Реализация высокомобильного комплекса пеленгации для БПЛА с применением виртуальных магнитных диполей

Актуальность. В условиях развития современных широкополосных систем связи особенно актуальной становится задача выполнения пеленгации сигналов с использованием высокомобильных комплексов пеленгации (БПЛА), которые накладывают ограничения на размеры антенных элементов, на расстояние между ними, что приводит к росту математической ошибки пеленга.

Постановка задачи. В статье ставится задача рассмотреть возможность повышения точности пеленгации высокомобильного комплекса путем применения технологии виртуальных магнитных диполей. Особенностью данного метода является минимизация искажений, которые вносятся корпусом-носителем в характеристики измеряемого поля. Для измерения характеристик поля, а также их парциальных компонент применялись векторные антенные элементы.

Целью работы является исследование характеристик комплекса радиопеленгации с использованием методов виртуальных магнитных диполей в условиях искажений, вносимых корпусом-носителем. В качестве примера рассматриваются случаи пеленгации разнополяризованных волн, учета влияния обтекателей антенных элементов, оценка предельной точности разрешения, а также шумовой устойчивости. При моделировании использовался метод конечных элементов, реализованный в DS CST Studio Suite 2024.

Результаты. Во время исследования на БПЛА с комплексом пеленгации падала плоская волна с разными пеленгами, что позволило проводить наиболее точное исследование. К результатам работы также следует отнести создание модели комплекса радиопеленгации, который может быть установлен на малом БПЛА, обеспечивающего высокую точность пеленгации волн в пассивном режиме.

Новизна применяемого метода заключается в формировании виртуальных магнитных диполей на основе измеренных характеристик искаженного электрического поля. Также новизной данной работы являются случаи моделирования, которые связаны с шумовым подавлением, влиянием корпусов антенных элементов, а также оценки предельной разрешающей точности.

Практическая значимость заключается в создании модели комплекса радиопеленгации на основе векторных антенных элементов, которые применяются для измерения характеристик электромагнитного поля с последующей пеленгацией на основе магнитного поля. В процессе исследования были рассмотрены все аспекты и случаи влияния внешних факторов на точность радиопеленгационного комплекса.

1. Sun B., Tan B., Ashraf M., Valkama M., Lohan E.S. Embedding the Localization and Imaging Functions in Mobile Systems: An Airport Surveillance Use Case // IEEE Open Journal of the Communications Society. 2022. Vol. 3. PP. 1656‒1671. DOI:10.1109/OJCOMS.2022.3208945

2. Tarkowski M., Kulas L. RSS-Based DoA Estimation for ESPAR Antennas Using Support Vector Machine // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2019. Vol. 18. Iss. 4. PP. 561‒565. DOI:10.1109/LAWP.2019.2891021

3. Musicant A., Almog B., Oxenfeld N., Shavit R. Vector Sensor Antenna Design for VHF Band // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2015. Vol. 14. PP. 1404‒1407. DOI:10.1109/LAWP.2015.2409315

4. Duplouy J., Morlaas C., Aubert H., Potier P., Pouliguen P., Djoma C. Reconfigurable Grounded Vector Antenna for 3-D Electromagnetic Direction-Finding Applications // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2018. Vol. 17. Iss. 2. PP. 197‒200. DOI:10.1109/LAWP.2017.2779878

5. Dawood H.S., El-Khobby H.A., Elnaby M.M.A., Hussein A.H. Optimized VAA Based Synthesis of Elliptical Cylindrical Antenna Array for SLL Reduction and Beam Thinning Using Minimum Number of Elements // IEEE Access. 2021. Vol. 9. PP. 50949‒50960. DOI:10.1109/ACCESS.2021.3069795

6. Yahia A.A., Elkamchouchi H.M. Design of Virtual Antenna Array for Direction of Arrival Estimation Using Real Antenna Array System // Proceedings of the 34th International Technical Conference on Circuits/Systems, Computers and Communications (ITC-CSCC, JeJu, South Korea, 23‒26 June 2019). IEEE, 2019. DOI:10.1109/ITC-CSCC.2019.8793364

7. Zuo M., Xie S., Li Y., Zhang C. Joint Estimation Method for Frequency and DOA of Virtual Antenna Array in Space-Time Domain // Proceedings of the International Applied Computational Electromagnetics Society Symposium ‒ China (ACES, Nanjing, China, 08‒11 August 2019). IEEE, 2019. DOI:10.23919/ACES48530.2019.9060452

8. Fayad Y., Wang C., Cao Q., Hafez A.E.-D. Improved ESPRIT algorithm used in spatial subspace for NULA // Proceedings of the 13th International Bhurban Conference on Applied Sciences and Technology (IBCAST, Islamabad, Pakistan, 12‒16 January 2016). IEEE, 2016. PP. 620‒623. DOI:10.1109/IBCAST.2016.7429943

9. Ateşavcı C.S., Bahadırlar Y., Aldırmaz-Çolak S. DoA Estimation in the Presence of Mutual Coupling Using Root-MUSIC Algorithm // Proceedings of the 8th International Conference on Electrical and Electronics Engineering (ICEEE, Antalya, Turkey, 09‒11 April 2021). IEEE, 2021. PP. 292‒298. DOI:10.1109/ICEEE52452.2021.9415938

10. Lim J.-s., Song J., Sung K.-M. Forward-backward time varying forgetting factor Kalman filter based DOA estimation algorithm for UAV (Unmanned Aerial Vehicle) autolanding // Proceedings of the IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing. IEEE, 2002. PP. IV-3964‒IV-3967. DOI:10.1109/ICASSP.2002.5745525

11. Keskin F., Filik T. Isotropic and Directional DOA Estimation of the Target by UAV Swarm-based 3-D Antenna Array // Proceedings of the 4th International Symposium on Multidisciplinary Studies and Innovative Technologies (ISMSIT, Istanbul, Turkey, 22‒24 October 2020). IEEE, 2020. DOI:10.1109/ISMSIT50672.2020.9254341

12. Cheng J., Guan K., Qutin F. A High-Accuracy DOA-Based Localization Method: UAV Virtual Multiantenna Array // Proceedings of the Seventeenth International Conference on Wireless and Mobile Communications (ICWMC 2021). 2021. PP. 10‒15.

13. Abeywickrama S., Jayasinghe L., Fu H., Nissanka S., Yuen C. RF-based Direction Finding of UAVs Using DNN // Proceedings of the IEEE International Conference on Communication Systems (ICCS, Chengdu, China, 19‒21 December 2018). IEEE, 2018. PP. 157‒161. DOI:10.1109/ICCS.2018.8689177

14. Павлов И.Д. Исследование влияния антенных элементов миллиметрового диапазона на ошибки пеленгации фазовым методом // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2023. Т. 26. № 2. С. 25‒36. DOI:10.32603/1993-8985-2023-26-2-25-36. EDN:FRDWEB

15. Ashikhmin A.V., Ishchenko E.A., Pasternak Y.G., Pershin P.V., Sivash M.A., Fedorov S.M. Design of Virtual Magnetic Dipole Antenna Array to Reduce the Systematic Bearing Error Caused by Wave Diffraction on the Antenna System and its Carrier Body // Proceedings of the 7th All-Russian Microwave Conference (RMC, Moscow, Russia, 25‒27 November 2020). IEEE, 2020. PP. 111‒114. DOI:10.1109/RMC50626.2020.9312312