitrary Sampling Lattices. IEEE trans. on Signal Processing. 1999, vol. SP-47, no. 1, pp. 213–217. doi: 10.1109/78.738255

The authors declare that there are no conflicts of interest present.