Predlog nove tehnike sledenja izvoru signala
Peter Miklavcic1, Tomaž Javornik2, Boštjan Batagelj1
1 Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko, Tržaška cesta 25, 1000 Ljubljana 2Institut "Jožef Stefan", Jamova cesta 39, 1000 Ljubljana E-pošta: peter.miklavcic@fe.uni-lj.si
A new signal source tracking technique proposal
In this paper we present a novel approach in signal source tracking techniques which is theoretically applied to lobe switching and the monopulse principle. In the beginning, the main families of current signal source tracking techniques are shortly presented, namely step- and smarttrack, lobe switching (sequential lobing), conical scanning and coherent monopulse operation by using an antenna group or a multimode antenna. Receiver block diagrams are also presented, for known methods as well as for the proposed three-lobe monopulse operation. Lobe switching is explained as a discretized version of conical scanning and in the case of two-dimensional operation, based on the conical scanning nomenclature, the pyramid scanning term is proposed (triangular pyramid scanning in the case of proposed three-lobe technique).
1	Uvod
Z različnimi tehnikami sledenja izvoru signala [1, 2, 3, 4, 5, 6] je iz prostorsko odvisne fizikalne velicine smernega diagrama možno izlušciti dvodimenzijsko informacijo odklona vpadnega signala od referencne smeri (ponavadi smeri glavnega snopa uporabljene antene oziroma antenske skupine). S pridobljeno informacijo je možno popravljati smer sprejema in s tem ohranjati zmogljivost zveze in/ali slediti smeri izvora (v radarski tehniki se uporablja izraz namerjanje tarce [1]). Sledenje izvoru signala se poleg radarske tehnike in satelitskih komunikacij uporablja tudi pri sistemih navigacije in pozicioniranja, kot npr. ILS (ang. Instrument Landing System), za vzdrževanje povezav med premikajocimi se vozlišci terenskih radijskih omrežij, za vzdrževanje (ali celo kot dodatno fi-zicno zašcito) komunikacijskega kanala z letalniki, ipd.
2	Tehnike sledenja izvoru
Najpreprostejše tehnike sledenja izvoru so izvedene s fi-zicnim premikanjem celotne antene in tipanjem moci [1, 6, 7]. Pri antenah, namenjenih izkljucno sledenju, se splaca tipati izrazitejši minimum, kot pri lovu na lisico. Tak princip se uporablja npr. v radarski tehniki ali pri napravah za odkrivanje (ponavadi neželenih) oddajnih naprav. Ce pa je sistem namenjen prenosu informacij, se med delovanjem išce maksimum za optimalen sprejem.
Pri satelitski televiziji se npr. uporabljata komercialna standarda DiSEqC in USALS, ki omogočata komunikacijo med sprejemnikom in aktivno anteno za ugotavljanje grobe lokacije na podlagi sprejemanih satelitov (za predvidevanje smeri želenega satelita) ter končno namerjanje s tipanjem moči sprejetega signala (ang. step-track), tudi v kombinaciji s predvidevanjem (ang. smart-track). Ta družina tehnik je danes vecinoma izvedena v programskem delu. Sam princip sledenja ne zahteva posebnih anten (kvečjemu motorizirane podstavke), s cimer je omo-goceno grobo, a poceni namerjanje velikega števila anten (npr. satelitska televizija, internet). Za hitrejše popravke in/ali natancnejše sledenje pa obstajajo tehnike sledenja, ki zahtevajo svojevrstne izvedbe anten in sprejemnih verig. Glavne so predstavljene v naslednjih poglavjih, medtem ko bolj eksoticnih, kot je npr. hibrid med stožcastim skaniranjem in monopulzno tehniko conoscan [8], clanek ne zajema.
0°
III	"""	IV
Slika 1: Pri stožcastem skaniranju antena z vrtecim se snopom skanira prostor okoli tarce, iz maksimuma sprejete moci signala pa sistem doloci njeno smer.
ERK'2018, Portorož, 63-216
213
Slika 2: Blokovni načrt sprejemnika pri tehniki stožčastega skaniranja. Kadar je tarča namerjena (v osi stožca), je amplituda konstantna in signala razlike sta nič. fS je frekvenca skaniranja oziroma vrtenja snopa.
2.1	Stožcasto skaniranje
Stožčasto skaniranje (ang. conical scanning) vrti od referenčne smeri odklonjen snop (kot je prikazano na sliki 1), ki v prostoru okoli tarče orisuje stožec [1, 4, 8]. Kadar je tarča v osi stožca (namerjena), je odčitana moč v celotni periodi konstantna, sičer pa doseže maksimum, ki določa smer tarče. Vrtenje snopa je lahko izvedeno električno ali mehansko. Blokovni načrt sprejemnika je na sliki 2.
2.2	Preklapljanje snopov
Preklapljanje snopov (ang. lobe switching, tudi sequential lobing) je tehnika, ki primerja odčitke sprejete moči z od referenčne smeri odklonjenih snopov [1, 3, 4, 8]. Za dvodimenzijsko sledenje se uporabljajo štirje (kot je prikazano na sliki 3), z uporabo štirih anten, sevalnikov ali stanj antenske skupine [1,4]. Ko je tarča namerjena, so vsi odčitki enaki in razlik ni. Dvodimenzijsko preklapljanje snopov je diskretizirana različiča zveznega stož-častega skaniranja in se lahko analogno imenuje piramidno skaniranje. Blokovni načrt sprejemnika za namerja-nje v eni dimenziji je na sliki 4.
0° $
O
e TARČA
III
IV
+
+
+
90° 180° 270°
Modulacija snopa
Slika 3: Preklapljanje snopov diskretno skanira prostor okoli tarče, iz odčitkov sprejete moči signala in geometrije pa sistem določi smer tarče in potreben popravek.
Z
A
-o
Slika 4: Blokovni načrt sprejemnika pri preklapljanju snopov v eni dimenziji. Kadar je tarča namerjena (v ravnini točno med antenama), sta odčitka moči enaka. Za dvodimenzijsko delovanje sta potrebna dva taka sprejemnika (tehnika s štirimi snopi) ali trije sevalniki z enim sprejemnikom (predlagana tehnika s tremi snopi).
64
Modulacija snopa
Hibridno vezje
X	X+Y
Y	X-Y
X	X+Y
Y	X-Y
X X+Y Y X- Y		Z		
		Fazni detektor		
				Ael
				
X	X+Y
Y	X-Y

Aaz
Slika 5: Blokovni načrt sprejemnika pri monopulzni tehniki s skupino štirih anten.
2.3 Monopulzni princip
Vsem do sedaj opisanim tehnikam je skupno to, da za de-tekcijo oziroma potrebno obdelavo signalov potrebujejo določen čas, kar je omejitev pri najhitrejših tarčah in pri dosegljivi ločljivosti (npr. radarskega) sistema. Tudi hitra električna izvedba stožčastega skaniranja ali preklapljanja snopov še ni končna omejitev tehnik sledenja, pač pa obstaja še realnočasovni monopulzni prinčip, ki s koherentnim sprejemom in fazno interferometrijo med dvema ali več sevalniki oziroma antenami v trenutku določi smer izvora, vsa potrebna obdelava pa je analogno seštevanje in odštevanje, s čimer se oblikujejo ustrezne oblike snopov za signale vsote in razlike [1, 2, 3, 9, 8]. Izraz monopulzni prinčip prihaja iz področja radarske tehnike, saj omogoča detekčijo tarče v trenutku oziroma iz enega samega odboja radarskega impulza, s čimer se povečajo
Modulacija snopa
Slika 6: Blokovni načrt sprejemnika pri monopulzni tehniki z dvorodovno anteno s krožno polarizačijo.
zmogljivosti radarskih sistemov [8].
Za doseganje raznolikosti smernih diagramov v istem časovnem trenutku imajo monopulzne antene več ločenih sevalnikov oziroma so sestavljene kot skupine (ponavadi) štirih anten [1, 3, 9]. Potrebna obdelava je prikazana na blokovnem načrtu na sliki 5. Skupaj s hibridnim vezjem za obdelavo signalov so take monopulzne antene nepraktične za počeni oziroma masovno izdelavo. Izvedene so lahko tudi kot večrodovna antena (ang. multimode antenna), pri kateri so neodvisno vzbujani rodovi s primernimi smernimi diagrami za monopulzno delovanje [1, 2, 8]. Take antene so že kompaktnejše, v primeru krožno polariziranih signalov pa je možna še dodatna poenostavitev, saj je informačija o smeri tarče že prostorsko-časovno modulirana v sprejetem kvadraturnem signalu razlike s signalom vsote kot referenčo [10, 5]. Take antene so lahko kompaktne, čenejše in primernejše za masovno izdelavo [5], kar je razvidno tudi iz enostavnejšega blokovnega načrta na sliki 6.
3 Predlog nove metode
Tako pri obstoječih izvedbah metode preklapljanja snopov, kakor pri monopulzni tehniki z antensko skupino so za dvodimenzijsko sledenje v obstoječi literaturi uporabljene štiri antene (snopi) ali več. Ker gre matematično gledano za iskanje točke v ravnini, so za dvodimenzijsko ločiranje potrebne meritve samo v treh nekolinearnih točkah (triangulačija). To pomeni možnost poenostavitev tehnik preklapljanja snopov (sliki 8 in 4) in tudi monopulzne (slika 7) z uporabo le treh anten, sevalnikov, stanj antenske skupine oziroma v splošnem treh snopov. Ker je na konču za motoriziran popravek ponavadi potrebna in-formačija v kartezičenem sistemu, je potrebno upoštevati transformačijo točk oziroma uteži pri seštevanju vektorjev tako da so simetrični oziroma v vsoti enaki nič. Na sliki 8 je skiča namerjanja s tremi točkami in označeno kartezično informačijo posameznih točk. Z večanjem števila točk narašča ločljivost, a hitrost skaniranja upada.
65
Modulacija snopa
Slika 7: Blokovni načrt sprejemnika pri predlagani monopulzni tehniki s skupino treh anten. Operacije seštevanja in odštevanja morajo biti ustrezno utežene za transformacijo v kartezični sistem.
Klasične tehnike s štirimi snopi ostajajo zanimiv kompromis med ločljivostjo in hitrostjo, saj v primeru glede na tri kljub daljši meritvi odpade transformacija v kartezični sistem (enostavnejša obdelava).
t
O
TARČA

■■r
m
IV
120°
240°
Slika 8: Predlagana tehnika sledenja s triangulačijo točke v ravnini. Na sliki je označeno, informačijo katere kartezične smeri nosi posamezna točka trikotnika.
4 Zaključek
Na podlagi obstoječih metod sledenja izvoru signala in preproste matematike ter geometrije v koherentni in ne-koherentni različiči predstavljena nova, ki za sledenje uporablja samo tri snope namesto obstoječih metod s štirimi, kar omogoča kompaktnejšo izdelavo na račun dodatne
obdelave za potrebno transformacijo. V naslednjem koraku predlagamo prototipiranje in praktičen preizkus predlaganih sistemov - preklapljanja treh snopov oziroma monopulznega s tremi snopi.
Zahvala
Raziskovalni program št. P2-0246 je sofinancirala Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije iz državnega proračuna. Zahvala gre tudi Univerzitetni ustanovi ing. Lenarčič Milana za raziskovalno štipendijo.
Literatura
[1]	R. B. Dybdal: Antenna Tracking, Antenna Engineering Handbook, str. 42-12, 2007
[2]	J. S. Cook in R. Lowell: The Autotrack System, The Bell System Technical Journal, št. 4, str. 1283-1307, 1963
[3]	G. J. Hawkins, David J. Edwards in J. McGeehan: Tracking Systems for Satellite Communications, IEE Proceedings F -Radar and Signal Processing, št. 5, str. 393-407, 1988
[4]	J. H. Cook Jr in W. K. Dishman: An Improved Scanning Automatic Tracking Antenna for Telemetry Applications, International Telemetering Conference Proceedings, 1989
[5]	P. Miklavcic: Optimizacija preprostega monopulznega antenskega sevalnika za primarno gorišce globokega zrcala, 2017, http://repozitorij.uni-lj.si/IzpisGradiva.php?id=94823
[6]	P. Miklavcic: Tehnike sledenja izvoru signala, Zbornik 23. seminarja radijske komunikacije, 31. januar-2. februar 2018
[7]	W. Gawronski in E. M. Craparo: Antenna Scanning Techniques for Estimation of Spacecraft Position, Aerospace Conference Proceedings 2, str. 2-2, 2002
[8]	S. M. Sherman in D. K. Barton: Monopulse Principles and Techniques, 2. izd., Norwood: Artech House, 2011
[9]	E. Kornaros, S. Kabiri in F. De Flaviis: A Novel Model for Direction Finding and Phase Center With Practical Considerations, IEEE Transactions on Antennas and Propagation 65, št. 10, str. 5475-5491, 2017
[10]	M. Vidmar: Sestavljanje krožne polarizacije, 1994, http: //lea.hamradio.si/~s53mv/archive/a167.pdf
66