RU2550081C2 - Method for single-beam measurement of altitude and component velocities of aircraft and radar altimeter therefor - Google Patents

Method for single-beam measurement of altitude and component velocities of aircraft and radar altimeter therefor Download PDF

Info

Publication number
RU2550081C2
RU2550081C2 RU2013143972/07A RU2013143972A RU2550081C2 RU 2550081 C2 RU2550081 C2 RU 2550081C2 RU 2013143972/07 A RU2013143972/07 A RU 2013143972/07A RU 2013143972 A RU2013143972 A RU 2013143972A RU 2550081 C2 RU2550081 C2 RU 2550081C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
radar
height
speed
aircraft
calculator
Prior art date
Application number
RU2013143972/07A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013143972A (en
Inventor
Владимир Витальевич Мухин
Алексей Игоревич Пилипенко
Андрей Петрович Макрушин
Михаил Юрьевич Нестеров
Евгений Евгеньевич Колтышев
Владимир Тадеушевич Янковский
Алексей Юрьевич Фролов
Владимир Николаевич Антипов
Original Assignee
Открытое Акционерное Общество "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое Акционерное Общество "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь" filed Critical Открытое Акционерное Общество "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь"
Priority to RU2013143972/07A priority Critical patent/RU2550081C2/en
Publication of RU2013143972A publication Critical patent/RU2013143972A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2550081C2 publication Critical patent/RU2550081C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: physics, navigation.
SUBSTANCE: group of inventions relates to radar location of extended targets and can be used to measure the altitude and component velocities of aircraft. The method includes vertical probing of the earth's surface with a radar signal through a widely directional antenna, coherent reception of the reflected signal to obtain a two-dimensional radar image of the area in range - Doppler frequency coordinates, preliminary estimation of the altitude of the aircraft which reduces prior uncertainty, wherein the method includes, on the obtained radar image, finding a maximum contrast curve in range - Doppler frequency coordinates, calculating the maximum contrast curve for all a priori possible combinations of the travelling VP and vertical VV components of velocity during flight at altitude H; through hypothesis search, finding the hypothesis which corresponds to the minimum sum of squares of differences of the hypothetical maximum contrast curve from the maximum contrast curve obtained from the radar image.
EFFECT: single-beam measurement of altitude and component velocities of aircraft based on a radar altimeter while reducing dimensions of the antenna system.
4 cl, 6 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к радиолокации, в частности к бортовым радиолокационным измерителям высоты и скорости летательного аппарата (ЛА) относительно земной поверхности.The present invention relates to radar, in particular to airborne radar meters for altitude and speed of an aircraft (LA) relative to the earth's surface.

Изобретение может быть использовано на разных ЛА, в том числе на вертолетах на участке пилотирования и проведения монтажных работ. Результаты измерений высоты и скорости могут быть так же использованы для коррекции уходов бортовой инерциальной навигационной системы (ИНС).The invention can be used in various aircraft, including helicopters in the piloting and installation works. The results of altitude and speed measurements can also be used to correct departures of the onboard inertial navigation system (ANN).

Для безопасной навигации ЛА широко используются траекторные измерения высоты и скорости полета ЛА. Задачу таких измерений обычно выполняет радиовысотомер и радиолокационный измеритель скорости. Имеются варианты построения радиовысотомеров и измерителей скорости, в том числе выполнения их функций как разными устройствами, так и одним устройством.For safe navigation of aircraft, trajectory measurements of aircraft altitude and flight speed are widely used. The task of such measurements is usually performed by a radio altimeter and a radar speed meter. There are options for constructing radio altimeters and speed meters, including performing their functions both with different devices and with one device.

Известные доплеровские измерители составляющих скорости (ДИСС) излучают зодирующий сигнал и принимают отраженный через три или четыре коммутируемые не компланарные лучи антенной системы, по каждому лучу доплеровским способом измеряют радиальные скорости ЛА, на основании этих измерений с учетом известного направления лучей через решение системы уравнений определяются составляющие скорости ЛА в связанной системе координат.Known Doppler velocity component meters (DISS) emit an architecting signal and receive reflected through three or four switched non-coplanar beams of the antenna system, for each beam the radial speeds of the aircraft are measured by the Doppler method, based on these measurements, taking into account the known direction of the rays, the components are determined by solving the system of equations aircraft speeds in a connected coordinate system.

Повышение точности измерения скорости ЛА в ДИСС может быть получено за счет повышения точности измерения радиальных скоростей. В [1] это достигается тем, что по лучу передающей антенны излучается пара импульсных последовательностей, имеющих одинаковые длительность, период следования и взаимно инверсные законы изменения частоты манипуляции во времени. Шаг перестройки частоты в каждой последовательности обратно пропорционален длительности зондирующего импульса τ. Отраженный сигнал принимается лучом приемной антенны в интервале между зондирующими импульсами, переносится на нулевую частоту с одновременным получением квадратурных составляющих сигнала, оцифровывают и записывают в массивы s1(m,n) и s2(m,n) в координатах дальность m - номер периода n, далее на основании гипотезы о значении радиальной скорости V для первого массива s1(m,n) вычисляют фазокомпенсирующую функцию exp(jФ(n, V)), для второго массива s2(m,n)-exp(jФ(N-n-1, V), которые компенсируют доплеровский сдвиг отраженных сигналов соответствующих массивов, преобразуют с помощью фазокомпенсирующих функций массивы S1(m,n) и s2(m,n) в массивы u1(m,n) и u2(m,n), находят спектры преобразованных сигналов F1(m,k) и F2(m,k), по которым находят модуль их взаимной корреляции C(V). Перебором гипотез о значении радиальной скорости V находят оценку скорости, соответствующую максимуму взаимной корреляции C(V).Improving the accuracy of measuring the speed of an aircraft in DISS can be obtained by improving the accuracy of measuring radial velocities. In [1], this is achieved by the fact that a pair of pulse sequences having the same duration, repetition period, and mutually inverse laws of change in the frequency of manipulation in time are emitted along the beam of the transmitting antenna. The frequency tuning step in each sequence is inversely proportional to the duration of the probe pulse τ. The reflected signal is received by the beam of the receiving antenna in the interval between the probe pulses, transferred to the zero frequency with the simultaneous receipt of the quadrature components of the signal, digitized and recorded in arrays s 1 (m, n) and s 2 (m, n) in coordinates, the distance m is the number of the period n, then, based on the hypothesis of the value of the radial velocity V for the first array s 1 (m, n), the phase-compensating function exp (jФ (n, V)) is calculated, for the second array s 2 (m, n) -exp (jФ (Nn -1, V), which compensate for the Doppler shift of the reflected signals of the corresponding arrays, p eobrazuyut via phase compensation functions arrays S 1 (m, n) and s 2 (m, n) in the array u 1 (m, n) and u 2 (m, n), are spectra converted signals F 1 (m, k) and F 2 (m, k), by which they find the modulus of their mutual correlation C (V). A search of the hypotheses on the value of the radial velocity V finds the speed estimate corresponding to the maximum of the cross-correlation C (V).

Способ [1] позволяет уменьшить время наблюдения для оценки скорости ЛА с допустимой флюктуационной погрешностью за счет использования широкополосных зондирующих сигналов и взаимно корреляционной обработки дальностных реализаций отраженных сигналов с взаимно инверсными законами модуляции.The method [1] allows to reduce the observation time for estimating the speed of an aircraft with an acceptable fluctuation error due to the use of broadband probing signals and cross-correlation processing of long-range implementations of reflected signals with mutually inverse modulation laws.

Применение способа [1] при измерении скорости ЛА аналогично, как и в других вариантах ДИСС, не решает вопроса снижения влияния структуры отражающей поверхности на точность измерения и устойчивость работы над спокойной морской поверхностью. Габаритные размеры антенной системы велики по сравнению с антенной системой радиовысотомера и соответствуют габаритным размерам антенны ДИСС.The application of the method [1] when measuring the speed of an aircraft, similarly to other versions of the DISS, does not solve the problem of reducing the influence of the structure of the reflecting surface on the measurement accuracy and stability of work on a calm sea surface. The overall dimensions of the antenna system are large in comparison with the antenna system of the radio altimeter and correspond to the overall dimensions of the DISS antenna.

Способ измерения скорости ЛА относительно земной поверхности [2] включает применение на борту ЛА радиолокационной станции (РЛС), выполняющей с интервалом τ сеансы пространственно временных измерений дальности до земной поверхности R(Qаз, Qум) под ЛА, где R - дальность до разрешаемого элемента поверхности, (Qаз - угол азимута, Qум - угол места - угловые координаты разрешаемого элемента поверхности в связанной системе координат; измеренные кадры R(Qаз, Qум) с учетом данных ИНС о угловом положении ЛА и высоте ЛА относительно эталонного уровня моря Нинс преобразуют в соответствующие кадры z(x,y) высот рельефа местности в земной системе координат. Согласно способу находят скорость ЛА V в следующей последовательности: 1) вычисляют по двум соседним кадрам усредненный

Figure 00000001
и разностный δZ=z1-z2 кадры высот, 2) по усредненному кадру высот Z вычисляют вектор производных
Figure 00000002
высоты рельефа в каждой (i, j)-той точке кадра, 3) находится вектор смещения положения ЛА между соседними кадрами D=(Σk Mk)-1 Σk Sk δZk, где k - индекс, соответствующей номеру (i, j)-той точки кадра,
Figure 00000003
, матрица Mk=SkSk T, 4) вычисляют вектор скорости ЛА V=D/τ, где τ - время между соседними кадрами измерения.A method of measuring the speed of an aircraft relative to the earth’s surface [2] includes the use of a radar station (RLS) on board an aircraft performing spatially temporal measurements of the distance to the earth’s surface R (Qaz, Qum) under the aircraft, where R is the distance to the resolved surface element , (Qaz is the azimuth angle, Qum is the elevation angle is the angular coordinates of the resolved surface element in the associated coordinate system; measured frames R (Qaz, Qum) taking into account the ANN data on the angular position of the aircraft and the height of the aircraft relative to the reference sea level N and ns are converted to the corresponding frames z (x, y) of the elevation of the terrain in the earth's coordinate system. According to the method, the speed of the aircraft V is found in the following sequence: 1) calculate the averaged over two adjacent frames
Figure 00000001
and difference δZ = z 1 -z 2 frames of heights, 2) from the average frame of heights Z calculate the vector of derivatives
Figure 00000002
elevation of the relief at each (i, j) -th point of the frame; 3) there is a displacement vector of the aircraft position between adjacent frames D = (Σ k M k ) -1 Σ k S k δZ k , where k is the index corresponding to the number (i , j) -th point of the frame,
Figure 00000003
, the matrix M k = S k S k T , 4) calculate the aircraft velocity vector V = D / τ, where τ is the time between adjacent measurement frames.

Результаты последовательных оценок скорости ЛА V совместно с данными о скорости Vинс, измеренной ИНС, фильтруются фильтром Калмана с получением скорректированной оценки составляющих скорости ЛА.The results of successive estimates of the speed of the aircraft V together with the data on the speed V ins measured by the ANN are filtered by the Kalman filter to obtain an adjusted estimate of the components of the speed of the aircraft.

Достоинством способа является возможность реализовать измерение составляющих вектора скорости при зондировании земной поверхности на близких к вертикали углах, что обеспечивает устойчивую работу радиолокационного измерения над морской поверхностью не зависимо от ее состояния. Одиночная оценка составляющих скорости вычисляется по большому числу точек наблюдаемого кадра, соответственно это повышает ее точность и достоверность.The advantage of the method is the ability to implement the measurement of the components of the velocity vector when probing the earth's surface at close to vertical angles, which ensures stable operation of the radar measurement over the sea surface regardless of its condition. A single estimate of the velocity components is calculated from a large number of points of the observed frame, respectively, this increases its accuracy and reliability.

Недостатком способа и устройства является необходимость использования внешней информации ИНС о угловом положении носителя для получения оценок высоты разрешаемых элементов сцены в земной системе координат. Кроме того для измерения углового положения разрешаемых элементов сцены требуются относительно большие габариты антенной системы.The disadvantage of this method and device is the need to use external information ANN about the angular position of the media to obtain estimates of the height of the resolved elements of the scene in the earth's coordinate system. In addition, relatively large dimensions of the antenna system are required to measure the angular position of the resolved scene elements.

Известен способ измерения составляющих скорости ЛА [3], взятый в качестве прототипа, в котором используются данные радиолокационных изображений (РЛИ) подстилающей земной поверхности от когерентной РЛС моноимпульсного типа при переднебоковом обзоре. Согласно способу получают РЛИ подстилающей поверхности при разных (более двух) положениях лучей антенной системы, отличающихся по азимуту и углу места, в координатах дальность - доплеровская частота, пеленгуют яркие точки РЛИ по азимуту и углу места моноимпульсным методом, при полете над ровной горизонтальной или водной поверхностью угол места ярких точек определяется из данных внешних измерений высоты ЛА, выполняемых радиовысотомером, и наклонной дальности, определяют невязку ΔF оценки доплеровского смещения сигнала с данными, определяемыми скоростью ЛА по данным ИНС, и измеренными угловыми положениями ярких точек. Ошибка измерения трех компонент вектора скорости ЛА в ИНС находится расчетом, учитывающим невязку оценки доплеровского смещения ΔF и матрицу координат К ярких точек размерностью K*3. За счет пеленгации ярких точек исключаются ошибки, присущие доплеровским измерителям скорости, обусловленные влиянием отражающих свойств подстилающей поверхности.A known method of measuring the components of the speed of an aircraft [3], taken as a prototype, which uses data from radar images (XRD) of the underlying earth's surface from a coherent single-pulse radar in the anterolateral view. According to the method, radar images of the underlying surface are obtained at different (more than two) positions of the rays of the antenna system, differing in azimuth and elevation, in coordinates the distance is the Doppler frequency, directional radar radar points are detected in azimuth and elevation using the single-pulse method, when flying over an even horizontal or water the surface, the elevation angle of the bright points is determined from the data of external measurements of the aircraft altitude performed by the radio altimeter and the slant range, the residual ΔF of the estimate of the Doppler shift of the signal with the data is determined, determined the apparent speed of the aircraft according to the ANN, and the measured angular positions of the bright points. The error in measuring the three components of the aircraft velocity vector in the ANN is calculated by taking into account the discrepancy between the estimates of the Doppler shift ΔF and the coordinate matrix K of bright points of dimension K * 3. Due to direction finding of bright points, errors inherent in Doppler speed meters due to the influence of reflective properties of the underlying surface are eliminated.

Достоинством способа является повышенная точность измерения за счет селекции множества ярких точек поверхности Земли в координатах дальность - доплеровская частота, оценки их угловых координат при разных положениях оси диаграммы направленности антенной системы и индивидуального учета из вклада в оценку составляющих скорости.The advantage of the method is the increased measurement accuracy due to the selection of many bright points of the Earth’s surface in the coordinates of the range - Doppler frequency, estimates of their angular coordinates at different positions of the antenna axis of the antenna system and individual accounting from the contribution to the estimation of velocity components.

Недостатком способа является то, что для его реализации требуется сложная, перестраиваемая по углу моноимпульсная антенная система переднебокового визирования с относительно большими габаритами, для измерения высоты используется отдельная антенная система, приемопередатчик и устройство обработки.The disadvantage of this method is that its implementation requires a complex, angularly adjustable monopulse antenna system of anterolateral viewing with relatively large dimensions, a separate antenna system, a transceiver and a processing device are used to measure the height.

Целью предлагаемого изобретения является однолучевое измерение высоты и составляющих скорости ЛА на базе радиовысотомера при сниженных габаритах антенной системы.The aim of the invention is a single-beam measurement of altitude and speed components of an aircraft based on a radio altimeter with reduced dimensions of the antenna system.

Поставленная цель достигается за счет вертикального зондирования земной поверхности радиолокационным сигналом через широконаправленную антенну, когерентного приема отраженного сигнала с получением двумерного радиолокационного изображения (РЛИ) местности в координатах дальность - доплеровская частота, первичной оценки высоты ЛА как минимальную, усредненную по нескольким измерениям дальность до разрешаемых участков РЛИ, мощность отраженного сигнала от которых превышает порог обнаружения, селекции РЛИ в окне дальностей, начальное положение которого соответствует предварительной оценке высоты ЛА, сниженной на удвоенную априорно известную величину ее погрешности, а конец - положению максимально удаленного участка кадра РЛИ, мощность отраженного сигнала от которого превышает порог обнаружения, нахождения кривой максимального контраста РЛИ nR(kF) в координатах дальность - доплеровская частота, расчета кривых максимального контраста

Figure 00000004
для всех априорно возможных комбинаций высоты Н, путевой VП и вертикальной VB составляющих скорости, перебора гипотез и нахождения гипотезы, обеспечивающей минимум суммы квадратов разности точек гипотетической кривой максимального контраста от точек кривой максимального контраста, полученную по РЛИ.This goal is achieved due to vertical sounding of the earth's surface by a radar signal through a wide-directional antenna, coherent reception of the reflected signal to obtain a two-dimensional radar image (RLI) of the terrain in the coordinates of the range - Doppler frequency, the initial estimate of the aircraft altitude as the minimum range averaged over several measurements to the resolved areas Radar data, the power of the reflected signal from which exceeds the detection threshold, radar data selection in the range window, the initial decomposition of which corresponds to the preliminary altitude aircraft evaluation reduced by twice the a priori known magnitude of its error, and the end - position maximally remote site radar data frame, the return signal power from exceeding the detection threshold, finding RLI n R (k F) maximum contrast curve in coordinates distance - Doppler frequency, calculation of maximum contrast curves
Figure 00000004
for all a priori possible combinations of height H, track V P and vertical V B components of speed, enumeration of hypotheses and finding a hypothesis that provides a minimum of the sum of the squares of the difference of the points of the hypothetical curve of maximum contrast from the points of the curve of maximum contrast, obtained by radar imaging.

Предлагаемый способ измерения составляющих скорости ЛА заключается в следующем.The proposed method for measuring the components of the speed of the aircraft is as follows.

Через широко направленную антенну радиовысотомера проводят вертикальное зондирование земной поверхности,Through a wide directional antenna of the radio altimeter, vertical sounding of the earth’s surface is carried out,

Когерентно принимают отраженный сигнал и получают двумерное радиолокационное изображение (РЛИ) местности в координатах дальность - доплеровская частота, при этом разрешение РЛИ по доплеровской частоте δF должно соответствовать расчетному интервалу когерентного накопления Т:Coherently receive the reflected signal and get a two-dimensional radar image (RLI) of the terrain in the coordinates of the range - Doppler frequency, while the resolution of the RLP on the Doppler frequency δ F should correspond to the calculated interval of coherent accumulation T:

Figure 00000005
Figure 00000005

где LCTi - ширина i-того разрешаемого кольца дальности на облучаемой земной поверхности;where L CTi is the width of the i-th resolved range ring on the irradiated earth's surface;

δR - разрешение сигнала по дальности;δ R is the resolution of the signal in range;

i - номер разрешаемого кольца дальности, отсчитанный от элемента дальности nh, соответствующего высоте Н,

Figure 00000006
;i is the number of the permitted range ring counted from the range element n h corresponding to the height H,
Figure 00000006
;

VП - путевая скорость ЛА.V P - ground speed of the aircraft.

Получают первичную оценку высоты летательного аппарата Н как минимальную усредненную дальность до разрешаемых элементов РЛИ, мощность отраженного сигнала от которых превышает порог обнаружения;An initial estimate of the altitude of the aircraft H is obtained as the minimum average distance to the resolved radar elements, the power of the reflected signal from which exceeds the detection threshold;

Селектируют РЛИ в окне дальностей, начальное положение которого соответствует предварительной оценке высоты ЛА НП, сниженной на удвоенную априорно известную величину ее погрешности Δ, а конец - положению максимально удаленного разрешаемого элемента РЛИ, мощность отраженного сигнала от которого превышает порог обнаружения;Selected radar in the range window, the initial position of which corresponds to a preliminary estimate of the height of the aircraft LA N P , reduced by twice the a priori known value of its error Δ, and the end - to the position of the most remote resolved element of the radar, the power of the reflected signal from which exceeds the detection threshold;

Находят дисперсии шума

Figure 00000007
и сигнала с шумом
Figure 00000008
в каждом сечении кадра РЛИ по частоте kF исходя из предположения о положении скачка мощности сигнала на дальности n=n(kF):Find noise variances
Figure 00000007
and signal with noise
Figure 00000008
in each section of the radar image in frequency k F based on the assumption of the position of the signal power jump at a distance n = n (k F ):

Figure 00000009
Figure 00000009

где

Figure 00000010
- комплексная амплитуда сигнала, отраженного (k, kF) элементом РЛИ;Where
Figure 00000010
- the complex amplitude of the signal reflected (k, k F ) by the radar element;

|| - модуль комплексного числа;|| - module of a complex number;

РПР(n, kF) - мощность сигнала, отраженного (k, kF) элементом РЛИ;R PR (n, k F ) is the power of the signal reflected (k, k F ) by the radar element;

k - индекс дальности;k is the range index;

kF - индекс доплеровскои частоты;

Figure 00000011
;k F is the Doppler frequency index;
Figure 00000011
;

n - гипотеза положения скачка мощности сигнала по дальности;n is the hypothesis of the position of the signal power jump in range;

K - длина реализации отселектированного участка РЛИ по дальности, выраженная в числе разрешаемых элементов δR.K is the length of the implementation of the selected section of the radar in range, expressed as the number of allowed elements δ R.

Вид реализаций спектров сигнала на дальностях i=0, 1 и 3 и соответствующие сглаженные кривые огибающих спектра приведены на фиг.1. Границам спектров на каждой дальности соответствуют скачки спектральной мощности сигнала.A view of the implementation of the signal spectra at ranges i = 0, 1 and 3 and the corresponding smoothed curves of the spectral envelopes are shown in Fig. 1. The boundaries of the spectra at each range correspond to jumps in the spectral power of the signal.

Вычисляют весовую сумму - функционал соответствия - LY(z/n, kF) принятой огибающей амплитуды отраженного сигнала z на частоте kF гипотезе (n, kF) положения скачка мощности на дальности n при доплеровской частоте kF:The weight sum is calculated — the correspondence functional — L Y (z / n, k F ) of the received envelope of the amplitude of the reflected signal z at the frequency k F, the hypothesis (n, k F ) of the position of the power jump at a distance n at the Doppler frequency k F :

Figure 00000012
Figure 00000012

Данное выражение получено в Приложении 1.This expression is obtained in Appendix 1.

Вид сечения функционала соответствия при известном значении высоты i=0 и вертикальной скорости VB=-5 м/с в зависимости от путевой скорости приведен на фиг.2.The cross-sectional view of the correspondence functional with a known value of height i = 0 and vertical velocity V B = -5 m / s depending on ground speed is shown in FIG. 2.

Находят положение скачка дисперсии сигнала РЛИ (nR, kF) по гипотезе, дающей максимум функционала соответствия LY(z/n, kF).Find the position of the jump in the dispersion of the radar signal (n R , k F ) according to a hypothesis that gives the maximum of the correspondence functional L Y (z / n, k F ).

По результатам определения скачка на всех сечениях kF кадра РЛИ получают кривую nR(kF) максимального контраста наблюдаемого РЛИ.According to the results of determining the jump on all sections k F of the radar image, a curve n R (k F ) of the maximum contrast of the observed radar image is obtained.

Рассчитывают кривую максимального контраста

Figure 00000004
для гипотезы (kF, VП, VB, H) значений высоты Н, путевой VП и вертикальной VB составляющих скорости ЛА:Calculate the maximum contrast curve
Figure 00000004
for the hypothesis (k F , V P , V B , H) of the values of the height H, the track V P and the vertical V B components of the aircraft speed:

Figure 00000013
Figure 00000013

где λ - длина волны зондирующего сигнала.where λ is the wavelength of the probe signal.

Кривая максимального контраста гипотезы (5) получена аналитически на основании зависимости мощности отраженного сигнала от наклонной дальности nR, высоты полета Н, вертикальной VB и путевой VП составляющих скорости ЛА.The maximum contrast curve of hypothesis (5) was obtained analytically based on the dependence of the reflected signal power on the oblique range n R , flight altitude N, vertical V B and track V P components of the aircraft speed.

Значения высоты берутся в диапазоне НП±2Δ, где Δ - погрешность первичной оценки высоты, значения вертикальной VB и путевой VП скорости в соответствующих априорно известных диапазонах. Максимум значения

Figure 00000014
ограничивают максимальной дальностью до границ кривой максимального контраста РЛИ nR(kF).The values of the height are taken in the range of N P ± 2Δ, where Δ is the error of the initial estimate of the height, vertical V B and ground speed V P speed in the corresponding a priori known ranges. Maximum value
Figure 00000014
limit the maximum range to the boundaries of the curve of maximum contrast radar n R (k F ).

Сравнивают расчетную кривую максимального контраста гипотезы

Figure 00000004
с кривой максимального контраста РЛИ nR(kF) с оценкой суммы квадратов разности их значений:The calculated maximum contrast hypothesis curve is compared.
Figure 00000004
with a curve of maximum contrast of the radar image n R (k F ) with an estimate of the sum of the squares of the difference of their values:

Figure 00000015
Figure 00000015

Перебором гипотез о значениях скоростей VП, VB и высоты H находят гипотезу, соответствующую минимуму суммы квадратов разности, соответственно значения составляющих скорости VП, VB и высоты H.Enumerating the hypotheses about the values of the speeds V P , V B and the height H find a hypothesis corresponding to the minimum of the sum of the squares of the difference, respectively, the values of the components of the speed V P , V B and height H.

Моделированием получены зависимости средне квадратичной ошибки (СКО) измерения путевой VП и вертикальной VB скорости от высоты Н и путевой VП скорости (фиг.3 и 4). Зависимости показывают уменьшение СКО измерения скорости с ростом высоты, связанную с увеличением числа точек на кривых максимального контраста. Там же видно, что СКО измерения скорости коррелированна с путевой скоростью ЛА.By modeling, the dependences of the root mean square error (RMS) of the measurement of the track V P and the vertical V B speed versus height H and the track V P speed (Figs. 3 and 4) are obtained. The dependences show a decrease in the standard deviation of the velocity measurement with increasing height associated with an increase in the number of points on the curves of maximum contrast. It also shows that the standard deviation of the velocity measurement is correlated with the ground speed of the aircraft.

Прототипом радиовысотомера-измерителя высоты и скорости является устройство [3], в котором когерентная моноимпульсная РЛС по умолчанию содержит когерентный приемопередатчик, моноимпульсную приемопередающую антенную систему с системой сканирования по азимуту и углу места, схему управления сканированием, пороговый обнаружитель и вычислитель угловых координат ярких точек сцены. Когерентный приемопередатчик выдает на пороговый обнаружитель и вычислитель угловых координат двумерные РЛИ в координатах дальность - доплеровская частота, по которым выполняются пороговое обнаружение ярких точек сцены и определяются их угловые положения в связанной системе координат. Пеленги ярких точек и доплеровские сдвиги отраженных от них сигналов выдаются в бортовую вычислительную машину (БЦВМ). БЦВМ определяет угловое положение ярких точек в нормальной системе координат ИНС, невязку ΔF оценки доплеровского смещения сигнала ярких точек с расчетными данными, определяемыми скоростью ЛА, измеренной ИНС, и угловыми координатами ярких точек в нормальной системе координат. По невязке ΔF БЦВМ с рассчитывает ошибку измерения трех компонент вектора скорости ЛА в ИНС.The prototype of a radio altimeter measuring height and speed is a device [3], in which a coherent monopulse radar by default contains a coherent transceiver, a monopulse transceiver antenna system with a scanning system in azimuth and elevation, a scanning control circuit, a threshold detector and a calculator of angular coordinates of bright points in the scene . The coherent transceiver transmits to the threshold detector and calculator of angular coordinates two-dimensional radar images in the coordinates of the range - Doppler frequency, according to which threshold detection of bright points in the scene is performed and their angular positions in the associated coordinate system are determined. Bearings of bright points and Doppler shifts of the signals reflected from them are output to the on-board computer (BCM). The digital computer determines the angular position of the bright points in the normal ANS coordinate system, the residual ΔF of the estimate of the Doppler shift of the bright points signal with the calculated data determined by the aircraft speed measured by the ANN, and the angular coordinates of the bright points in the normal coordinate system. Based on the discrepancy ΔF, the computer calculates the measurement error of the three components of the aircraft velocity vector in the ANN.

Сущность изобретения радиовысотомера, реализующего способ измерения высоты и составляющих скорости, поясняется дальнейшим описанием, приложением и чертежами.The invention is a radio altimeter that implements a method of measuring altitude and speed components, is illustrated by a further description, application and drawings.

В приложении 1 дано описание адаптивного алгоритма оценки положения скачка мощности отраженного сигнала.Appendix 1 describes the adaptive algorithm for estimating the position of the power jump of the reflected signal.

На фиг.1 изображен вид спектров РЛИ на нескольких дальностях.Figure 1 shows a view of the radar spectrum at several ranges.

На фиг.2 изображен вид сечения функционала соответствия в зависимости от гипотезы значения путевой скорости.Figure 2 shows a cross-sectional view of the correspondence functional depending on the hypothesis of the value of ground speed.

На фиг.3 приведены результаты моделирования СКО ошибки измерения путевой скорости.Figure 3 shows the simulation results of the standard deviation of the measurement error of the ground speed.

На фиг.4 приведены результаты моделирования СКО ошибки измерения вертикальной скорости.Figure 4 shows the results of modeling the standard deviation of the error in measuring the vertical velocity.

На фиг.5 изображена структурная схема радиовысотомера-измерителя высоты и скорости.Figure 5 shows a structural diagram of a radio altimeter measuring height and speed.

На фиг.6 изображен вариант когерентного приемопередатчика с непрерывным ЛЧМ сигналом [5].Figure 6 shows a variant of a coherent transceiver with a continuous chirp signal [5].

На фиг 5 приняты следующие обозначения:In Fig 5 the following notation:

1 - Когерентный приемо передатчик (КПП);1 - Coherent transceiver transmitter (PPC);

2 - Измеритель высоты (ИВ);2 - Height meter (II);

3 - Схема управления вычислением высоты и скорости (СУВС);3 - Control scheme for calculating altitude and speed (SUVS);

4 - Вычислитель суммы квадратов разности (ВСКР);4 - Calculator of the sum of the squares of the difference (VSKR);

5 - Передающая антенна (А1);5 - Transmitting antenna (A1);

6 - Приемная антенна (А2);6 - Receiving antenna (A2);

7 - Вычислитель функционала соответствия (ВФС);7 - Computational functional calculator (VFS);

8 - Вычислитель кривой максимального контраста гипотезы (ВККГ);8 - Calculator curve maximum contrast hypothesis (WKG);

9 - Вычислитель дисперсии шума (ВДШ);9 - Calculator noise dispersion (VDSH);

10 - Вычислитель дисперсии сигнала с шумом (ВДСШ).10 - Calculator dispersion signal with noise (VDSH).

На фиг.5 последовательно соединены приемная антенна 6, когерентный приемопередатчик 1, измеритель высоты 2, схема управления вычислением высоты и скорости 3, вычислитель дисперсии сигнала с шумом 10 и вычислитель функционала соответствия 7, последовательно соединены вычислитель кривой максимального контраста гипотезы 8 и вычислитель суммы квадратов разности 4, второй выход когерентного приемопередатчика 1 соединен с входом передающей антенны, выход вычислителя дисперсии шума 9 соединен с вторым входом вычислителя функционала соответствия 7, выход которого соединен с третьим входом схемы управления вычислением высоты и скорости 3, выход когерентного приемопередатчика 1 соединен с вторыми входами вычислителей дисперсии шума 9 и сигнала с шумом 10, первый вход вычислителя дисперсии шума 9 соединен с третьим выходом схемы управления вычислением высоты и скорости 3, четвертый выход схемы управления вычислением высоты и скорости 3 соединен с входом вычислителя кривой максимального контраста гипотезы 8, второй выход схемы управления вычислением высоты и скорости 3 соединен с одноименным входом вычислителя суммы квадратов разности 4, выход вычислителя суммы квадратов разности 4 соединен с вторым входом схемы управления вычислением высоты и скорости 3, первый выход которой является выходом устройства.In Fig. 5, a receiving antenna 6, a coherent transceiver 1, a height meter 2, a control circuit for calculating the height and speed 3, a signal dispersion calculator with noise 10 and a correspondence functional calculator 7 are connected in series, and a calculator of the maximum contrast curve of hypothesis 8 and a square sum calculator are connected in series 4, the second output of the coherent transceiver 1 is connected to the input of the transmitting antenna, the output of the noise dispersion calculator 9 is connected to the second input of the correspondence functional calculator 7, the output of which is connected to the third input of the control circuit for calculating the height and speed 3, the output of the coherent transceiver 1 is connected to the second inputs of the noise dispersion calculators 9 and the noise signal 10, the first input of the noise dispersion calculator 9 is connected to the third output of the control circuit for calculating the height and speed 3, the fourth output of the height and speed calculation control circuit 3 is connected to the input of the maximum contrast curve calculator of hypothesis 8, the second output of the height and speed calculation control circuit 3 is connected to the same by the input of the calculator of the sum of squares of difference 4, the output of the calculator of the sum of squares of difference 4 is connected to the second input of the control circuit for calculating the height and speed 3, the first output of which is the output of the device.

На фиг.6 приняты следующие обозначения:Figure 6 adopted the following notation:

1.1 Формирователь квадратурного видео частотного ЧМ сигнала (ФКВЧМ),1.1 Shaper quadrature video frequency FM signal (FKVCHM),

1.2 Квадратурный балансный смеситель (КБС),1.2 Quadrature balanced mixer (KBS),

1.3 Первый полосовой фильтр (ПФ1),1.3 The first band-pass filter (PF1),

1.4 Смеситель сдвига (СмСД),1.4 Shear mixer (SMSD),

1.5 Синтезатор частот (СЧ),1.5 Frequency Synthesizer (MF),

1.6 Умножитель частоты (Уч),1.6 Frequency Multiplier (Uch),

1.7 Усилитель мощности (Ум),1.7 Power Amplifier (Mind),

1.8 Второй полосовой фильтр (ПФ2),1.8 Second pass filter (PF2),

1.9 Вычислитель (ВУ),1.9 Calculator (WU),

1.10 Усилитель низкой частоты (УНЧ),1.10 Low Frequency Amplifier (VLF),

1.11 Смеситель (См),1.11 Mixer (cm),

1.12 Направленный ответвитель (НО),1.12 Directional coupler (BUT),

1.13 Аналого-цифровой преобразователь (АЦП),1.13 Analog-to-Digital Converter (ADC),

1.14 Вторая (приемная) антенна (А2),1.14 Second (receiving) antenna (A2),

1.15 Первая (передающая) антенна (А1).1.15 First (transmitting) antenna (A1).

На фиг. 6 последовательно соединены вычислитель 1.9, формирователь квадратурного видео частотного ЧМ сигнала 1.1, квадратурный балансный смеситель 1.2, первый полосовой фильтр 1.3, смеситель сдвига 1.4, умножитель частоты 1.6, усилитель мощности 1.7, второй полосовой фильтр 1.8, направленный ответвитель 1.12, смеситель 1.11, усилитель низкой частоты 1.10 и аналого-цифровой преобразователь 1.13, второй выход формирователя видео частотного ЧМ сигнала 1.1 соединен с одноименным входом квадратурного балансного смесителя 1.2, первый выход направленного ответвителя 1.12 соединен с входом передающей антенны 1.15, выход приемной антенны 1.14 соединен с вторым входом смесителя 1.11, первый выход синтезатора частот 1.5 соединен с одноименным входом формирователя квадратурного видео частотного ЧМ сигнала 1.1, второй выход синтезатора частот 1.5 соединен с третьим входом квадратурного балансного смесителя 1.2, третий выход синтезатора частоты 1.5 соединен с первым входом смесителя сдвига 1.4, четвертый выход синтезатора частот 1.5 соединен с вторым входом аналого-цифрового преобразователя 1.13, первый вход-выход вычислительного устройства является входом-выходом когерентного приемопередатчика 1.In FIG. 6, a calculator 1.9, a quadrature video frequency FM signal shaper 1.1, a quadrature balanced mixer 1.2, a first bandpass filter 1.3, a shift mixer 1.4, a frequency multiplier 1.6, a power amplifier 1.7, a second bandpass filter 1.8, a directional coupler 1.12, a mixer 1.11, a low amplifier are connected in series frequency 1.10 and analog-to-digital converter 1.13, the second output of the video frequency converter FM 1.1 is connected to the same input of the quadrature balanced mixer 1.2, the first output of the directional coupler 1.12 with is dined with the input of the transmitting antenna 1.15, the output of the receiving antenna 1.14 is connected to the second input of the mixer 1.11, the first output of the frequency synthesizer 1.5 is connected to the same input of the quadrature video frequency former FM FM signal 1.1, the second output of the frequency synthesizer 1.5 is connected to the third input of the quadrature balanced mixer 1.2, the third the output of the frequency synthesizer 1.5 is connected to the first input of the shift mixer 1.4, the fourth output of the frequency synthesizer 1.5 is connected to the second input of the analog-to-digital converter 1.13, the first input-output is computationally of the device is input-output of the coherent transceiver 1.

Все элементы устройства, изображенного на фиг.5 известны, освоены и выпускаются промышленностью, измеритель высоты 2, схема управлением вычислением скорости 3, вычислитель функционала соответствия 7, вычислитель кривой максимального контраста гипотезы 8, вычислитель дисперсии шума 9 и вычислитель дисперсии сигнала с шумом 10 могут быть выполнены на основе единой бортовой вычислительной машины ВБ-480-01.All elements of the device shown in FIG. 5 are known, mastered and produced by industry, a height meter 2, a speed calculation control circuit 3, a correspondence functional calculator 7, a maximum contrast curve calculator of hypothesis 8, a noise dispersion calculator 9, and a signal dispersion calculator with noise 10 can be made on the basis of a single on-board computer VB-480-01.

Работа радиовысотомера-измерителя высоты и скорости происходит в следующей последовательности.The operation of the radio altimeter-meter height and speed occurs in the following sequence.

Когерентный приемопередатчик 1 с непрерывным излучением формирует на втором выходе зондирующий сигнал, который излучается через передающую антенну 5 вертикально в сторону земной поверхности, отраженный сигнал принимается приемной антенной 6, ориентированной параллельно направлению передающей антенны. На выходе когерентного приемопередатчика 1 формируется РЛИ сцены

Figure 00000016
в координатах дальность - доплеровская частота. РЛИ поступает на измеритель высоты 2 и вторые входы вычислителей дисперсии шума 9 и сигнала с шумом 10. Измеритель высоты 2 по каждому РЛИ формирует первичную грубую оценку высоты НП. В качестве варианта она может быть определена как минимальная дальность до разрешаемых элементов РЛИ, сигнал от которых превысил порог обнаружения с заданной вероятностью ложной тревоги. Усредненная по нескольким измерениям первичная оценка высоты HП с измерителя высоты 2 поступает на первый вход схемы управления вычислением высоты и скорости 3, которая формирует гипотезы (kF, VП, VB, Н) о доплеровской частоте kF, высоте полета H, значениях путевой VП и вертикальной скорости VB. Начальная гипотеза о высоте H берется равной HП-2Δ, где Δ - максимальная ошибка измерения первичной оценки высоты.Coherent transceiver 1 with continuous radiation generates a probe signal at the second output, which is emitted through the transmitting antenna 5 vertically towards the earth's surface, the reflected signal is received by the receiving antenna 6, oriented parallel to the direction of the transmitting antenna. At the output of the coherent transceiver 1, a radar image of the scene is formed
Figure 00000016
in coordinates, the range is the Doppler frequency. The radar detector is fed to a height meter 2 and the second inputs of the noise dispersion calculators 9 and a signal with noise 10. The height meter 2 for each radar generates an initial rough estimate of the height H P. Alternatively, it can be defined as the minimum distance to the resolved elements of the radar detector, the signal from which exceeded the detection threshold with a given probability of false alarm. Averaged over several measurements, the initial estimate of the altitude H P from the height meter 2 is fed to the first input of the control circuit for calculating the height and speed 3, which generates hypotheses (k F , V P , V B , N) about the Doppler frequency k F , flight altitude H, values of track V P and vertical speed V B. The initial hypothesis about the height H is taken equal to H P -2Δ, where Δ is the maximum measurement error of the primary height estimate.

Значения гипотезы (kF, VП, VB, H) с четвертого выхода схемы управления вычислением высоты и скорости 3 поступают на вход вычислителя кривой максимального контраста гипотезы 8, которая по выражению (5) вычисляет кривую максимального контраста

Figure 00000004
, соответствующую гипотезе.The values of the hypothesis (k F , V P , V B , H) from the fourth output of the control circuit for calculating the height and speed 3 are fed to the input of the calculator of the maximum contrast curve of hypothesis 8, which, according to expression (5), calculates the maximum contrast curve
Figure 00000004
corresponding to the hypothesis.

По данным принятого РЛИ схема управления вычислением высоты и скорости 3 организует вычисление кривой максимального контраста РЛИ nR(kF) в следующей последовательности. Схема управления вычислением высоты и скорости 3 выдает через третий выход гипотезу (n, kF) о дальности точки кривой максимального контраста РЛИ n на доплеровской частоте kF на вычислители дисперсии шума 9 и сигнала с шумом 10, которые по РЛИ

Figure 00000017
, приходящего с первого выхода когерентного приемопередатчика 1, по выражениям (2) и (3) вычисляют соответствующие дисперсии шума
Figure 00000018
и сигнала с шумом
Figure 00000019
:According to the received radar information, the altitude and speed calculation control circuit 3 organizes the calculation of the maximum radar contrast curve n R (k F ) in the following sequence. The control circuit for calculating the altitude and speed 3 gives out through the third output the hypothesis (n, k F ) about the distance of the point of the maximum contrast radar curve n at the Doppler frequency k F on the noise dispersion calculators 9 and the signal with noise 10, which according to the radar
Figure 00000017
coming from the first output of the coherent transceiver 1, the corresponding noise variances are calculated from expressions (2) and (3)
Figure 00000018
and signal with noise
Figure 00000019
:

Figure 00000020
и
Figure 00000021
.
Figure 00000020
and
Figure 00000021
.

Значения

Figure 00000022
и
Figure 00000008
поступают на соответствующие входы вычислителя функционала соответствия 7, где по выражению (4) для точки (n, kF). получают значение функционала соответствия LY{z/n, kF}:Values
Figure 00000022
and
Figure 00000008
arrive at the corresponding inputs of the calculator of the correspondence functional 7, where according to expression (4) for the point (n, k F ). get the value of the correspondence functional L Y {z / n, k F }:

Figure 00000023
;
Figure 00000023
;

Анализом значений функционала соответствия LY{z/n, kF} на доплеровской частоте kF схема управления вычислением высоты и скорости 3 находит гипотезу, соответствующую максимуму LY{z/n, kF}, соответственно точку кривой максимального контраста РЛИ (nR, kF). Значения nR, полученные схемой управления вычислением высоты и скорости 3 для всех доплеровских частот kF, образуют кривую максимального контраста РЛИ nR(kF).By analyzing the values of the correspondence functional L Y {z / n, k F } at the Doppler frequency k F , the control circuit for calculating the height and speed 3 finds a hypothesis corresponding to the maximum L Y {z / n, k F }, respectively, the point of the curve for maximum contrast of the radar image (n R , k F ). The values of n R obtained by the control circuit for calculating the height and speed 3 for all Doppler frequencies k F form a curve for the maximum contrast of the radar image n R (k F ).

Полученная кривая максимального контраста РЛИ nR(kF) выдается на второй вход вычислителя суммы квадратов разности 4, который вычисляет по выражению (6) отличие от нее расчетной кривой

Figure 00000004
, приходящей с вычислителя кривой максимального контраста гипотезы 8. Результат вычисления поступает на схему управления вычислением высоты и скорости 3, которая перебором гипотез находит гипотезу (H, VП, VB), для которой сумма квадратов разностиThe obtained maximum contrast radar contrast curve n R (k F ) is output to the second input of the calculator of the sum of squares of difference 4, which calculates the difference from the calculated curve from expression (6)
Figure 00000004
coming from the calculator of the maximum contrast curve of hypothesis 8. The calculation result goes to the control circuit for calculating the height and speed 3, which, by searching through the hypotheses, finds the hypothesis (H, V P , V B ) for which the sum of the squares of the difference

Figure 00000024
;
Figure 00000024
;

минимальна, соответственно оценку высоты и составляющих скорости (H, VП, VB). Измеренные составляющие скорости (VП, VB) и уточненная высота Н выдаются схемой управления вычислением высоты и скорости 3 через первый выход потребителю.minimum, respectively, the assessment of the height and speed components (H, V P , V B ). The measured velocity components (V P , V B ) and the specified height H are issued by the control circuit for calculating the height and speed 3 through the first output to the consumer.

Вариантом когерентного приемопередатчика 1 может быть когерентный приемопередатчик с непрерывным ЛЧМ сигналом [4], схема его приведена на фиг.6. Работа его описана в [4] и здесь не приводится.A variant of the coherent transceiver 1 can be a coherent transceiver with a continuous chirp signal [4], its circuit is shown in Fig.6. His work is described in [4] and is not given here.

Техническим преимуществом предлагаемого способа и устройства является возможность измерения высоты и скорости летательного аппарата одним устройством на базе радиовысотомера с однонаправленной малогабаритной антенной системой. За счет использования большого числа разрешаемых элементов поверхности способ и устройство обладают сниженной средне квадратичной ошибкой измерения составляющих высоты и скорости, кроме того за счет вертикального зондирования обеспечивается устойчивая работа над разными видами подстилающей поверхности, включая морскую.The technical advantage of the proposed method and device is the ability to measure the altitude and speed of the aircraft with one device based on a radio altimeter with a unidirectional small-sized antenna system. Due to the use of a large number of resolved surface elements, the method and the device have a reduced root mean square error of measuring the components of height and speed, in addition, due to the vertical sounding, stable work on different types of underlying surface is provided, including the sea.

Пользуясь сведениями, представленными в материалах заявки, предлагаемый радиовысотомер - измеритель высоты и составляющих скорости летательного аппарата может быть изготовлен по существующей, известной в радиопромышленности технологии на базе известных комплектующих изделий и использован при навигации различных летательных аппаратов, в том числе вертолетов на участке пилотирования и проведения монтажных работ.Using the information presented in the application materials, the proposed radio altimeter - a meter for altitude and speed components of an aircraft can be manufactured using existing technology known in the radio industry based on well-known components and used to navigate various aircraft, including helicopters in the pilot and installation work.

Приложение 1Annex 1

Адаптивный алгоритм определения положения скачка мощности отраженного сигналаAdaptive algorithm for determining the position of the power jump of the reflected signal

Совместная условная плотность вероятности выборок сигнала согласованного фильтра W

Figure 00000025
и следовательно функционал правдоподобия
Figure 00000026
, описываются выражениями:Joint conditional probability density of samples of a matched filter signal W
Figure 00000025
and hence the likelihood functional
Figure 00000026
are described by the expressions:

Figure 00000027
Figure 00000027

Figure 00000028
Figure 00000028

где

Figure 00000029
- модуль амплитуды отраженного сигнала от (k, kF) элемента разрешения;Where
Figure 00000029
- the amplitude module of the reflected signal from (k, k F ) the resolution element;

Figure 00000030
- дисперсия шума в (n, kF) элементе разрешения;
Figure 00000030
- noise variance in the (n, k F ) resolution element;

РПР(n, kF) - мощность сигнала, принятого от (n, kF) элемента разрешения.P PR (n, k F ) is the power of the signal received from the (n, k F ) resolution element.

Максимум функционала (2) соответствует оценке задержки n отраженного сигнала. Для реализации алгоритма необходимы априорные данные о значениях

Figure 00000031
и
Figure 00000032
. Оценки данных величин можно адаптивно определить на основе решения системы уравнений:The maximum of functional (2) corresponds to an estimate of the delay n of the reflected signal. To implement the algorithm, a priori data on the values are necessary
Figure 00000031
and
Figure 00000032
. Estimates of these quantities can be adaptively determined based on the solution of a system of equations:

Figure 00000033
Figure 00000033

Figure 00000034
Figure 00000034

где

Figure 00000035
Where
Figure 00000035

Решение системы уравнений (3) и (4) имеет вид:The solution to the system of equations (3) and (4) has the form:

Figure 00000036
Figure 00000036

После подстановки в (2) значении (6) получим в упрощенной записи алгоритм адаптивного положения скачка мощности по максимуму функционала правдоподобия:After substituting the value (6) in (2), we obtain in a simplified notation the algorithm for the adaptive position of the power jump for the maximum likelihood functional:

Figure 00000037
Figure 00000037

где СНИ - постоянный коэффициент, не зависящий от z, n, kF и не влияющий на оценку положения n(kF) скачка мощности на частоте kF, по максимуму функционала правдоподобия.where С NI is a constant coefficient independent of z, n, k F and not affecting the estimation of the position n (k F ) of the power jump at the frequency k F , by the maximum likelihood functional.

Перебором гипотез значения n находят гипотезу, обеспечивающую максимум функционала соответствия:Enumerating the hypotheses of the value of n, they find the hypothesis that provides the maximum of the correspondence functional:

Figure 00000038
Figure 00000038

Положение максимума функционала соответствия

Figure 00000039
соответствует положению максимума функционала правдоподобия
Figure 00000040
, соответственно положению скачка мощности n по дальности.Compliance Function Maximum Position
Figure 00000039
corresponds to the position of the maximum likelihood functional
Figure 00000040
, respectively, the position of the power jump n in range.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. Патент России №2414721. Способ радиолокационного измерения скорости объекта.1. Patent of Russia No. 2414721. The method of radar measurement of the speed of an object.

2. Патент США №7791529. System for estimating the speed of an aircraft, and application thereof to detecting obstacles.2. US Patent No. 7791529. System for estimating the speed of an aircraft, and application thereof to detecting obstacles.

3. Патент России №2411538. Способ определения ошибки измерения скорости ЛА инерциальной навигационной системой и бортовой навигационный комплекс для его реализации.3. Patent of Russia No. 2411538. A method for determining the error of measuring the speed of an aircraft by an inertial navigation system and an on-board navigation system for its implementation.

4. Патент России №2347235. Способ формирования когерентного частотно-модулированного сигнала для РЛС с периодической ЧМ модуляцией и устройство, реализующее способ.4. Patent of Russia No. 2347235. A method for generating a coherent frequency-modulated signal for a radar with periodic FM modulation and a device that implements the method.

Claims (4)

1. Способ радиолокационного измерения высоты и составляющих скорости летательного аппарата (ЛА) включает зондирование земной поверхности радиолокационным сигналом, когерентный прием отраженного сигнала с получением двумерного радиолокационного изображения (РЛИ) z(k, kF) местности в координатах «индекс дальности k - индекс доплеровской частоты kF », определение разрешаемых элементов РЛИ, мощность отраженного сигнала от которых превышает порог обнаружения, отличается тем, что зондирование производится вертикально через широко направленную антенну радиовысотомера, прием отраженного сигнала производится лучом, аналогичным передающему лучу по направлению и ширине диаграммы направленности, разрешение РЛИ по доплеровской частоте не должно превышать отношения максимальной путевой скорости ЛА к горизонтальному размеру разрешаемого кольца дальности на границе облученного участка поверхности, после определения разрешаемых элементов РЛИ, мощность отраженного сигнала от которых превышает порог обнаружения, определяют первичную грубую оценку высоты H, выполняют селекцию РЛИ в окне дальностей, начальное положение которого соответствует первичной оценке высоты ЛА, сниженной на удвоенную априорно известную величину ее погрешности, а конец - положению максимально удаленной точки кадра РЛИ, амплитуда которой превышает порог обнаружения, по полученному РЛИ определяют значения индексов скачка дисперсии сигнала nR для всех индексов доплеровских частот kF кадра РЛИ и находят кривую максимального контраста для селектированного участка РЛИ nR(kF) в координатах дальность - доплеровская частота, вычисляют кривые максимального контраста nR(kF, H, Vп, Vв) для гипотез значения высоты H, путевой Vп и вертикальной Vв скорости ЛА, максимальная дальность nR до границ кривой максимального контраста гипотезы ограничивается максимальной дальностью до границ кривой максимального контраста РЛИ nR(kF), сравнивают каждую расчетную кривую максимального контраста гипотезы nR(kF, H, Vп, Vв) с кривой максимального контраста РЛИ nR(kF) с оценкой суммы квадратов разности (СКР) значений сравниваемых кривых, находят перебором гипотез (H, Vп, Vв) значений высоты H, составляющих скоростей ЛА Vп и Vв в диапазоне априорных данных гипотезу, соответствующую минимуму суммы квадратов разностей (СКР), соответственно значения составляющих скорости Vп, Vв и высоты H.1. The method of radar measurement of altitude and speed components of an aircraft (LA) includes sensing the earth's surface with a radar signal, coherent reception of the reflected signal to obtain a two-dimensional radar image (radar) z (k, k F ) terrain in the coordinates "range index k - Doppler index frequency k F ”, determining the resolved elements of the radar image, the power of the reflected signal from which exceeds the detection threshold, differs in that the sounding is performed vertically through a wide directional the antenna of the radio altimeter, the reception of the reflected signal is carried out by a beam similar to the transmitting beam in the direction and width of the radiation pattern, the resolution of the radar image on the Doppler frequency should not exceed the ratio of the maximum ground speed of the aircraft to the horizontal size of the resolved range ring at the boundary of the irradiated surface area, after determining the resolved elements of the radar , the power of the reflected signal from which exceeds the detection threshold, determine the primary rough estimate of the height H, perform radar selection And in the range window, the initial position of which corresponds to the initial estimate of the aircraft altitude, reduced by twice the a priori known value of its error, and the end - to the position of the most distant point of the radar image frame, the amplitude of which exceeds the detection threshold, from the obtained radar data determine the values of the signal dispersion jump indices n R for all indices of Doppler frequencies k F of the radar image frame and find the maximum contrast curve for the selected portion of the radar image n R (k F ) in the coordinates range - Doppler frequency, calculate the poppy curves maximum DUTY contrast n R (k F, H, V f, V a) for the hypotheses height value H, waypoint V n and the vertical V to the aircraft speed, the maximum range n R to the boundary curve maximum contrast hypothesis limited maximum range to the limits of maximum contrast curve RI n R (k F ), compare each calculated curve of the maximum contrast hypothesis n R (k F , H, V p , V c ) with the curve of maximum contrast RI n R (k F ) with an estimate of the sum of the squares of the difference (SCR) of the values compared curves are enumeration of hypotheses (H, V n, V c) height values H, composing x V LA and V n in the velocity in the range priori hypothesis data corresponding to the minimum sum of squared differences (EMM), the respective values of the velocity V p, V a and the height H. 2. Способ радиолокационного измерения высоты и составляющих скорости летательного аппарата (ЛА) по п. 1, отличающийся тем, что кривая максимального контраста РЛИ находится в последовательности: формируют набор гипотез (n, kF) о положении скачка дисперсии сигнала на индексе дальности n, меняющемся от 0 до K-1, где K - длина реализации отселектированного участка РЛИ по дальности, при индексе доплеровской частоты kF, вычисляют для каждой гипотезы (n, kF) математическое ожидание мощности огибающей амплитуды отраженного сигнала z(k, kF) для индекса доплеровской частоты kF и индексов дальности k от нуля до n-1 и от n до K-1, с получением дисперсии шума
Figure 00000041
(n, kF) и сигнала с шумом
Figure 00000042
(n, kF) соответственно, вычисляют индекс nR (kF) скачка дисперсии по дальности на доплеровской частоте kF, для чего находят положение максимума весовой суммы Ly(z\n, kF) логарифмов дисперсии шума
Figure 00000043
(n, kF) и сигнала с шумом
Figure 00000044
(n, kF), весом первого логарифма является число минус n, весом второго логарифма является отрицательное число (K-n), получают кривую максимального контраста наблюдаемого РЛИ по результатам определения скачка nR(kF) для всех индексов kF доплеровских частот кадра РЛИ.2. The method of radar measurement of altitude and components of the speed of an aircraft (LA) according to claim 1, characterized in that the maximum contrast radar curve is in the sequence: form a set of hypotheses (n, k F ) about the position of the signal dispersion jump at the range index n, varying from 0 to k-1, where k - length implementation been accumulated portion of radar data in range, when the index Doppler frequency k F, is calculated for each hypothesis (n, k F) expectation envelope power of the reflected signal amplitude z (k, k F) for dopl index eryov frequency k F and range indices k from zero to n-1 and from n to K-1, to obtain noise variance
Figure 00000041
(n, k F ) and the noise signal
Figure 00000042
(n, k F ), respectively, calculate the index n R (k F ) of the range dispersion jump at the Doppler frequency k F , for which they find the position of the maximum weight sum L y (z \ n, k F ) of the logarithms of the noise variance
Figure 00000043
(n, k F ) and the noise signal
Figure 00000044
(n, k F ), the weight of the first logarithm is the number minus n, the weight of the second logarithm is a negative number (Kn), the curve for the maximum contrast of the observed radar image is obtained from the results of determining the jump n R (k F ) for all indices k F of the Doppler frequency of the radar frame . 3. Способ радиолокационного измерения высоты и составляющих скорости летательного аппарата (ЛА) по п. 1, отличающийся тем, что первичную оценку высоты летательного аппарата Н определяют как минимальную усредненную по нескольким измерениям дальность до точек РЛИ, превышающих порог обнаружения.3. The method of radar measurement of altitude and components of the speed of an aircraft (LA) according to claim 1, characterized in that the initial estimate of the height of the aircraft N is defined as the minimum distance averaged over several measurements to the radar data points exceeding the detection threshold. 4. Радиовысотомер-измеритель высоты и скорости по п. 1 содержит когерентный приемопередатчик, второй выход которого соединен с входом передающей антенны, на первом выходе когерентный передатчик формирует радиолокационное изображение (РЛИ) сцены в координатах дальность - доплеровская частота, отличается тем, что передающая антенна когерентного приемопередатчика широко направленная, ориентированная к земной поверхности по вертикали, в устройство дополнительно введены приемная антенна, соединенная с третьим входом когерентного приемопередатчика, аналогичная передающей и направленная параллельно ей, последовательно соединенные измеритель высоты, схема управления вычислением высоты и скорости, вычислитель дисперсии сигнала с шумом и вычислитель функционала соответствия, последовательно соединенные вычислитель кривой максимального контраста гипотезы и вычислитель суммы квадратов разности, вычислитель дисперсии шума, выход которого соединен с вторым входом вычислителя функционала соответствия, при этом первый выход когерентного приемопередатчика соединен с входом измерителя высоты и вторыми входами вычислителей дисперсии шума и сигнала с шумом, первый вход вычислителя дисперсии шума соединен с третьим выходом схемы управления вычислением высоты и скорости, выход вычислителя функционала соответствия соединен с третьим входом схемы управления вычислением высоты и скорости, четвертый выход схемы управления вычислением высоты и скорости соединен с входом вычислителя кривой максимального контраста гипотезы, второй выход схемы управления вычислением высоты и скорости соединен с одноименным входом вычислителя суммы квадратов разности, выход вычислителя суммы квадратов разности соединен с вторым входом схемы управления вычислением высоты и скорости, первый выход которой является выходом устройства, схема управления вычислением высоты и скорости выдает гипотезы о положении скачка дисперсии сигнала РЛИ по дальности и доплеровской частоте для расчета дисперсий шума и сигнала шумом, формирует гипотезы о положении скачка дисперсии, высоты и составляющих скорости для расчета кривой максимального контраста гипотезы, определяет по данным вычислителя функционала соответствия кривую максимального контраста РЛИ и выдает ее на вычислитель суммы квадратов разности, находит по данным вычислителя суммы квадратов разности наиболее вероятную гипотезу значения высоты и составляющих скорости, выдает результат измерения потребителю. 4. The radio-altimeter height and speed meter according to claim 1 contains a coherent transceiver, the second output of which is connected to the input of the transmitting antenna, at the first output the coherent transmitter generates a radar image (radar image) of the scene in the coordinates range - Doppler frequency, characterized in that the transmitting antenna the coherent transceiver is widely oriented, oriented vertically to the earth's surface, a receiving antenna is additionally introduced into the device, connected to the third input of the coherent receiver a transmitter similar to the transmitter and directed parallel to it, a height meter, a height and speed calculation control circuit, a signal variance calculator with noise and a correspondence functional calculator, a hypothesis maximum contrast curve calculator and a difference square sum calculator, a noise variance calculator whose output is connected to the second input of the correspondence functional calculator, while the first output of the coherent transceiver is connected to the input m height meter and the second inputs of the noise dispersion calculators and the signal with noise, the first input of the noise dispersion calculator is connected to the third output of the height and speed calculation control circuit, the output of the correspondence functional computer is connected to the third input of the height and speed calculation control circuit, the fourth output of the calculation control circuit height and speed is connected to the input of the calculator of the maximum contrast hypothesis curve, the second output of the control circuit for calculating the height and speed is connected to the input of the same name ohm of the calculator of the sum of the squares of the difference, the output of the calculator of the sum of the squares of the difference is connected to the second input of the control circuit for calculating the height and speed, the first output of which is the output of the device, the control circuit for calculating the height and speed gives hypotheses about the position of the jump in the dispersion of the radar signal in range and Doppler frequency for calculating dispersions of noise and signal noise, generates hypotheses about the position of the jump in dispersion, height and velocity components to calculate the curve of maximum contrast of the hypothesis, determines by according to the data of the calculator of the functional of correspondence, the curve of the maximum contrast of the radar image and issues it to the calculator of the sum of the squares of the difference, finds the most probable hypothesis of the value of the height and the speed components from the calculator of the sum of the squares of the difference, and gives the measurement result to the consumer.
RU2013143972/07A 2013-09-30 2013-09-30 Method for single-beam measurement of altitude and component velocities of aircraft and radar altimeter therefor RU2550081C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013143972/07A RU2550081C2 (en) 2013-09-30 2013-09-30 Method for single-beam measurement of altitude and component velocities of aircraft and radar altimeter therefor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013143972/07A RU2550081C2 (en) 2013-09-30 2013-09-30 Method for single-beam measurement of altitude and component velocities of aircraft and radar altimeter therefor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2013143972A RU2013143972A (en) 2015-04-10
RU2550081C2 true RU2550081C2 (en) 2015-05-10

Family

ID=53282339

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013143972/07A RU2550081C2 (en) 2013-09-30 2013-09-30 Method for single-beam measurement of altitude and component velocities of aircraft and radar altimeter therefor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2550081C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2775154C1 (en) * 2021-09-07 2022-06-29 Акционерное общество "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь" Method for single-beam measurement of the height and components of the speed of the aircraft

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112835034B (en) * 2020-06-30 2023-11-14 北京航天自动控制研究所 Dual-channel radar ground height measurement system and method

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2018864C1 (en) * 1992-07-10 1994-08-30 Московский Научно-Исследовательский Институт Приборостроения Method of measuring distance in doppler speed vector meters for flying vehicles
SU1195792A1 (en) * 1983-01-11 1994-09-30 Казанский Авиационный Институт Им.А.Н.Туполева Device for measuring altitude and vertical speed of flying vehicle
RU2083998C1 (en) * 1995-09-11 1997-07-10 Выдревич Моисей Бецалелович Doppler sensor of components of velocity vector, altitude and local vertical for helicopters and vertical landing space vehicles
WO2007038068A3 (en) * 2005-09-26 2007-05-18 Honeywell Int Inc Methods and systems for measuring terrain height
EP2124072A2 (en) * 2008-05-23 2009-11-25 Honeywell International Inc. High integrity radio altimeter
US7705772B1 (en) * 2009-01-19 2010-04-27 Kustom Signals, Inc. Traffic radar with target duration tracking
RU2411538C2 (en) * 2008-10-02 2011-02-10 Открытое Акционерное Общество "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь" Method of determining error in measuring aircraft velocity with inertial navigation system and onboard navigation system for realising said method
RU2487419C1 (en) * 2012-02-06 2013-07-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) System for complex processing of information of radio navigation and self-contained navigation equipment for determining real values of aircraft navigation parameters
RU2498344C2 (en) * 2012-01-11 2013-11-10 Открытое Акционерное Общество "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь" Correlation device for measuring height and ground velocity vector components

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1195792A1 (en) * 1983-01-11 1994-09-30 Казанский Авиационный Институт Им.А.Н.Туполева Device for measuring altitude and vertical speed of flying vehicle
RU2018864C1 (en) * 1992-07-10 1994-08-30 Московский Научно-Исследовательский Институт Приборостроения Method of measuring distance in doppler speed vector meters for flying vehicles
RU2083998C1 (en) * 1995-09-11 1997-07-10 Выдревич Моисей Бецалелович Doppler sensor of components of velocity vector, altitude and local vertical for helicopters and vertical landing space vehicles
WO2007038068A3 (en) * 2005-09-26 2007-05-18 Honeywell Int Inc Methods and systems for measuring terrain height
EP2124072A2 (en) * 2008-05-23 2009-11-25 Honeywell International Inc. High integrity radio altimeter
RU2411538C2 (en) * 2008-10-02 2011-02-10 Открытое Акционерное Общество "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь" Method of determining error in measuring aircraft velocity with inertial navigation system and onboard navigation system for realising said method
US7705772B1 (en) * 2009-01-19 2010-04-27 Kustom Signals, Inc. Traffic radar with target duration tracking
RU2498344C2 (en) * 2012-01-11 2013-11-10 Открытое Акционерное Общество "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь" Correlation device for measuring height and ground velocity vector components
RU2487419C1 (en) * 2012-02-06 2013-07-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) System for complex processing of information of radio navigation and self-contained navigation equipment for determining real values of aircraft navigation parameters

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2775154C1 (en) * 2021-09-07 2022-06-29 Акционерное общество "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь" Method for single-beam measurement of the height and components of the speed of the aircraft

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013143972A (en) 2015-04-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11061127B2 (en) Vehicle radar system
EP3432026B1 (en) Systems and methods for measuring velocity and acceleration with a radar altimeter
EP3054316B1 (en) Systems and methods for measuring velocity with a radar altimeter
US8077078B1 (en) System and method for aircraft altitude measurement using radar and known runway position
Thiel et al. Performance capabilities of laser scanners–an overview and measurement principle analysis
CN103339525B (en) Method and device for monitoring variations in terrain
EP3460513A1 (en) Radar altimeter sea state estimation
EP3054314B1 (en) Systems and methods for using velocity measurements to adjust doppler filter bandwidth
JP2009510487A (en) Method and system for identifying high quality phase angle measurements in an interferometric radar system
JP2009510487A5 (en)
EP3063556A2 (en) Anomaly detection using an antenna baseline constraint
US6806828B1 (en) Passive range and angle measurement system and method
RU2643168C2 (en) Method of height, aircraft actual velocity and aircraft velocity vector inclination measurement in relation to horizon, on-board radar device using method
RU2656366C1 (en) Method of aircraft coordinate determining the coordinate on the basis of radar picture
Pierrottet et al. Flight test performance of a high precision navigation Doppler lidar
RU2660160C1 (en) Method of determining the motion parameters of an air object by the dynamic radio monitoring system
JP2007500856A (en) Method and apparatus for weighting radar return data
RU2551896C2 (en) Method for single-beam measurement of altitude and component velocities of aircraft and radar altimeter therefor
RU2550081C2 (en) Method for single-beam measurement of altitude and component velocities of aircraft and radar altimeter therefor
RU2379707C1 (en) Method for surface observation by onboard radio-ir-radar connected with radar
Jha et al. Ka-Band FMCW Radar Altimeter for Navigation
RU2660159C1 (en) Method of side-looking airborne radar determination of aircraft demolition angle
KR101840651B1 (en) Rain rate calculating system using cloud radar and rain rate calculation method using the same
JP2008304329A (en) Measuring device
JP2008008843A (en) Radio wave altitude and velocity measuring device and altitude and velocity measuring technique using radio wave