radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2020-23-6-28-42radioelectronics-476Research ArticleРАДИОЛОКАЦИЯ И РАДИОНАВИГАЦИЯRADAR AND NAVIGATIONИнтервальное и точечное пеленгование источников радиоизлучения при широкополосном радиомониторингеInterval and Point Direction Finding of Radio Emission Sources for Broadband Radio Monitoringhttps://orcid.org/0000-0001-6873-6354ШевченкоМ. Е.ShevchenkoM. E.

Шевченко Майя Евгеньeвна – кандидат технических наук (1997), доцент (2002) кафедры радиоэлектронных средств. Автор 60 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. (Eng.) (1997), Associate Professor (2002) of the Department of Radio Electronics Equipment. The author of 60 scientific publications. Area of expertise: radio signals reserving and processing; frequency radio monitoring; digital signal processing. 

5 Professor Popov St., St Petersburg 197376

m_e_shevchenko@mail.ruМалышевВ. Н.MalyshevV. N.

Малышев Виктор Николаевич – доктор технических наук (2000), профессор (2004), декан факультета Радиотехники и телекоммуникаций. Автор более 120 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. Sci. (Eng.) (2000), Professor (2004), the Dean of faculty of Radio Equipment and Telecommunications. The author of mors than 100 scientific publications. Area of expertise: numerical methods; microwave engineering; antennas; information networks; information security. 

5 Professor Popov St., St Petersburg 197376

vnmalyshev@etu.ruСоколовС. С.SokolovS. S.

Соколов Сергей Сергеевич – доктор технических наук (1996), профессор (1998), профессор кафедры микрорадиоэлектроники и технологии радиоаппаратуры. Автор 85 научных публикаций. Сфера научных интересов – регистрация процессов с двойной стохастичностью, адаптивные методы оценивания параметров сигналов; системная инженерия. 

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

Sergey S. Sokolov, D. Sci. (Eng.) (1996), Professor (1998), Professor of the Department of microradioelectronics and radio equipment technology. Author of 85 scientific publications. Area of expertise: registration of processes with double stochasticity, adaptive methods for estimating signal parameters, system engineering. 

5 Professor Popov St., St Petersburg 197376

sssokolov@etu.ruГоровойА. В.GorovoyA. V.

Горовой Андрей Вадимович – аспирант, инженер Научно-Производственного предприятия "Новые Технологии Телекоммуникаций" (ООО НПП "НТТ"). Сфера научных интересов – обнаружение, оценивание, пространственная фильтрация и пеленгование сигналов, цифровая обработка сигналов.

ул. Софьи Ковалевской, д. 20, корп. 1, лит. А, Санкт-Петербург, 195256

Andrey V. Gorovoy, Post-graduate student, engineer LLC NPP "NTT". Area of expertise: detection, estimation, spatial filtering and bearing of signals, digital signal processing.

20 Sofya Kovalevskaya St., buil. 1, lit. A, St Petersburg 195256

andrew1295-09@mail.ruСоловьевC. Н.SolovievS. N.

Соловьев Сергей Николаевич – инженер. Сфера научных интересов – обнаружение, оценивание, пространственная фильтрация и пеленгование сигналов, цифровая обработка сигналов

ул. Софьи Ковалевской, д. 20, корп. 1, лит. А, Санкт-Петербург, 195256

Sergey N. Solovyov, Engineer. Area of expertise: detection, estimation, spatial filtering and direction finding of signals, digital signal processing.

20 Sofya Kovalevskaya St., buil. 1, lit. A, St Petersburg 195256

lilhorde@gmail.comСтенюковН. C.StenukovN. S.

Стенюков Николай Сергеевич – кандидат технических наук (1974), ведущий научный сотрудник. Сфера научных интересов – цифровая обработка сигналов в радиомониторинге.

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

Nikolay S. Stenukov, Ph. D. (Eng.) (1974), Leading Researcher. Area of expertise: digital signal processing in radiomonitoring.

10 Kantemirovskaya St., St Petersburg 197342

nsten@mail.ruСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical University "LETI"Russian FederationООО НПП "Новые Технологии Телекоммуникаций"РоссияResearch and Production enterprise "New technologies of Telecommunications"Russian FederationАО "НИИ "Вектор"РоссияResearcher JSC «NII "Vektor"»Russian Federation2020291220202362842Copyright © Шевченко М.Е., Малышев В.Н., Соколов С.С., Горовой А.В., Соловьев C.Н., Стенюков Н.C., 20202020Шевченко М.Е., Малышев В.Н., Соколов С.С., Горовой А.В., Соловьев C.Н., Стенюков Н.C.Shevchenko M.E., Malyshev V.N., Sokolov S.S., Gorovoy A.V., Soloviev S.N., Stenukov N.S.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/476Введение

Введение. При широкополосном радиомониторинге в частотной области применяются точечное и интервальное пеленгования источников радиоизлучения, исходными данными для которых являются спектральные выборки, полученные при многоканальном приеме от M-элементной антенной решетки. Точечное пеленгование основано на группировке точечных оценок азимута и угла места, сформированных для каждого частотного отсчета, в котором обнаружены сигнальные составляющие. По сгруппированным точечным оценкам в интервале соседних частотных отсчетов выносится единая оценка азимута и угла места. Интервальное пеленгование основано на формировании оценок азимута и угла места целиком по интервалу соседних частотных отсчетов, в котором обнаружены сигнальные составляющие и последующем уточнении границ интервала частотных отсчетов для каждого источника радиоизлучения в многосигнальном режиме на основе методов пространственной селекции. В современных эксплуатирующихся широкополосных комплексах радиомониторинга реализовано преимущественно точечное пеленгование в односигнальном режиме, а многосигнальный режим на основе MUSIC или ESPRIT реализован во временно́й области в узкой полосе частот.

Цель работы

Цель работы. Разработка и исследование методов точечного и интервального пеленгования в многосигнальном режиме и выработка рекомендаций для их практического применения в многосигнальном и односигнальном режимах.

Методы

Методы. Многосигнальный режим при точечном и интервальном пеленговании реализован на MUSIC и ESPRIT. Экспериментальное исследование разработанных методов пеленгования при перекрытии спектров сигналов в односигнальном и многосигнальном по ESPRIT режимах выполнено по записям реальных сигналов, сделанных с помощью семиканального когерентного синхронного приемника, подключенного к семиэлементной 60° уголковой антенной решетке.

Результаты

Результаты. Результаты исследования представлены в виде частотно-азимутальных панорам, амплитудных спектров разделенных сигналов и показателей точности пеленгования.

Заключение

Заключение. Экспериментально продемонстрировано, что в односигнальном режиме при отсутствии информации о числе сигналов в наблюдаемых данных целесообразно применять точечное пеленгование, а в многосигнальном режиме для повышения точности и реализуемости в реальном времени – интервальное.

Introduction

Introduction. The point and interval direction finding of radio sources is used for broadband radio monitoring in the frequency domain. The initial data for broadband radio monitoring are spectral samples obtained from an M-element antenna array by multichannel reception. Point direction finding is based on a grouping of point estimates of azimuth and elevation angle formed for each frequency sample, in which signal components are detected. A single estimate of azimuth and elevation angle is made based on the grouped point estimates in the range of neighbouring frequency samples. Interval direction finding is based on the azimuth and elevation estimates formed entirely from the interval of adjacent frequency samples, in which the signal components are found, and the subsequent refinement of frequency sample interval boundaries for each radio source in multisignal mode by spatial selection methods. Point direction finding is mainly implemented in single-signal mode in modern operating broadband radio monitoring complexes, while the multi-signal mode based on MUSIC or ESPRIT is implemented in the time domain in a narrow frequency band.

Aim

Aim. Development and investigation of methods for point and interval direction finding in multi-signal mode, as well as development of recommendations for their practical application in multi-signal and single-signal modes.

Methods

Methods. Multi-signal mode for point and interval direction finding was implemented using MUSIC and ESPRIT. An experimental study of the developed direction finding methods in single-signal and multi-signal (on ESPRIT) modes with overlapping signal spectra was carried out by processing the recorded real signals. The records were made using a seven-channel coherent synchronous receiver connected to a seven-element 60° angle antenna array.

Results

Results. The research results are presented by frequency-azimuth panoramas and estimates of the amplitude spectra of separated signals and direction finding accuracy indicators.

Conclusion

Conclusion. It was experimentally demonstrated that point direction finding should be used in single-signal mode provided the absence of information on the number of signals in the observed data. Interval direction finding is recom-mended in multi-signal mode for improving the accuracy and real-time feasibility of the process.

Широкополосный радиомониторингточечное и интервальное оцениваниепеленгование источников радиоизлученияESPRITMUSICbroadband radio monitoringpoint and interval estimationdirection finding of radio emission sourcesESPRITMUSICПри подготовке публикации использовались результаты работ по проекту "Разработка многопозиционного комплекса полуактивной радиолокации и радиомониторинга излучаюших и радиомолчащих объектов" (Согл. от 21 ноября 2018 г. № 075-11-2018-035) с использованием мер государственной поддержки, предусмотренных постановлением Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 218.In preparing the publication, the results of work on the project "Development of a multi-position complex for semi-active radar and radio monitoring of emitting and radio silent objects" (Agreement dated November 21, 2018 No. 075-11-2018-035) were used with the use of state support measures provided for by the decree of the Government of the Russian Federation April 9, 2010 No. 218.ReferencesРембовский А. М., Ашихмин А. В., Козьмин В. А. Радиомониторинг: задачи, методы, средства. Под ред. А. М. Рембовского. 4-е изд. М.: Горячая линия – Телеком. 2015. 319 с.Rembovsky A. M., Ashihmin A.V., Kozmin V. A. Radiomonitoring: problems, methods, means. Under the ed. of A. M. Tambovskogo. 4th ed. M.: Gorajthaj linija. 2015, 319 p. (In Russ.)Radiomonitoring & Radiolocation Catalog. Rohde & Schwarz. 2016. 239 p. URL: https://cdn.rohdeschwarz.com/ru /downloads_45/common_library_45/brochures_and_datasheets_45 /Radiomonitoring_and_Radiolocation_Catalog.pdf (дата обращения 21.12.2020)Radiomonitoring & Radiolocation Catalog. Rohde & Schwarz. 2016, 239 p. Available at: https://cdn.rohdeschwarz.com/ru/downloads_45/common_library_45/brochures_and_datasheets_45 /Radiomonitoring_and_Radiolocation_Catalog.pdf (accessed 21.12.2020)New Direction Finders Cope with Next Generation Signals: Rohde & Schwarz Reference Card. Ver. 1.00. 2019. URL: https://scdn.rohde-schwarz.com/ur/pws/dl_downloads /dl_common_library/dl_brochures_and_datasheets/pdf_1/New-direction-finders_fly_en_3609-3842-32_v0100_web.pdf (дата обращения 21.12.2020)New Direction Finders Cope with Next Generation Signals: Rohde & Schwarz Reference Card. Ver. 1.00. 2019. Available at: https://scdn.rohde-schwarz.com/ur/pws/dl_downloads/dl_common_library/dl_brochures_and_datasheets/pdf_1/New-direction-finders_fly_en_3609-3842-32_v0100_web.pdf (accessed 21.12.2020)Tuncer T. E., Friedlander B. Classical And Modern Direction-Of-Arrival Estimation. NewYork: Elsevier Inc., 2009. 456 p. URL: https://www.researchgate.net/publication /293668701_Classical_and_Modern_Direction-of-Arrival_Estimation(дата обращения 21.12.2020)Tuncer T. E., Friedlander B. Classical And Modern Direction-Of-Arrival Estimation. NewYork: Elsevier Inc., 2009. 456 p. Available at: https://www.researchgate.net/publication /293668701_Classical_and_Modern_Direction-of-Arrival_Estimation(accessed 21.12.2020)Чемаров А. О. Квантильная оценка уровня шума периодограммы Бартлетта для частотного радиомониторинга // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2009. Вып. 1. С. 61–66.Chemarov A. O. Quantile estimation of the noise level of the Bartlett periodogram for frequency radio monitoring. J. of the Russian Universities. Radioelectronics. 2009, iss. 1, pp. 61–66. (In Russ.)Чемаров А. О. Квантильная оценка уровня шума периодограммы Бартлетта для частотного радиомониторинга // Информация и космос. 2009, № 3. С. 30– 35.Chemarov A. O. Quantile estimation of the noise level of the Bartlett periodogram for frequency radio monitoring. Information and space. 2009, no. 3, pp. 30–35. (In Russ.)Шевченко М. Е., Чемаров А. О. Обнаружение и оценивание параметров источников радиоизлучения в широкой полосе обзора. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2011.Shevchenko M. E., Chemarov A. O. Detection and estimation of parameters of radio emission sources in a wide field of view. SPb: Publishing house of SPbGETU "LETI", 2011. (In Russ.)Анализ перспективных направлений развития методов оценки угловых координат источников радиоизлучения / А. В. Ашихмин, В. А. Козьмин, В. В. Негробов, Ю. Г. Пастернак, Ю. А. Рембовский // Вестн. Воронежского государствен. технич. ун-та. 2009. Т. 5, № 9. С. 47–55.Ashikhmin A. V., Kozmin V. A., Negrobov V. V., Pasternak Yu. G., Rembovsky Yu. A. Analysis of perspective directions of development of methods for estimating angular coordinates of radio emission sources. Vestn. Voronezhskogo gosudarstven. tehnith. un-ta, 2009, vol. 5, no. 9, pp. 47-55. (In Russ.)Грешилов А. А., Плохута П. А. Многосигнальная пеленгация на одной частоте как задача разложения сигнала на сумму экспонент // Вестн. МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. "Естественные науки". 2008. № 2. С. 67–77.Greshilov A. A., Plokhuta P. A. Multi-Signal direction finding at one frequency as a problem of signal decomposition by the sum of exponents. Vestn. MGTU im. N. E. Baumana. Ser. "Natural Sciences". 2008, no. 2, pp. 67–77. (In Russ.)Грешилов А. А., Назаренко Б. П., Плохута П. А. О пеленгации источников излучений // Вестн. МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. "Естественные науки", 2007. № 3. С. 3–27.Greshilov A. A., Nazarenko B. P., Plahuta P. A. On the direction finding of radiation sources, Vestn. MGTU im. N. E. Baumana, Ser. "Natural Sciences", 2007, no. 3, pp. 3–27. (In Russ.)Шевченко М. Е., Малышев В. Н., Файзуллина Д. Н. Пеленгование источников радиоизлучения в широкой полосе частот с использованием круговой антенной решетки // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2018. № 6. С. 30–40. doi: 10.32603/1993-8985-2018-21-6-30-40Shevchenko M. E., Malyshev V. N., Fayzullina D. N. Radio Source Direction Finding in Wide Frequency Band Using Circular Antenna Array. J. of the Russian Universities. Radioelectronics. 2018, no. 6, pp. 30–40. doi: 10.32603/1993-8985-2018-21-6-30-40 (In Russ.)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: 10.1109/29.3227.Roy 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: 10.1109/29.3227.Lemma A. N., Van der Veen A. J. Analysis of Joint Angle-Frequency Estimation Using ESPRIT // IEEE Trans. Sig. Proc. 2003. Vol. SP-51, № 5. P. 1264–1283. doi: 10.1109/TSP.2003.810306Lemma A. N., Van der Veen A. J. Analysis of Joint Angle-Frequency Estimation Using ESPRIT // IEEE Trans. Sig. Proc. 2003. Vol. SP-51, № 5. P. 1264–1283. doi: 10.1109/TSP.2003.810306Strobach P. Total Least Squares Phased Averaging and 3–D ESPRIT for Joint Azimuth-Elevation-Carrier-Estimation // IEEE Trans. Sig. Proc. 2001. Vol. 49, № 1. P. 54–62.Strobach P. Total Least Squares Phased Averaging and 3–D ESPRIT for Joint Azimuth-Elevation-Carrier-Estimation./ IEEE Trans. Sig. Proc. 2001, vol. 49, no. 1, pp. 54–62.Goussetis Wireless Channel Parameter Estimation Algorithms: Recent Advances and Future Challenges / J. Huang, J. Sun, C. Wang, G. // China Communications. 2018. Vol. 15, no. 5. P. 211–228. doi: 10.1109/CC.2018.8387999.Huang J., Sun J., Wang C., Goussetis G. Wireless Channel Parameter Estimation Algorithms: Recent Advances and Future Challenges. China Communications. 2018. Vol. 15, no. 5, pp. 211–228. doi: 10.1109/CC.2018.8387999Шевченко М. Е., Горовой А. В., Соловьев С. Н. Пространственная фильтрация перекрывающихся по спектру сигналов // Вопросы радиоэлектроники. 2019. № 12. C. 27–33. doi: 10.21778/2218-5453-2019-12-27-33.Shevchenko M. E., Gorovoy A.V., Solov'ev S. N. Spatial filtering of signals overlapping in the spectrum. Voprosy radioelectroniki. 2019, no. 12, pp. 27–33. doi: 10.21778/2218-5453-2019-12-27-33. (In Russ.)Lavate T. B., Kokate V. K., Sapkal A. M. Performance Analysis of MUSIC and ESPRIT DOA Estimation Algorithms for Adaptive Array Smart Antenna in Mobile Communication // 2010 2nd Intern. Conf. on Computer and Network Technology. Bangkok. 2010, P. 308-311, doi: 10.1109/ICCNT.2010.45.14.Lavate T. B., Kokate V. K., Sapkal A. M. Performance Analysis of MUSIC and ESPRIT DOA Estimation Algorithms for Adaptive Array Smart Antenna in Mobile Communication. 2 nd Intern. Conf. on Computer and Network Technology. Bangkok. 2010, pp. 308-311. doi: 10.1109/ICCNT.2010.45.14Stevanovic I., Skrivervik A., Mosig J. R. Smart Antenna Systems for Mobile Communications: FINAL REPORT // Laboratoired Electromagnetisme et d’Acoustique Ecole Polytechnique Federale de Lausanne CH-1015 Lausanne Suisse. 2003. January https://www.academia.edu/24560455 /Smart_Antenna_Systems_for_Mobile_Communications_FINAL_REPORT_ECOLE_POLYTECHNIQUE_FEDERALE_DE_LAUSANNE (дата обращения 21.12.2020)Stevanovic I., Skrivervik A., Mosig J. R. Smart Antenna Systems for Mobile Communications: FINAL REPORT. Laboratoired Electromagnetisme et d’Acoustique Ecole Polytechnique Federale de Lausanne CH-1015 Lausanne Suisse. 2003. January Available at: https://www.academia.edu/24560455 /Smart_Antenna_Systems_for_Mobile_Communications_FINAL_REPORT_ECOLE_POLYTECHNIQUE_FEDERALE_DE_LAUSANNE (accessed 21.12.2020)

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