Methodology of statistical synthesis and analysis methods for stochastic signal processing in multi-antenna radio direction finders

Abstract

The subject of this study is the development of a statistical synthesis methodology and analysis methods for processing stochastic signals in multi-antenna radio direction finders. The aim of this study is to improve the accuracy, stability, and adaptability of these systems under changing operating conditions, especially for applications involving unmanned aerial vehicles. The objectives of the study are: 1) formulation of analytical models of signals and noise with specified statistical characteristics; 2) determination of the criteria for the maximum likeli-hood function for solving optimisation problems; 3) creation of a basis for estimating marginal errors of measuring the angular positions of radio sources emitting stochastic signals; 4) development of a structural diagram of a radio direction finding system based on the obtained algorithm; 5) simulation modelling of the direction finder. The methods for solving the tasks are statistical theories of radio engineering systems, simulation modelling and optimisation in the spectral domain to solve the problems of designing radio direction finders capable of processing stochastic signals. This approach allows for the integration of amplitude and phase measurements for multiple antennas, ensuring compatibility with UAV-specific constraints, such as size, weight, and aerodynamic characteristics. The following results were obtained: 1) theoretical foundations for optimising radio direction finders for stochastic signals, validated by simulation and analytical modelling; 2) algorithms and block diagrams for a prototype single-antenna non-scanning radio direction finder, demonstrating the proposed method-ology; 3) experimental verification confirming the feasibility of the proposed methods. This work provides a way for further development of multi-antenna direction-finding technologies, offering scalable solutions for use in UAVs and allowing accurate estimation of signal parameters under conditions of uncertainty. Future directions include the extension of the methodology to dual-antenna systems, hybrid configurations, and spatially distributed multi-antenna systems.

Предметом цього дослідження є розроблення методології статистичного синтезу та методів аналізу для обробки стохастичних сигналів у багатоантенних радіопеленгаторах. Мета роботи полягає в підвищення точності, стійкості та адаптивності цих систем в умовах експлуатації, що змінюються, особливо для додатків, по-в'язаних із безпілотними літальними апаратами (БПЛА). Завдання на вирішення яких спрямовано дослідження: 1) формулювання аналітичних моделей сигналів і шумів із заданими статистичними характеристиками; 2) визначення критеріїв функції максимальної правдоподібності для розв'язування задач оптимізації; 3) створення основи для оцінювання граничних помилок вимірювання кутового положення стохастичних джерел сигналів; 4) розроблення структурної схеми радіопеленгаційної системи на основі розробленого алгоритма; 5) імітаційне моделювання пеленгатора. Методами розв'язання поставлених задач є статистичні теорії радіо-технічних систем, імітаційне моделювання та оптимізація в спектральній області для розв'язання задач проєктування радіопеленгаторів, здатних обробляти стохастичні сигнали. Цей підхід дає змогу інтегрувати результати амплітудних і фазових вимірювань для кількох антен, забезпечуючи сумісність з обмеженнями, характер-ними для БПЛА, такими як розмір, вага й аеродинамічні характеристики. Було отримано такі результати: 1) теоретичні засади оптимізації радіопеленгаторів для стохастичних сигналів, підтверджені за допомогою імітаційного та аналітичного моделювання; 2) розроблено алгоритми та блок-схеми прототипу одноантенного нескануючого радіопеленгатора, що демонструє запропоновану методику; 3) експериментальна перевірка, що підтверджує здійсненність запропонованих методів. Дана робота відкриває шлях для подальшого розвитку технологій багатоантенної пеленгації, пропонуючи масштабовані рішення для застосування в БПЛА і даючи змогу точно оцінювати параметри сигналу в умовах невизначеності. Майбутні напрямки включають розширення методології на двоантенні системи, гібридні конфігурації та просторово розподілені багатоантенні системи.