RU109869U1 - Устройство для определения параметров движения цели - Google Patents

Abstract

Устройство для определения параметров движения цели, содержащее передающую позицию, состоящую из последовательно соединенных передатчика и антенны, и в удаленной от нее точке приемную позицию, которая состоит из антенны приемной позиции, имеющей N выходов, каждый из которых, кроме центрального, соединен с одним из входов соответствующего суммирующего устройства, выход которого соединен с соответствующим приемником, а центральный выход антенны соединен с блоком деления опорного напряжения, один из выходов которого соединен непосредственно с входом приемника центрального парциального канала, а остальные N-1 выходов соединены со вторыми входами суммирующих устройств соответствующих парциальных каналов, при этом выходы приемника каждого из парциальных каналов раздельно соединены с соответствующими входами блока измерения направления прихода интерференционного сигнала, выход которого соединен с первым входом блока вычисления траекторных параметров, выход которого является выходом всего устройства, отличающееся тем, что приемная позиция дополнительно содержит блок определения азимутального положения диаграммы направленности антенны передающей позиции, вход которого подключен ко второму выходу приемника центрального парциального канала, а выход подключен ко второму входу блока вычисления траекторных параметров, при этом передатчик передающей позиции содержит последовательно соединенные блок синхронизации, синтезатор частоты, усилитель мощности и блок управления лучом, второй вход которой соединен со вторым выходом блока синхронизации, а выход соединен с входом передающей антенны.

Description

Полезная модель относится к области радиолокации, в частности, к устройствам определения параметров движения цели в бистатических радиолокационных системах.

Известны различные устройства для определения параметров движения цели в бистатических радиолокационных системах [1-3], которые имеют общий недостаток: определение суммарной дальности - (длины пути по линии передающая позиция - цель - приемная позиция), производится за счет экстраполяции значений измеряемых параметров, например, доплеровской частоты и угла азимута, до линии базы для определения времени пересечения цели линии базы с последующими вычислительными процедурами, позволяющими определить суммарную дальность и дальность до цели относительно приемной позиции и текущие прямоугольные координаты цели.

Недостатками этих устройств является низкая точность определения координат цели, обусловленная выполнением экстраполяции измеренных значений доплеровской частоты до линии базы, что необходимо для вычисления суммарной дальности. Это приводит к тому, что на начальном этапе определения величины суммарной дальности экстраполяция доплеровской частоты производится с ошибками, обусловленными принятой гипотезой о законе движения цели за время экстраполяции и переходными процессами в фильтре - экстраполяторе. Кроме того, экстраполяция доплеровской частоты до момента пересечения целью линии базы на длительный интервал времени, например, при полете дели под малыми углами к линии базы, также приводит к росту ошибок измерения суммарной дальности, за счет накопления ошибок обусловленных большим временем экстраполяции, а, следовательно, и к ошибкам определения наклонной дальности и прямоугольных координат цели. При сопровождении маневрирующих целей экстраполяция доплеровской частоты до момента пересечения целью линии базы осуществляется со значительными динамическими ошибками, поскольку отсутствует априорная информация об интенсивности маневра цели, а после пересечения целью линии базы интегрирование на длительное время измеренного значения доплеровской частоты с последующим расчетом суммарной дальности также приводит к ошибкам определения дальности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является устройство для определения параметров движения цели [4], выбранное в качестве прототипа.

Устройство - прототип состоит из передающей позиции, состоящей из последовательно соединенных передатчика и антенны, и, в удаленной от источника излучения точке, приемной позиции, которая в свою очередь состоит из антенны приемной позиции, имеющей N выходов, каждый из которых, кроме центрального, соединен с одним из входов соответствующего суммирующего устройства, выход которого соединен с соответствующим приемником. Центральный выход антенны соединен с блоком деления опорного напряжения, один из выходов которого соединен непосредственно с входом приемника центрального парциального канала, а остальные N-1 выходы соединены с входами суммирующих устройств соответствующих парциальных каналов. Выходы приемника каждого из парциальных каналов раздельно соединены с соответствующими входами блока измерения направления прихода интерференционного сигнала и блока измерения доплеровской частоты, выход которого соединен с входом блока идентификации сигналов по частоте и вычисления ложных сигналов, выход которого в свою очередь соединен с одним из входов блока экстраполяции измеряемых параметров. Второй вход блока экстраполяции измеряемых параметров соединен с выходом блока измерения направления прихода интерференционного сигнала, а выход - с входом блока вычисления момента времени пересечения целью линии базы и одним из входов блока определения поверхности положения, второй вход которого соединен с выходом блока вычисления момента времени пересечения целью линии базы. Выход блока определения поверхности положения соединен с одним из входов блока вычисления траекторных параметров, второй вход которого соединен с выходом блока измерения направления прихода интерференционного сигнала, а выход блока вычисления траекторных параметров является выходом всего устройства.

Прототип - устройство для определения параметров движения целей имеет низкую точность определения параметров движения цели, особенно в следующих случаях:

на начальном этапе определения величины суммарной дальности R_Σ(t) экстраполяция доплеровской частоты производится с ошибками, обусловленными принятой гипотезой о законе движения цели за время экстраполяции и переходными процессами в фильтре - экстраполяторе;

при экстраполяции доплеровской частоты до момента пересечения целью линии базы на длительный интервал времени, например, при полете цели под малыми углами к линии базы, что также приводит к росту ошибок измерения суммарной дальности за счет накопления ошибок обусловленных большим временем экстраполяции а, следовательно, и к ошибкам определения наклонной дальности и прямоугольных координат цели;

при сопровождении маневрирующих целей экстраполяция доплеровской частоты до момента пересечения целью линии базы осуществляется со значительными динамическими ошибками, поскольку отсутствует априорная информация об интенсивности маневра цели, а после пересечения целью линии базы интегрирование на длительное время также приводит к ошибкам определения дальности;

после пересечения целью линии базы интегрирование на длительное время измеренных значений доплеровской частоты для нахождения оценки суммарной дальности также приводит к росту ошибок определения координат.

Предлагаемое устройство для определения параметров движения цели позволяет устранить указанные недостатки, что достигается благодаря следующим действиям:

отказа от экстраполяции доплеровской частоты при измерении суммарной дальности;

осуществления измерения координат маневрирующих целей с меньшей ошибкой.

Технический результат полезной модели - повышение точности определения координат цели.

Сущность полезной модели заключается в том, что в известное устройство для определения параметров движения цели, содержащее так же, как и прототип, передающую позицию, состоящую из последовательно соединенных передатчика и антенны, и, в удаленной от нее точке, приемную позицию, которая состоит из антенны приемной позиции, имеющей N выходов, каждый из которых, кроме центрального, соединен с одним из входов соответствующего суммирующего устройства, выход которого соединен с соответствующим приемником, а центральный выход антенны соединен с блоком деления опорного напряжения, один из выходов которого соединен непосредственно с входом приемника центрального парциального канала, а остальные N-1 выходов соединены со вторыми входами суммирующих устройств соответствующих парциальных каналов, при этом выходы приемника каждого из парциальных каналов раздельно соединены с соответствующими входами блока измерения направления прихода интерференционного сигнала выход которого соединен с первым входом блока вычисления траекторных параметров, выход которого является выходом всего устройства, в отличие от прототипа, приемная позиция дополнительно содержит блок определения азимутального положения диаграммы направленности (ДНА) передающей позиции, вход которого подключен к второму выходу приемника центрального парциального канала, а выход подключен ко второму входу блока вычисления траекторных параметров, при этом передатчик передающей позиции содержит последовательно соединенные блок синхронизации, синтезатор частоты, усилитель мощности и блок управления лучом, первый вход которой соединен с первым выходом блока синхронизации, а выход соединен с входом передающей антенны.

Применение новых блоков и связей позволило увеличить точность определения параметров движения цели (дальности до цели, ее прямоугольных координат), особенно при совершении ею маневра.

Это достигается за счет реализации следующих процедур:

- излучения в заданные азимутальные направления сигналов на соответствующих несущих частотах;

- приема отраженного от цели сигнала на определенной несущей частоте, вычисления азимутального положения цели относительно передающей позиции;

- приема отраженного от цели сигнала на определенной частоте, измерение азимутального положения цели относительно приемной позиции;

- расчета дальности до цели и ее прямоугольных координат триангуляционным методом.

Сравнение предложенного технического решения с другими аналогичными устройствами показывает, что в них отсутствуют решения с тем же техническим результатом, а именно, возможностью определения координат цели с большей точностью.

На фиг.1. представлена структурная схема предлагаемого устройства для определения параметров движения цели, где обозначены:

1 - передатчик передающей позиции;

2 - антенна передающей позиции;

3 - антенна приемной позиции;

4 - блок деления опорного напряжения;

5 - суммирующее устройство;

6 - приемное устройство;

7 - блок измерения направления прихода интерференционного сигнала;

8 - блок вычисления траекторных параметров;

9 - блок определения азимутального положения ДНА передающей позиции.

На фиг.2 представлен возможный вариант структурной схемы передатчика передающей позиции, где обозначены:

10 - блок синхронизации;

11 - синтезатор частоты;

12 - усилитель мощности;

13 - блок управления лучом.

На фиг.3 раскрывается принцип функционирования устройства для определения параметров движения цели при определении азимута цели относительно передающей и приемной позиций.

На фиг.4 представлен рисунок, поясняющий геометрию решения задачи триангуляции в устройстве для определения параметров движения цели.

На фиг.5 показаны траектории цели, совершающей прямолинейный полет с постоянной скоростью (кривая 1), и цели, совершающей маневр курсом (кривая 2).

На фиг.6 представлены в логарифмическом масштабе значения среднеквадратической ошибки определения прямоугольных координат цели Х (кривая 1) и Y (кривая 2) для устройства-прототипа при отсутствии маневра, полученные по результатам моделирования.

На фиг.7 представлены в логарифмическом масштабе значения среднеквадратической ошибки определения прямоугольных координат цели Х (кривая 1) и Y (кривая 2) для предложенного устройства при отсутствии целью маневра, полученные по результатам моделирования.

На фиг 8. представлены в логарифмическом масштабе значения среднеквадратической ошибки определения прямоугольных координат цели Х (кривая 1) и Y (кривая 2) для устройства-прототипа при выполнении целью маневра, полученные по результатам моделирования.

На фиг.9 представлены в логарифмическом масштабе значения среднеквадратической ошибки определения прямоугольных координат цели Х (кривая 1) и Y (кривая 2) для предложенного устройства при выполнении целью маневра, полученные по результатам моделирования.

На фиг.10 показаны отношения среднеквадратических ошибок определения координат цели прототипом к среднеквадратическим ошибкам определения координат цели предлагаемым устройством при отсутствии маневра: 1 - для координаты X, 2 - для координаты Y.

На фиг.11 показаны отношения среднеквадратических ошибок определения координат цели прототипом к среднеквадратическим ошибкам определения координат цели предлагаемым устройством при совершении целью маневра: 1 - для координаты X, 2 - для координаты Y.

Передающая позиция состоит из последовательно соединенных передатчика 1 и передающей антенны 2. Передатчик 1 передающей позиции может быть выполнен из последовательно соединенных блока синхронизации 10, синтезатора частоты 11, усилителя мощности 12 и блока управления лучом 13, второй вход которой соединен со вторым выходом блока синхронизации 10, а выход соединен с входом антенны 2 (фиг.2).

Приемная позиция состоит из приемной антенны 3, имеющей N выходов, каждый из которых, кроме центрального, соединен с первым входом соответствующего суммирующего устройства 5, выход которого соединен с соответствующим приемником 6, а центральный выход антенны 3 соединен с блоком деления опорного напряжения 4, один из выходов которого соединен непосредственно с входом приемника 6 центрального парциального канала, а остальные N-1 выходы соединены со вторыми входами суммирующих устройств 5 соответствующих парциальных каналов, при этом выходы приемника 6 каждого из парциальных каналов раздельно соединены с соответствующими входами блока измерения направления прихода интерференционного сигнала 7, блока определения азимутального положения ДНА передающей позиции 9, вход которого подключен к второму выходу приемника центрального парциального канала, а выход подключен к первому входу блока вычисления траекторных параметров 8, выход которого является выходом всего устройства, к второму входу которого подключен выход блока измерения направления прихода интерференционного сигнала 7.

Устройство для определения параметров движения цели (в одной плоскости пеленгования, например горизонтальной) работает следующим образом.

Введем локальную радиотехническую систему координат, как показано на фиг.3, с началом в точке стояния передающей позиции, ось Х которой направлена вдоль линии базы, соединяющей передающую и приемную позиции, ось - Y перпендикулярна оси X.

Антенна передающей позиции 1 с шириной ДНА по уровню половинной мощности θ_β, сканируя дискретно с шагом Δβ в заданном секторе ψ_βT, излучает непрерывный (немодулированный) сигнал на различных частотах в определенные направления сектора наблюдения (фиг.3).

Начальное значение азимутального направления зондирования β_TO определяется границей сектора сканирования ψ_β (точка 1 на фиг.3).

При нахождении ДНА передающей позиции в начальном значении азимутального направления зондирования β_TO производится излучение на частоте f₀.

Система синхронизации 10 формирует цифровые коды для управления системой управления лучом, которая обеспечивает перемещение луча ДНА антенны передающей позиции 1 в горизонтальной плоскости. Одновременно система синхронизации 10 вырабатывает команды управления для синтезатора частоты 11, который генерирует значение частоты f_i, соответствующее текущему направлению зондирования.

В процессе обзора пространства при перемещении ДНА передающей позиции на угол Δβ=θ_β, происходит дискретное изменение частоты зондирующего сигнала формируемого в синтезаторе частот 11 на величину Δf. Величина Δf должна удовлетворять условию: Δf≥2F_RΣmax, где F_RΣmax - максимальное значение суммарной доплеровской частоты.

Поскольку количество азимутальных дискретных направлений излучения передающей позиции определяется формулой:

то текущее азимутальное положение ДНА передающей позиции β_Ti, относительно некоторого начального значения β_TO (точка 1, фиг.3), соответствующее i-му номеру направления излучения N_βi, определяется зависимостью:

Полагая, что количество азимутальных дискретных направлений ДНА передающей позиций N_β равно количеству излучаемых дискретных частот N_f в соответствующие азимутальные направления, то текущее значение несущей частоты f_i зондирующего сигнала, формируемое синтезатором частот, относительно некоторого значения f₀, соответствующего излучению в начальный угловой сектор β_TO определим формулой:

Таким образом, по значению текущей несущей частоты сигнала f_i можно определить значение β_Ti текущего азимутального положения ДНА передающей позиции.

Блок синхронизации 10 формирует команды управления для системы управления лучом 13, обеспечивая, таким образом, сканирование в азимутальной плоскости реализуя зависимость (2) и команды управления синтезатором частоты 11, для перестройки на новую частоту зондирования согласно формуле (3).

Значение текущего положения азимутального направления облучения цели передающей позицией β_Ti, может быть задано таблично, в зависимости от измеренного значения частоты f_i принятого центральным лучом антенны приемной позиции. Данная процедура производится на приемной позиции в блоке определения азимутального положения ДНА передающей позиции 9.

В антенне приемной позиции 3 формируются N парциальных приемных пространственных каналов с шириной ДНА по уровню половинной мощности θ_β, взаимно перекрытых по уровню половинной мощности.

Прямой сигнал, образованный ДНА передающей позиции 1, в том числе и ее боковых лепестков, излучаемых в соответствующий момент времени обзора в соответствующее направление β_Ti зоны обзора, принимается центральным (главным) лепестком ДНА приемных пространственных каналов приемной позиции.

Он используется как опорный сигнал, анализируя значение частоты которого можно определить направление излучения на передающей позиции.

Блок 7 измерения направления прихода интерференционного сигнала формирует значение азимута цели относительно приемной позиции β_R как в прототипе.

Таким образом, на первый вход блока вычисления траекторных параметров 8 поступает значение азимута цели относительно передающей позиции β_T, а на второй вход - значение азимута цели относительно приемной позиции β_R, после чего производится вычисление дальности до цели по результатам решения задачи триангуляции (фиг.4) относительно приемной позиции по формуле:

где: L - расстояние (база) между передающей и приемной позициями.

Далее в блоке вычисления траекторных параметров 12 происходит определение прямоугольных координат цели:

Таким образом, с выхода блока определения траекторных параметров 8 потребителю выдаются прямоугольные координаты целей.

Заявляемое устройство реализует определение координат целей без процедуры экстраполяции доплеровской частоты до линии базы. Это достигается путем вычисления прямоугольных координат цели по результатам решения триангуляционной задачи, исходными данными для которой являются вычисленное азимутальное положение цели относительно передающей позиции за счет приема отраженного от цели сигнала на определенной частоте и измеренное азимутальное положение цели относительно приемной позиции.

Для оценки выигрыша в точности определения координат цели предлагаемым устройством по сравнению с устройством - прототипом было проведено моделирование, результаты которого приведены на фиг 6-11. Моделирование проводились при следующих исходных данных: значение СКО определения угловых координат 0.5 град, СКО определения суммарного доплеровского сдвига частоты - 2 Гц, скорость цели 100 м/с, величина базы L=50000 м, начальное значение прямоугольных координат цели X=20000 м, Y=15000 м.

Как следует из фиг.10 (случай отсутствия маневра цели) значения среднеквадратических ошибок определения прямоугольных координат в предлагаемом устройстве в 1.2-2 раза меньше в зависимости от положения цели в пространстве по сравнению с устройством прототипом.

Как следует из фиг.11 (случай маневра цели курсом) значения среднеквадратических ошибок определения прямоугольных координат в предлагаемом устройстве в 1.2-4 раза меньше в зависимости от положения цели в пространстве по сравнению с устройством - прототипом.

Предлагаемое устройство для определения параметров движения цели, как следует из результатов моделирования, представленных на фиг.6-11, обладает большей точностью при измерении координат как неманеврирующей, так и маневрирующей цели.

Работоспособность устройства обеспечивается за счет применения в нем известных и новых блоков.

Блоки 2-8 полезной модели выполняются так же, как в прототипе [4].

Вновь введенные блоки 9, 10-13, а также связи между ними и с другими элементами системы могут быть выполнены на основе стандартных (типовых) радиотехнических элементов.

Так, блок синхронизации 10 может быть выполнен на 16-битных микроконтроллерах PIC [5, с.100-101]. Синтезатор частот блок 11 может быть выполнен по схеме, приведенной в [6, с.217, рис.8.18]. Усилитель мощности блок 12 может быть выполнен в соответствии с [7, с.226, рис.18.3а], а система управления лучом блок 13 так, как показано в [8, с.317-320].

Блок определения азимутального положения ДНА передающей позиции 9 может быть выполнен на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС) [9, с.201].

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:

1. Бляхман А.Б., Рындык А.Г., Ковалев Ф.Н. Устройство для определения параметров движения цели. Патент РФ №2124220 МПК⁷ G01S 13/06. - 1998.

2. Бляхман А.Б., Самарин А.В., Радиолокационный способ определения параметров движения объекта. Патент РФ №2133480 МПК⁶ G01S 3/72, G01S 7/42. - 1998.

3. Бляхман А.Б., Ковалев Ф.Н., Рындык А.Г., Сидоров С.Б. Устройство для определения параметров движения объекта. Патент РФ №2154840 МПК⁷ G01S 13/06. - 1999.

4. Колосов Р.А. Устройство для определения параметров движения цели. Патент РФ №2168740 МПК⁷ G01S 13/06. - 1999.

5. Магда Ю.С. Микроконтроллеры PIC. Архитектура и программирование. - М.: ДМК Пресс, - 2009. - 240 с.

6. Румянцев К.Е. Прием и обработка сигналов. - М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 528 с.

7. Проектирование радиопередающих устройств СВЧ: Учеб. пособие для вузов / Под ред. Г.М.Уткина - М.: Сов. Радио, 1979. - 320 с.

8. Корбанский И.Н. Антенны. - М.: Учебное пособие для вузов. «Энергия», 1973. - 336 с.

9. Кузелин М.О., Кнышев Д.А., Зотов В.Ю. Современные семейства ПЛИС фирмы XILINX. - М.: Горячая линия - Телеком, 2004. - 440 с.

Claims (1)

1. Устройство для определения параметров движения цели, содержащее передающую позицию, состоящую из последовательно соединенных передатчика и антенны, и в удаленной от нее точке приемную позицию, которая состоит из антенны приемной позиции, имеющей N выходов, каждый из которых, кроме центрального, соединен с одним из входов соответствующего суммирующего устройства, выход которого соединен с соответствующим приемником, а центральный выход антенны соединен с блоком деления опорного напряжения, один из выходов которого соединен непосредственно с входом приемника центрального парциального канала, а остальные N-1 выходов соединены со вторыми входами суммирующих устройств соответствующих парциальных каналов, при этом выходы приемника каждого из парциальных каналов раздельно соединены с соответствующими входами блока измерения направления прихода интерференционного сигнала, выход которого соединен с первым входом блока вычисления траекторных параметров, выход которого является выходом всего устройства, отличающееся тем, что приемная позиция дополнительно содержит блок определения азимутального положения диаграммы направленности антенны передающей позиции, вход которого подключен ко второму выходу приемника центрального парциального канала, а выход подключен ко второму входу блока вычисления траекторных параметров, при этом передатчик передающей позиции содержит последовательно соединенные блок синхронизации, синтезатор частоты, усилитель мощности и блок управления лучом, второй вход которой соединен со вторым выходом блока синхронизации, а выход соединен с входом передающей антенны.