Synthesis of a super-resolution algorithm in a low-element antenna array

Abstract

Currently, unmanned aerial vehicles (UAVs) of various types and tactics of their use are actively developing in the interests of both economic and defense activities of the state. One of the problems holding back the mass use of UAVs is their navigation support, designed for safe performance of a single or group flight, as well as landing on unequipped sites. Modern on-board navigation systems based on GNSS receivers, inertial, optical-electronic and other systems do not provide sufficient accuracy of measuring UAV coordinates to perform a group flight. As an alternative, a navigation angle measuring system is proposed, based on the use of adaptive antenna arrays (AA) and ensuring the determination of angular coordinates of individual UAVs in a group or a ground radio beacon (bearings on radio emission sources). The calculation of the direction-finding relief and the study of the super-resolution algorithm were carried out using the recurrent calculation of the inverse correlation matrix of signal sources and the calculation of the weight vector according to the maximum likelihood criterion in the Matlab software environment and specially developed add-on programs. A super-resolution algorithm was synthesized in a low-element antenna array and, using the developed model, the radiation patterns (RP) of the low-element antenna array and its direction-finding relief for several configurations were constructed.

• Unmanned Aircraft System
• on-board radio detection and control station
• low-element antenna arrays
• angular superresolution
• signal processing methods

Аннотация (на русском)

Синтез алгоритма сверхразрешения в малоэлементной антенной решетке

В настоящее время активно развиваются БПЛА различных типов и тактика их применения в интересах как хозяйственной, так и оборонной деятельности государства. Одной из проблем, сдерживающей массовое применения БПЛА, является их навигационное обеспечение, предназначенное для безопасного выполнения одиночного или группового полета, а также посадки на необорудованные площадки. Современные бортовые навигационные системы на основе ГНСС-приемников, инерциальных, оптико-электронных и других систем не обеспечивают достаточной для выполнения группового полета точности измерения координат БПЛА. В качестве альтернативы предлагается навигационная угломерная система, основанная на применении адаптивных антенных решеток (АР) и обеспечивающая определение угловых координат отдельных БПЛА в группе или наземного радиомаяка (пеленги на источники радиоизлучения). Расчет пеленгационного рельефа и исследование алгоритма сверхразрешения проводились с применением реккурентного вычисления обратной корреляционной матрицы источников сигналов и расчета весового вектора по критерию максимума правдоподобия в программном обеспечении среды Matlab и специально разработанных программ-дополнений. Синтезирован алгоритм сверхразрешения в малоэлементной АР и с использованием разработанной модели построены диаграммы направленности (ДН) малоэлементной АР и ее пеленгационный рельеф для нескольких конфигураций.

For citation

References

1. Порсев В. И., Гелесев А. И., Красько А. Г. Угловое сверхразрешение сигналов с использованием "виртуальных" антенных решеток //Вестник Концерна ВКО Алмаз-Антей. - 2019. - №. 4 (31). - С. 24-34.
2. Гершман А. Б., Ермолаев В. Т., Флаксман А. Г. Анализ сверхразрешения некоррелированных источников излучения в адаптивных антенных решетках //Изв. Вузов. Радиофизика. - 1988. - Т. 31. - №. 11. - С. 1374-1379.
3. Sergeev V. A., Bolkhovskaya O. V., Maltsev A. A. Testing the Hypothesis of a Plane Wavefront of a Signal Received by a Multi-Element Antenna Array //2022 Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems (WECONF). - IEEE, 2022. - С. 1-5.
4. Bolkhovskaya O., Sergeev V., Maltsev A. Cramer-Rao Lower Bounds for the Task of Joint Estimation of Signal Initial Phase and AoA in Multi-Element Antenna Arrays //2023 Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems (WECONF). - IEEE, 2023. - С. 1-6.
5. Кичко Я. В. Проблемы и перспективы развития группового применения беспилотных летательных аппаратов //Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании (АПИНО 2022). - 2022. - С. 565-568.
6. Сафонова А. В. Эффективные алгоритмы оценивания угловых координат источников радиоизлучения: дис. - Ряз. гос. радиотех. университет, Рязань, 2016.
7. Шимонин О.А. Разработка методов двумерного углового разрешения источников излучения в адаптивных антенных системах: Диссертация на соискание ученой степени к.ф-м.н., - Н.Новгород, 2022.
8. Чистяков В. А., Куприц В. Ю. Сверхразрешение в антенных решетках //Решетневские чтения. - 2016. - Т. 1. - №. 20. - С. 310-312.
9. Ratuschnyak V. N. et al. Electronic control of the antenna array direction pattern of the vertical atmospheric probing radar station //Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2021. - Т. 1889. - №. 3. - С. 032020.
10. Нечаев Ю. Б., Макаров Е. С. Повышение точности пеленгации при использовании сверхразрешающих алгоритмов обработки //Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2008. - Т. 4. - №. 2. - С. 59-62.
11. Лаговский Б. А. Сверхразрешение на основе синтеза апертуры цифровыми антенными решетками //Антенны. - 2013. - №. 6. - С. 009-016.
12. Ратынский М. В. Адаптация и сверхразрешение в антенных решетках. - Радио и связь, 2003.
13. Дмитриев Д. Д., Тяпкин В. Н., Кремез Н. С. Методы адаптации фазированных антенных решеток к помехам в спутниковых радионавигационных системах //Радиотехника. - 2013. - №. 9. - С. 039-043.
14. Тяпкин В. Н. и др. Повышение эффективности подавления помех за счет коррекции частотных характеристик приемных каналов в навигационной аппаратуре потребителей //Космические аппараты и технологии. - 2018. - №. 1 (23). - С. 30-37.
15. Valery N. Tyapkin. et al. Space-time processing of signals in angle measurement navigation receivers //2016 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). - IEEE, 2016. - С. 1-5.