RU2661357C1 - Способ обзорной пассивной однопозиционной моноимпульсной трёхкоординатной угломерно-разностно-доплеровской локации перемещающихся в пространстве радиоизлучающих объектов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться в системах обзорной пассивной радиолокации и радиотехнического наблюдения для однопозиционного высокоточного определения скоростей, координат и траекторий перемещающихся в пространстве радиоизлучающих объектов (РИО). Достигаемый технический результат - возможность измерения по единому алгоритму направлений и скоростей движения РИО, перемещающихся в пространстве в произвольных направлениях и с переменной высотой полета, а также построение их траекторий. Для достижения технического результата построение траектории движения каждого объекта производят на вспомогательной наклонной плоскости, проходящей через прямолинейный участок траектории в пространстве и лежащую вне траектории точку наблюдения, причем на этой плоскости вычисляют, как указано в заявке, углы c_k,1, каждый из которых является гипотенузой сферического прямоугольного треугольника с катетами Δβ_k,1 и Δε_k,1, лежащими на линиях координат азимута и угла места, и равен угловому размеру проекции на небесную сферу пути объекта за время Δt_k,1=t_k-t₁. На соседних участках траектории вычисляют величину отношения приращений несущей с учетом эффекта Доплера и определяют курсовой угол РИО на вспомогательной плоскости, а затем вычисляют значение модуля вектора скорости объекта, расстояние, пройденное РИО за интервал времени Δt_3,1 под углом с_3,1, и наклонные дальности до точек А₃ и A₁, затем определяют углы и расстояния для последующих точек A_k, при k>3, а также наклонную дальность

до точки А₁ с использованием величин S_k,1 и c_k,1 для обнаружения начала маневра РИО, а для дальнейшего построения его траектории на следующем участке кусочно-линейной аппроксимации повторяют аналогичные расчеты. 4 ил.

Description

Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться в системах обзорной пассивной радиолокации и радиотехнического наблюдения для однопозиционного высокоточного определения скоростей, координат и траекторий перемещающихся в пространстве радиоизлучающих объектов (РИО).

Перемещающиеся объекты различного назначения - искусственные спутники Земли, корабли, самолеты, беспилотные летательные аппараты - оснащаются радиопередающими устройствами для обмена служебной информацией между собой и с командными пунктами, поэтому по излучениям бортовых радиопередающих устройств этих объектов их можно обнаружить, а также определить их угловые координаты (УК). Для этого применяются методы пассивной радиолокации [1 - Пассивная радиолокация: методы обнаружения объектов / Под ред. проф. Р.П. Быстрова и проф. А.В. Соколова. М.: Радиотехника. 2008. 320 с].

Пассивные радиолокационные системы (РЛС), в отличие от активных, обладают скрытностью, что существенно затрудняет определение их дислокации и характеристик, а также менее сложны и имеют меньшую стоимость из-за отсутствия радиопередающей части. Направление на РИО с их помощью определяется достаточно просто (путем пеленгования), однако прямое однопозиционное измерение дальности в пассивной радиолокации невозможно, так как зондирующие излучения не используются. Для определения местоположений и траекторий движения РИО пассивными методами обычно применяют несколько разнесенных станций, объединенных с помощью ретрансляторов данных в многопозиционную систему. Но такая система, по сравнению с однопозиционной, имеет больший объем аппаратуры, повышенную сложность и стоимость. Поэтому однопозиционные системы более предпочтительны.

РЛС должны определять УК целей с высокой точностью за достаточно малое время, так как современные цели могут перемещаться с большими (в том числе гиперзвуковыми) скоростями и двигаться по сложным непредсказуемым траекториям, причем закон движения целей может содержать знакопеременные производные высоких порядков. Лучшей основой для достижения высокой точности определения УК считается широко применяемый в радиолокации и радиопеленгации моноимпульсный метод. Он используется и в обзорных РЛС, которые одновременно определяют УК всех целей, находящихся в пределах диаграммы направленности (ДН) и разрешаемых по дальности [2 - Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. - М.: Радио и связь, 1984. 312 с, стр. 6]. При этом УК цели определяют как направление прихода принимаемых сигналов относительно известного равносигнального направления (РСН).

Если для следящих систем принципиально важными являются крутизна пеленгационной характеристики (ПХ) углового дискриминатора и смена знака сигнала рассогласования в нуле, то для обзорной РЛС важны дополнительно величина рабочей зоны (то есть области углов внутри моноимпульсной группы лучей, в которой ошибка пеленгования не превышает заданной) и степень линейности ПХ в рабочей зоне; они определяют точностные характеристики и быстродействие обзорной системы. Пути достижения высоких точностей и быстродействия обзорного амплитудного моноимпульсного пеленгатора обоснованы в работах [3 - Джиоев А.Л., Яковленко В.В. Улучшение характеристик обзорного суммарно-разностного пеленгатора с ФАР на основе оптимизации пеленгационной характеристики // Общие вопросы радиоэлектроники. Ростов-на-Дону: ФГУП «РНИИРС» ФНПЦ. 2014. Вып. 1. С. 105-117] и [4 - Патент 2583849, РФ. Способ цифровой обработки сигналов при обзорной моноимпульсной амплитудной суммарно-разностной пеленгации с использованием антенной решетки (варианты) и обзорный моноимпульсный амплитудный суммарно-разностный пеленгатор с использованием антенной решетки и цифровой обработки сигналов / Джиоев А.Л., Омельчук И.С., Фоминченко Г.Л., Фоминченко Г.Г., Яковленко В.В. Заявлен 13.04.2015, опубликован 10.05.2016], в которых с помощью выбора вида весовой функции (ВФ) и оптимизации угла разноса ДН получена ПХ, практически линейная на всей ширине моноимпульсной группы лучей (МГЛ). Это позволяет после приема и аналого-цифрового преобразования (АЦП) сигналов РИО использовать прямо-отсчетный подход и обеспечить быстрый прямой (без использования итераций и повторного зондирования) и легко реализуемый (решение линейного уравнения) расчет УК с ошибкой не более 1/100 ширины ДН по уровню половинной мощности при низком уровне боковых лепестков (ниже минус 40 дБ) и приемлемом использовании поверхности антенны. Высокая линейность ПХ на всей ширине МГЛ, обеспечивающая быстрое и точное определение УК объекта без использования итерационного алгоритма, значительно сокращает время обзора пространства и увеличивает число объектов, контролируемых без перемещения РСН. Однако при этом не определяются траектории движения объектов в пространстве, а также не производится их селекция по скорости движения.

Так как в общем случае (без использования дополнительных данных) однопозиционная локация не обеспечивает эффективное определение наклонных дальностей, скоростей и траекторий движения перемещающихся по произвольным траекториям РИО, то поиск способов и создание устройств обзорной пассивной однопозиционной моноимпульсной локации, обеспечивающих высокоточное определение скоростей, координат и траекторий перемещающихся в пространстве объектов, являются актуальными.

Известен способ определения из одной точки наклонной дальности до движущейся цели [5 - Патент 2557808, РФ. Способ определения наклонной дальности до движущейся цели пассивным моностатическим пеленгатором / Борисов Е.Г., Мартемьянов И.С. Заявлен 9.04.2014, опубликован 27.07.2015]. В нем совместно обрабатывают два последовательных во времени измерения пеленгов (углов азимута β₁ и β₂) и мощностей Р_С1 и Р_С2 сигналов для моментов измерений t₁ и t₂. Учитывая, что базовая точка измерения соответствует геометрическому центру угломерной системы, а линия Ц₁Ц_N (траектория движения цели) соответствует точкам Ц₁ и Ц₂ измерения пеленга цели в моменты времени t₁ и t₂, в предположении, что цель движется прямолинейно, на основании полученных значений Р_С1 и Р_С2 вычисляют величину

. Производят два последовательных измерения частот ƒ₁ и ƒ₂ принятых сигналов в моменты времени t₁ и t₂ соответственно, и на основании этих измерений определяют величину

; далее на основании измеренных углов азимута β₁ и β₂ определяют Δβ₂₁=β₂-β₁. После этого вычисляют дальность до цели по формуле

,

где с - скорость света;

T=Δt₁₂.

Точностные характеристики способа [5] определяются, в частности, ошибками измерения угловых координат РИО и несущих частот излучаемых им сигналов. При возможных точностях измерений указанных первичных параметров погрешность определения наклонной дальности зависит от ее значения и находится в пределах 5-35%. Кроме того, в реальных условиях объекты наблюдения обычно излучают модулированные сигналы с подавленной несущей, что не позволяет применять способ [5].

Наконец, при использовании способа [5] измеряют мощность принимаемых сигналов, а она подвержена флюктуациям, которые вызываются интерференцией колебаний, переотраженных элементами конструкции объекта, изменениями условий распространения и переотражениями от местных предметов. Величина этих флюктуаций может достигать 10-15 дБ; погрешность измерения дальности по способу [5] при коэффициенте флюктуаций, равном 6 дБ, составляет 5%, а при коэффициенте флюктуаций, равном 12 дБ, достигает 250%, то есть способ становится неработоспособным.

Таким образом, недостатками способа [5] являются большая погрешность измерения дальности из-за флюктуаций уровня сигнала и невозможность измерения дальности в случае использования в качестве сигналов сложных модулированных излучений.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ, предложенный в [6 - Патент 2617830, РФ. Способ пассивной однопозиционной угломерно-разностно-доплеровской локации перемещающегося в пространстве радиоизлучающего объекта и радиолокационная система для реализации этого способа / Джиоев А.Л., Омельчук И.С., Тюрин Д.А., Фоминченко Г.Л., Фоминченко Г.Г., Яковленко В.В. Заявлен 11.04.2016, опубликован 28.04.2017], принятый за прототип.

При использовании способа [6] во время приема констатируют обнаружение сигнала РИО и определяют его параметры - ширину спектра, среднюю частоту спектра сигнала и вид модуляции. Осуществляют автосопровождение выбранного объекта по угловым координатам, измеряют и запоминают значения отсчетов угловых координат (азимута β и угла места ε), а также текущего времени, соответствующего этим отсчетам. Затем восстанавливают, зная вид модуляции, несущую частоту ƒ_H принятого сигнала, формируют в моменты времени t_i и запоминают значения ее отсчетов. Далее вычисляют приращения УК и доплеровских сдвигов частоты принимаемых сигналов на интервалах Δt_k,n, достаточно малых для справедливости предположения о равномерности и прямолинейности движения РИО со скоростью V на постоянной высоте Н.

После этого определяют горизонтальные составляющие приращений доплеровских сдвигов частоты, находят эти приращения и вычисляют величину их отношения

для нахождения величины угла α между вектором скорости и горизонтальной дальностью. Далее определяют текущее значение курсового угла q_k=β_k+α и модуль горизонтальной скорости V_г=V, а затем - расстояние S_4,0, пройденное объектом за интервал времени Δt_4,0. Затем находят радиус R окружности, проходящей через начало координат, хордой которой является расстояние S_4,0, находят центр О' этой окружности, фиксируя точку на конце луча длиной R, проведенного из начала координат 0 под углом β_Ц=β₀+q₄-90°, рассчитывают дальности d₀ и d₄, используя соотношение

, в виде

и определяют координаты РИО в моменты времени t₀ и t₄ как точки пересечения окружности с центром О' и лучей длиной d₀ и d₄, проведенных из начала координат под углами β₀ и β₄.

Наконец, вычисляют интерполированные d_k=1,2,3 и экстраполированные d_k≥4 значения дальностей на интервале сохранения гипотезы о равномерном и прямолинейном движении радиоизлучающего объекта на постоянной высоте и осуществляют построение траектории движения РИО в пространстве на начальном интервале кусочно-линейной аппроксимации, а в случае кратковременного пропадания сигнала - ее прогнозируемое значение.

Таким образом, в прототипе [6] инверсным кинематическим угломерно-разностно-доплеровским способом определяются (в режимах автосопровождения по УК и частоте) параметры движения одиночного РИО, перемещающегося в пространстве равномерно и прямолинейно на постоянной высоте.

К числу недостатков прототипа [6] следует отнести:

1. Невозможность измерения дальностей, направлений и скоростей перемещения в пространстве, а также траекторий РИО в случаях их движения с переменной высотой полета, то есть с произвольными углами пикирования (кабрирования).

2. Необходимость использования двух алгоритмов функционирования с ограниченной областью применимости каждого из них:

- первого, применимого в случае изменений азимута и угла места РИО при его приближении (удалении) относительно РЛС,

- второго, применимого только при постоянном азимуте объекта.

3. Использование следящего режима работы РЛС, что, по сравнению с обзорным режимом, снижает ее производительность и число контролируемых объектов.

Изобретений, решающих упомянутые проблемы путем пассивной однопозиционной локации перемещающегося в пространстве РИО, авторы заявляемого способа в технической литературе не обнаружили.

Задачей, на решение которой направлен предлагаемый способ, является определение координат, направлений и скоростей движения, а также построение траекторий всей совокупности РИО, движущихся в пространстве в пределах контролируемого сектора по произвольным направлениям равномерно и прямолинейно со всеми возможными курсовыми углами и углами пикирования (кабрирования).

Для решения этой задачи предлагается способ обзорной пассивной однопозиционной моноимпульсной трехкоординатной угломерно-разностно-доплеровской локации перемещающихся в пространстве радиоизлучающих объектов, при котором:

- используют цифровую антенную решетку или антенную решетку с цифровой обработкой сигналов, формируют в пространстве, применяя на раскрыве антенной решетки весовую функцию Хэмминга, моноимпульсную группу лучей с общим фазовым центром и пеленгационные характеристики с рабочими зонами Δβ_ПХ по азимуту и Δε_ПХ по углу места, линейные на всей ширине моноимпульсной группы лучей за счет специально выбранных углов смещения лучей β_см и ε_см;

- разбивают заданную область обзора пространства (телесный угол) на участки размером Δβ_ПХ по азимуту и Δε_ПХ по углу места и, последовательно устанавливая равно-сигнальное направление моноимпульсной группы лучей в центры этих участков, осуществляют обзор упомянутой области;

- принимают сигналы РИО в течение интервала наблюдения на каждом участке разбиения, анализируют заданный диапазон частот, при наличии сигналов радиоизлучающих объектов констатируют обнаружение всей совокупности

объектов в упомянутой области обзора и определяют параметры их сигналов - ширину и среднюю частоту спектра, а также вид модуляции;

- измеряют и запоминают для каждого из обнаруженных объектов значения отсчетов угловых координат, вычисляемых относительно равносигнальных направлений путем решения линейных уравнений

и

,

где

и

- коэффициенты линейных частей разложений пеленгационных характеристик в ряды Маклорена как функций углов β_см и ε_см;

и

- сигналы угловых рассогласований с выходов угловых дискриминаторов;

- селектируют, используя данные об измеренных параметрах и угловых координатах, N объектов (из совокупности М), избранных для автосопровождения;

- сглаживают значения измеренных угловых координат каждого объекта, представляя их в виде усредненных зависимостей

,

, где

- номер наблюдаемого объекта;

- формируют для приема сигналов избранных объектов дополнительно N одиночных лучей, наведение которых по угловым координатам осуществляется управляющими сигналами, сформированными на основании данных об УК сопровождаемых РИО;

- параллельно принимают и обрабатывают сигналы РИО по N лучам, восстанавливают, зная вид модуляции, несущие частоты ƒ_Hn принятых сигналов, измеряют и запоминают значения их отсчетов, сглаживают и представляют результаты в виде усредненных зависимостей

;

- интерполируют усредненные угловые зависимости

и

, а также усредненную зависимость

, получая непрерывные функции β(t), ε(t) и ƒ_H(t), причем здесь и далее индекс n наблюдаемого объекта не указывается - расчет проводят для каждого из N объектов.

Согласно изобретению, в заявленном способе:

- построение траектории движения каждого объекта производят на вспомогательной наклонной плоскости 0А₁А_К, проходящей через прямолинейный участок траектории в пространстве (точки A₁…A_К) и лежащую вне траектории точку наблюдения;

- вычисляют на упомянутой плоскости, для произвольно выбранных точек участка траектории, обозначенных как A₁, A₂, … A_k, где

- номера точек, в моменты времени t=t₂, t₃, …, t_k, углы c_k,1, каждый из которых является гипотенузой сферического прямоугольного треугольника с катетами Δβ_k,1 и Δε_k,1, лежащими на линиях координат азимута и угла места, равен угловому размеру проекции на небесную сферу пути объекта за время Δt_k,1=t_k-t₁ и определяется как

,

где

Δβ_k,1=(β_k-β₁)⋅cos[min(ε_k,ε₁)];

Δε_k,1=ε_k-ε₁;

β_k=β(t_k);

ε_k=ε(t_k),

- извлекают из зависимости ƒ_H(t) объекта значения ƒ_Hk в моменты времени t₁, t₂, …, t_k, вследствие эффекта Доплера равные

,

где ƒ_H0 - значение несущей частоты сигнала наблюдаемого объекта;

ƒ_Дk - доплеровский сдвиг несущей частоты;

V - скорость радиоизлучающего объекта;

γ_k - курсовой угол объекта в момент времени t_k;

λ - длина волны сигнала объекта,

и определяют их приращения на интервалах Δt_2,1 и Δt_3,1 как

,

,

- вычисляют величину отношения приращений несущей

,

а затем, вводя обозначение

,

получают уравнение относительно курсового угла γ₁, решая которое, определяют курсовой угол наблюдаемого объекта на вспомогательной плоскости как

и вычисляют значение модуля вектора скорости объекта

,

где с=299792458 м/с - скорость распространения электромагнитных волн,

- определяют расстояние, пройденное РИО за интервал времени Δt_3,1 под углом c_3,1, как

S_3,1=VΔt_3,1,

- определяют наклонные дальности до точек А₃ и А₁ как

- аналогично определяют углы и расстояния для последующих точек A_k (при k>3) начального участка кусочно-линейной аппроксимации траектории объекта, а также наклонную дальность

до точки А₁ с использованием величин S_k,1 и c_k,1 в виде

,

- вычисляют величину модуля разности дальностей

и производят его сравнение с порогом ΔD, используя для случая

значения γ₁, V, D_k для построения траектории движения радиоизлучающего объекта на участке А₁-А_К, а для случая

принимают решение о начале маневра объекта и для дальнейшего построения его траектории на следующем участке кусочно-линейной аппроксимации повторяют аналогичные расчеты.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность однопозиционного измерения по единому алгоритму направлений и скоростей движения РИО, перемещающихся в пространстве в произвольных направлениях и с переменной высотой полета, а также построение траекторий совокупности РИО, движущихся в пределах контролируемого сектора со всеми возможными курсовыми углами и углами пикирования (кабрирования).

Предлагаемое изобретение не известно в современной радиотехнике, а также не известны источники информации, содержащие сведения об аналогичных технических решениях, имеющих признаки, сходные с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, а также имеющих свойства, совпадающие со свойствами заявляемого решения, поэтому можно считать, что оно обладает существенными отличиями, вытекает из них неочевидным образом и, следовательно, соответствует критериям «новизна» и «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами:

фигура 1 - траектория объекта и ее проекция на горизонтальную плоскость х0у в декартовой системе координат;

фигура 2 - геометрии задачи в сферической системе координат с использованием наклонной плоскости;

фигура 3 - сферический прямоугольный треугольник на небесной сфере;

фигура 4 - схема электрической структурной системы, реализующей предложенный способ.

При реализации предложенного способа выполняется следующая последовательность операций.

1. Используют цифровую антенную решетку (ЦАР) или антенную решетку с цифровой обработкой сигналов, в каналы антенного полотна (АП) которой входят антенные элементы, малошумящие усилители (МШУ) и АЦП. Формируют в заданной области пространства, применяя на раскрыве антенной решетки весовую функцию W(x, у) Хэмминга, моноимпульсную группу лучей с общим фазовым центром, смещенных на оптимальные углы

по азимуту и

по углу места от РСН, и ПХ амплитудной суммарно-разностной системы с рабочими зонами Δβ_ПХ по азимуту и Δε_ПХ по углу места, линейные на всей ширине моноимпульсной группы лучей за счет специально выбранных углов смещения лучей β_см и ε_см [7 - Джиоев А.Л., Яковленко В.В. Устранение методической ошибки измерения угловых координат цели в обзорном амплитудном суммарно-разностном цифровом пеленгаторе на базе ФАР // Общие вопросы радиоэлектроники. Ростов-на-Дону: ФГУП «РНИИРС». 2015. Вып. 1. С. 47-57].

2. Разбивают заданную область обзора пространства (телесный угол) на участки размером Δβ_ПХ по азимуту и Δε_ПХ по углу места и, последовательно устанавливая РСН моноимпульсной группы лучей в центры этих участков, осуществляют обзор упомянутой области.

3. Принимают сигналы РИО в течение интервала наблюдения на каждом участке разбиения (фиг. 1), где объект движется равномерно и прямолинейно (в случае движения РИО по криволинейной траектории осуществляют, как представлено на фиг. 1, ее кусочно-линейную аппроксимацию), анализируют заданный диапазон частот, при наличии сигналов РИО констатируют обнаружение всей совокупности

объектов в упомянутой области обзора и определяют параметры их сигналов - ширину и среднюю частоту спектра, а также вид модуляции.

4. Измеряют и запоминают для каждого из обнаруженных объектов значения отсчетов угловых координат, вычисляемых относительно равносигнальных направлений путем решения линейных уравнений

и

,

где

и

- коэффициенты линейных частей разложений пеленгационных характеристик в ряды Маклорена как функций углов β_см и ε_см;

и

- сигналы угловых рассогласований с выходов угловых дискриминаторов.

5. Селектируют, используя данные об измеренных параметрах и угловых координатах, N объектов (из совокупности М), избранных для автосопровождения.

6. Сглаживают значения измеренных УК каждого объекта с помощью фильтров автосопровождения, представляя их в виде усредненных зависимостей

,

, где

- номер наблюдаемого объекта.

7. Формируют для приема сигналов избранных объектов дополнительно N одиночных лучей, наведение которых по угловым координатам осуществляется управляющими сигналами, сформированными на основании данных об УК сопровождаемых РИО.

8. Параллельно принимают и обрабатывают сигналы РИО по N лучам, восстанавливают, зная вид модуляции, несущие частоты ƒ_Hn принятых сигналов, измеряют и запоминают значения их отсчетов, сглаживают и представляют результаты в виде усредненных зависимостей

9. Интерполируют усредненные угловые зависимости

и

, а также усредненную зависимость

, получая непрерывные функции β(t), ε(t) и ƒ_H(t), причем здесь и далее индекс n наблюдаемого объекта не указывается - расчет проводят для каждого из N объектов.

10. Построение траектории движения каждого объекта производят на вспомогательной наклонной плоскости 0А₁А_К, проходящей через прямолинейный участок траектории в пространстве (точки А₁…А_К) и лежащую вне траектории точку наблюдения. Считают, что положение РИО в сферической системе координат (фиг. 2) определяется текущими значениями:

- наклонной дальности D_k, проекцией которой на горизонтальную плоскость является горизонтальная дальность d_k;

- азимута β_k, отсчитываемого против часовой стрелки (при наблюдении сверху) от основного направления, совпадающего с направлением оси 0х, до линии горизонтальной дальности d_k;

- угла места ε_k между наклонной и горизонтальной дальностями;

- пространственного курсового угла γ_k, отсчитываемого на наклонной плоскости A₀0A_k против часовой стрелки от вектора скорости до наклонной дальности D_k;

- угла Ψ пикирования (кабрирования) между вектором скорости V и ее горизонтальной проекцией V_Г.

11. Вычисляют на упомянутой наклонной плоскости, для произвольно выбранных точек участка траектории, обозначенных как А₁, А₂, … A_k, где

- номера точек, в моменты времени t=t₂, t₃, … t_k, углы c_k,1, каждый из которых является гипотенузой сферического прямоугольного треугольника с катетами Δβ_k,1 и Δε_k,1 [8 - Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М., 1974. 832 с, стр. 53], лежащими на линиях координат азимута и угла места (фиг. 3), равен угловому размеру проекции на небесную сферу пути объекта за время Δt_k,1=t_k-t₁ и определяется как

где

Δβ_k,1=(β_k-β₁)⋅cos[min(ε_k, ε₁)];

Δε_k,1=ε_k-ε₁;

β_k=β(t_k);

ε_k=ε(t_k);

12. Извлекают из зависимости ƒ_H(t) объекта значения ƒ_Hk в моменты времени t₁, t₂, … t_k, равные вследствие эффекта Доплера

где ƒ_H0 - значение несущей частоты сигнала наблюдаемого объекта;

ƒ_Дk - доплеровский сдвиг несущей частоты;

V - скорость радиоизлучающего объекта;

γ_k - курсовой угол объекта в момент времени t_k;

λ - длина волны сигнала объекта,

и определяют их приращения на интервалах Δt_2,1 и Δt_3,1 как

13. Вычисляют величину отношения приращений несущей

а затем, вводя обозначение

получают уравнение относительно курсового угла γ₁, решая которое, определяют курсовой угол наблюдаемого объекта на вспомогательной плоскости как

и вычисляют значение модуля вектора скорости объекта

где с=299792458 м/с - скорость распространения электромагнитных волн.

14. Определяют расстояние, пройденное РИО за интервал времени Δt_3,1 под углом с_3,1, как

15. Определяют наклонные дальности до точек А₃ и А₁ как

16. Аналогично определяют углы и расстояния для последующих точек A_k (при k>3) начального участка кусочно-линейной аппроксимации траектории объекта, а также наклонную дальность

до точки А₁ с использованием величин S_k,1 и c_k,1 в виде

17. Вычисляют величину модуля разности дальностей

и производят его сравнение с порогом ΔD, используя для случая

значения γ₁, V, D_k для построения траектории движения РИО на участке А₁-А_К, а для случая

констатируют начало маневра объекта и для дальнейшего построения его траектории на следующем участке кусочно-линейной аппроксимации повторяют аналогичные расчеты по формулам (1)-(13).

После этого осуществляют построение траектории РИО в пространстве на всем интервале наблюдения, используя измеренные и рассчитанные значения УК, дальности, скорости и курсовых углов, при необходимости осуществляя пересчет координат в цилиндрическую или декартовую систему.

Примером реализации предложенного способа является обзорная пассивная однопозиционная моноимпульсная трехкоординатная угломерно-разностно-доплеровская РЛС, структурная схема которой приведена на фиг. 4, где приняты следующие обозначения:

1 - антенное полотно цифровой антенной решетки (АП ЦАР), каналы которого содержат антенные элементы, МШУ и АЦП;

2 - блок умножителей и маршрутизатор потока данных (БУМПД);

3 - диаграммообразующее устройство пеленгатора (ДОУ Пл);

4 - блок обнаружения и измерения параметров сигналов (БОИПС);

5 - устройство управления (УУ);

6 - устройство запоминания отсчетов весовой функции (УЗОВФ);

7 - вычислитель пеленгационной характеристики (ВПХ);

8 - вычислитель оптимального угла смещения максимумов ДН МГЛ от РСН и коэффициентов разложения функции, описывающей ПХ (ВУСКР);

9₁, …, 9_N - блоки автосопровождения по угловым координатам (БАСУК);

10₁, …, 10_N - диаграммообразующие устройства каналов приема сигналов (ДОУ Пр);

11₁, …, 11_N - устройства приема и восстановления несущих частот (УПВН);

12₁, …, 12_N - вычислители приращений несущих частот (ВПНЧ);

13₁, …, 13_N - вычислители углов на наклонных плоскостях (ВУНП);

14₁, …, 14_N - вычислители курсовых углов, скоростей и наклонных дальностей (ВКУСД);

15 - устройство синхронизации (УС);

16 - построитель траекторий (ПТ) РИО.

Использованы сокращения: СУ - сигналы управления, КУ - команды управления МГЛ, ВМ - вид модуляции, ИД - исходные данные, УК - угловые координаты.

Обзорная пассивная однопозиционная моноимпульсная трехкоординатная угломерно-разностно-доплеровская РЛС содержит (фиг. 4) антенное полотно цифровой антенной решетки АП ЦАР 1, в которое входят антенные элементы, МШУ и АЦП, и последовательно соединенный с ним линиями 1…G блок умножителей и маршрутизатор потока данных БУМПД 2. Первый выход БУМПД 2 подключен ко входу потока данных (ПД) диаграммообразующего устройства пеленгатора ДОУ Пл 3, первый (суммарный) выход которого соединен со входом БОИПС 4, выход которого подключен к первому входу УУ 5, к шестому входу которого подключен первый выход УЗОВФ 6, подключенный также к первому входу ВПХ 7. Второй выход УЗОВФ 6 соединен со вторым входом ВПХ 7, выход которого соединен со входом ВУСКР 8, а выход ВУСКР 8 подключен к седьмому входу УУ 5. Второй выход ДОУ Пл 3 (разностный) соединен со вторым входом УУ 5, шестой и седьмой выходы которого подключены ко входам соответственно БАСУК 9_N и БАСУК 9₁.

Второй…N-й выходы БУМПД 2 подключены ко входам ПД соответственно ДОУ Пр 10₁ и ДОУ Пр 10_N, выходы которых соединены с первыми входами УПВН 11₁ и УПВН 11_N.

Первый выход УУ 5 соединен с отдельным управляющим входом БУМПД 2, а второй и третий выходы УУ 5 - соответственно с первым и вторым отдельными входами ДОУ Пл 3. Четвертый выход УУ 5 подключен к отдельному входу ДОУ Пр 10_N, а десятый выход УУ 5 - к отдельному входу ДОУ Пр 10₁, причем выходы ДОУ Пр 10₁ и ДОУ Пр 10_N соединены с первыми входами соответственно УПВН 11₁ и УПВН 11_N, ко вторым входам которых подключен пятый выход УУ 5.

В состав РЛС вновь введены блоки ВПНЧ 12₁ … ВПНЧ 12_N, ВУНП 13₁ … ВУНП 13_N ВКУСД 14₁ … ВКУСД 14_N, УС 15 и ПТ 16. При этом к первым входам ВПНЧ 12₁ и ВПНЧ 12_N подключены выходы соответственно УПВН 11₁ и УПВН 11_N, а ко вторым входам ВПНЧ 12₁ и ВПНЧ 12_N подключен второй выход УС 15. Выход БАСУК 9₁ подключен к первому входу ВУНП 13₁ и третьему входу УУ 5, а выход БАСУК 9_N - к первому входу ВУНП 13_N и четвертому входу УУ 5. Выходы ВПНЧ 12₁ и ВПНЧ 12_N подключены к первым входам соответственно ВКУСД 14₁ и ВКУСД 14_N, ко второму входу ВКУСД 14₁ подключен выход ВУНП 13_N, а ко второму входу ВКУСД 14_N - выход ВУНП 13₁. Восьмой выход УУ 5 соединен со входом УС 15, первый выход которого подключен ко второму входу ВУНП 13_N, а второй выход УС 15 - дополнительно ко второму входу ВУНП 13₁ и к третьим входам ВКУСД 14₁ и ВКУСД 14_N.

Выходы ВКУСД 14₁ и ВКУСД 14_N подключены соответственно к первому и второму входам ПТ 16, к третьему входу которого подключен девятый выход УУ 5. Выход ПТ 16 подключен к пятому входу УУ 5, одиннадцатый выход которого соединен со входом УЗОВФ 6, а двенадцатый выход - с третьим входом ВПХ 7. Тринадцатый выход УУ 5 является выходом системы.

РЛС работает следующим образом. После включения электропитания антенные элементы цифровой антенной решетки из состава АП ЦАР 1 принимают радиосигналы РИО, приходящие из заданной области обзора пространства (телесного угла), которые далее усиливаются, преобразуются на промежуточную частоту и подвергаются аналого-цифровому преобразованию. С выходов АП ЦАР 1 отсчеты смеси сигналов РИО и шумов поступают на входы блока умножителей и маршрутизатор потока данных БУМПД 2, где осуществляется их весовая обработка путем умножения на отсчеты функции W(x,y) Хэмминга, которые поступают в БУМПД 2 с первого выхода устройства управления УУ 5. Эти отсчеты извлекаются из устройства запоминания отсчетов весовой функции УЗОВФ 6 (выход 1) по команде, поступающей в УЗОВФ 6 из устройства УУ 5 (выход 11).

С выходов шины БУМПД 2 потоки данных поступают на диаграммообразующее устройство пеленгатора ДОУ Пл 3 и на диаграммообразующие устройства каналов приема сигналов ДОУ Пр 10₁ … ДОУ Пр 10_N. В ДОУ Пл 3 формируют моноимпульсную группу лучей с общим фазовым центром, состоящую из двух пар смещенных на углы β_см и ε_см парциальных лучей в азимутальной и угломестной плоскостях и суммарного луча. Углы β_см и ε_см определяются путем предварительного моделирования процесса приема и обработки сигналов амплитудного суммарно-разностного пеленгатора, с использованием задаваемых параметров ЦАР, в вычислителях ВПХ 7 и ВУСКР 8, откуда они поступают на седьмой вход УУ 5. После этого в вычислителях ВПХ 7 и ВУСКР 8 производится расчет рабочих зон Δβ_ПХ по азимуту и Δε_ПХ по углу места, в пределах которых обеспечивается линейность пеленгационных характеристик с ошибкой, не превышающей 0,01 ширины ДН по уровню половинной мощности, и коэффициентов

и

линейных частей разложений ПХ в ряды Маклорена.

Далее в устройстве управления УУ 5 формируются сигналы управления СУ и наборы фазовых распределений W, использование которых позволяет с помощью ДОУ Пл 3 осуществить обзор заданной области пространства за счет последовательной установки РСН МГЛ в центры рабочих зон Δβ_ПХ и Δε_ПХ. В процессе обзора принимают сигналы РИО по суммарному каналу, и в БОИПС 4 производят спектральный анализ заданного диапазона частот, обнаружение всей совокупности М сигналов РИО и измерение в течение интервала наблюдения на каждом участке разбиения их параметров: значений средних частот спектра, ширины спектров и видов модуляции сигналов. В ДОУ Пл 3 для каждого из обнаруженных сигналов осуществляют определение значений отсчетов относительно РСН угловых координат Δβ_m и Δε_m путем решения линейных уравнений

и

,

где

и

- сигналы угловых рассогласований с выходов угловых дискриминаторов.

Полученные данные передают в УУ 5, где на их основе селектируют N объектов (из совокупности М), избранных для автосопровождения, и вычисляют значения их УК в виде сумм

β_{тек n}(t_i)=β_{РСН n}+Δβ_n,

ε_{тек n}(t_i)=ε_{PCH n}+Δε_n,

где

- номер наблюдаемого объекта.

Полученные значения угловых координат сглаживаются в блоках автосопровождения по угловым координатам БАСУК 9₁ и БАСУК 9_N, а затем вновь поступают в УУ 5, где по их усредненным значениям

,

, формируются наборы фазовых распределений полей в раскрыве ЦАР, которые используются в диаграммообразующих устройствах каналов приема сигналов ДОУ Пр 10₁ … ДОУ Пр 10_N для формирования N одиночных ДН приема сигналов выбранных объектов. Отсчеты смеси сигналов РИО и шумов с выходов ДОУ Пр 10₁ и ДОУ Пр 10_N поступают в устройства приема и восстановления несущих частот УПВН 11₁ … УПВН 11_N, в которых осуществляют их согласованную с видом спектра фильтрацию и восстанавливают на основе известного вида модуляции, а затем фильтруют с помощью систем фазовой автоподстройки частоты их несущие частоты, образуя усредненные зависимости

.

Далее, считая движение сопровождаемых объектов на интервале времени Δt_k,1=t_k-t₁ равномерно-прямолинейным со всеми возможными курсовыми углами и углами пикирования (кабрирования), для каждого РИО в вычислителях углов на наклонных плоскостях ВУНП 13₁ … ВУНП 13_N определяются, под управлением устройства синхронизации УС 15, с использованием формулы (1), углы c_k,1, каждый из которых является гипотенузой сферического прямоугольного треугольника с катетами Δβ_k,1 и Δε_k,1 и равен угловому размеру проекции на небесную сферу пути объекта за время Δt_k,1=t_k-t₁, а в вычислителях приращений несущих частот ВПНЧ 12₁ … ВПНЧ 12_N - значения на тех же интервалах времени приращений несущих Δƒ_Hk,1 по формуле (3), обусловленные эффектом Доплера.

Результаты расчетов величин углов c_k,1 и приращений несущих Δƒ_Hk,1 поступают в вычислители курсовых углов, скоростей и наклонных дальностей ВКУСД 14₁ … ВКУСД 14_N, в которых осуществляются в соответствии с формулами (4), (6-10) расчеты курсовых углов γ_1,1, γ_1,N, модулей векторов скорости V_1,N объектов и наклонных дальностей D_1,1, D_1,N-D_k,1, D_k,N.

Значения углов γ_1,N, скоростей V_1,N и текущих дальностей D_k,N, а также значения угловых координат β_N(t), ε_N(t) используются в построителе траекторий ПТ 16 для отображения траекторий движения РИО в пространстве на участках ее кусочно-линейной аппроксимации.

Одновременно с расчетами текущих значений дальностей D_k,N в ВКУСД 14₁ … ВКУСД 14_N производится расчет по формуле (11) наклонной дальности до начальной точки участка аппроксимации

с использованием текущих значений времени и углов c_k,1.

В построителе траекторий ПТ 16 вычисляются величины модулей разностей дальностей

и производится их сравнение с порогом ΔD, используя для случая

значения γ_1,N, V_N, D_k,N для построения траектории движения РИО в течение времени Δt_k,1=t_k-t₁, а для случая

констатируют начало маневра объекта, и для дальнейшего построения его траектории на следующем участке кусочно-линейной аппроксимации производят расчеты по формулам (1)-(13) новых значений параметров движения объектов.

В процессе сеанса наблюдения осуществляется построение траекторий РИО в пространстве в течение всего времени наблюдения их сигналов и выдача данных потребителям о параметрах сигналов и параметрах движения РИО.

Для оценки точностных характеристик предложенного способа в зависимости от точностей измерений совокупности первичных параметров сигналов РИО и параметров движения объектов (несущих частот и их доплеровских приращений, УК и их приращений, времени) в Ростовском-на-Дону НИИ радиосвязи проведено математическое моделирование процессов, обеспечивающих достижение конечного результата. Этим результатом является измерение направлений и скоростей РИО, а также их наклонных дальностей и траекторий движения предложенным способом обзорной пассивной однопозиционной моноимпульсной трехкоординатной угломерно-разностно-доплеровской локации. При этом предполагалось, что:

- объекты движутся в контролируемой области пространства по произвольным направлениям равномерно и прямолинейно (в случае движения РИО по криволинейным траекториям осуществляется их кусочно-линейная аппроксимация) с любыми курсовыми углами и углами пикирования (кабрирования);

- энергии излучаемых РИО сигналов достаточно для решения задач обнаружения и измерения их параметров, а также УК объектов с малыми ошибками;

- пересчет параметров движения РИО в угловые координаты на наклонной плоскости и обратно не вносит дополнительных ошибок;

- оценка точности способа производится на основе статистического анализа ансамбля траекторий, совпадающих с прямолинейной траекторией, но в каждой точке мгновенные курсы и скорости, определяющие значения сдвигов несущих частот, распределены по нормальному закону.

В процессе моделирования сначала производился расчет точных (модельных) значений параметров движения РИО в сферической системе координат. Затем рассчитывались параметры движения объекта по формулам предложенного способа, производилось их усреднение по ансамблю траекторий и определялись среднеквадратические значения ошибок измерений курсовых углов, скорости и наклонных дальностей до объекта путем сравнения их модельных и рассчитанных значений.

В результате моделирования установлено, что при ошибках измерения:

- угловых координат, равных 2 угловым минутам,

- частоты, равных 1,0 Гц,

- времени, равных 10^-6 с,

относительные величины ошибок измерений курсового угла γ, скорости движения V и наклонной дальности D соответственно равны

.

Предложенный способ локации и реализующая его однопозиционная пассивная РЛС надежно функционируют в условиях приема флюктуирующих сигналов при достаточном отношении сигнал/шум (порядка 12-15 дБ), так как флюктуации влияют лишь на характеристики обнаружения и точность измерения энергетических параметров.

Реализация способа и устройства на его основе не встречает затруднений при современном уровне развития радиотехники и устройств цифровой обработки сигналов. Возможность реализации предложенного способа обеспечивает ему критерий «промышленная применимость».

Таким образом, использование предложенного способа обеспечивает, по сравнению с прототипом, следующие технико-экономические эффекты:

- обеспечена возможность измерения по единому алгоритму направлений движения, скоростей и траекторий РИО, перемещающихся в пространстве в произвольных направлениях с переменной высотой полета;

- достигнута возможность селекции объектов по совокупности параметров «скорость - угловые координаты»;

- обеспечена работоспособность способа и устройства при приеме сложных частотно-фазо-модулированных сигналов;

- при ошибках измерения УК, равных 2 угловым минутам, и частоты, равных 1,0 Гц, а также времени, равных 10^-6 с, относительные величины ошибок измерений курсового угла γ, скорости движения V и наклонной дальности D составляют

.

Claims (54)

1. Способ обзорной пассивной однопозиционной моноимпульсной трехкоординатной угломерно-разностно-доплеровской локации перемещающихся в пространстве радиоизлучающих объектов, при котором
2. используют цифровую антенную решетку или антенную решетку с цифровой обработкой сигналов, формируют в пространстве, применяя на раскрыве антенной решетки весовую функцию Хэмминга, моноимпульсную группу лучей с общим фазовым центром и пеленгационные характеристики с рабочими зонами Δβ_пх по азимуту и Δε_пх по углу места, линейные на всей ширине моноимпульсной группы лучей за счет специально выбранных углов смещения лучей β_см и ε_см,
3. разбивают заданную область обзора пространства (телесный угол) на участки размером Δβ_ПХ по азимуту и Δε_ПХ по углу места и, последовательно устанавливая равносигнальное направление моноимпульсной группы лучей в центры этих участков, осуществляют обзор упомянутой области,
4. принимают сигналы радиоизлучающих объектов в течение интервала наблюдения на каждом участке разбиения, анализируют заданный диапазон частот, при наличии сигналов радиоизлучающих объектов констатируют обнаружение всей совокупности

   

   объектов в упомянутой области обзора и определяют параметры их сигналов - ширину и среднюю частоту спектра, а также вид модуляции,
5. измеряют и запоминают для каждого из обнаруженных объектов значения отсчетов угловых координат, вычисляемых относительно равносигнальных направлений путем решения линейных уравнений
6. 
7. и
8. 
9. где

   

   - коэффициенты линейных частей разложений пеленгационных характеристик в ряды Маклорена как функций углов β_см и ε_см;
10. 

    - сигналы угловых рассогласований с выходов угловых дискриминаторов,
11. селектируют, используя данные об измеренных параметрах и угловых координатах, N объектов (из совокупности М), избранных для автосопровождения,
12. сглаживают значения измеренных угловых координат каждого объекта, представляя их в виде усредненных зависимостей

    

    

    где

    

    - номер наблюдаемого объекта,
13. формируют для приема сигналов избранных объектов дополнительно N одиночных лучей, наведение которых по угловым координатам осуществляется управляющими сигналами, сформированными на основании данных об угловых координатах сопровождаемых радиоизлучающих объектов,
14. параллельно принимают и обрабатывают сигналы радиоизлучающих объектов по N лучам, восстанавливают, зная вид модуляции, несущие частоты ƒ_Hn принятых сигналов, измеряют и запоминают значения их отсчетов, сглаживают и представляют результаты в виде усредненных зависимостей

    
15. интерполируют усредненные угловые зависимости

    

    и

    

    а также усредненную зависимость

    

    получая непрерывные функции β(t), ε(t) и ƒ_H(t), причем здесь и далее индекс n наблюдаемого объекта не указывается - расчет проводят для каждого из N объектов,
16. отличающийся тем, что
17. построение траектории движения каждого объекта производят на вспомогательной наклонной плоскости 0A₁A_К, проходящей через прямолинейный участок траектории в пространстве, точки А₁…А_К и лежащую вне траектории точку наблюдения,
18. вычисляют на упомянутой плоскости, для произвольно выбранных точек участка траектории, обозначенных как A_l,A₂,…A_k, где

    

    - номера точек, в моменты времени t=t₂, t₃, …t_k углы c_k,1, каждый из которых является гипотенузой сферического прямоугольного треугольника с катетами Δβ_k,1 и Δε_k,1, лежащими на линиях координат азимута и угла места, равен угловому размеру проекции на небесную сферу пути объекта за время Δt_k,1=t_k-t₁ и определяется как
19. 
20. где Δβ_k,1=(β_k-β₁)⋅cos[min(ε_k,ε₁)];
21. Δε_k,1=ε_k-ε₁;
22. β_k=β(t_k);
23. ε_k=ε(t_k),
24. извлекают из зависимости ƒ_H(t) объекта значения ƒ_Hk в моменты времени t₁, t₂, … t_k, вследствие эффекта Доплера равные
25. 
26. где ƒ_H0 - значение несущей частоты сигнала наблюдаемого объекта;
27. ƒ_Дk - доплеровский сдвиг несущей частоты;
28. V - скорость радиоизлучающего объекта;
29. γ_k - курсовой угол объекта в момент времени t_k;
30. λ - длина волны сигнала объекта,
31. и определяют их приращения на интервалах Δt_2,1 и Δt_3,1 как
32. 
33. 
34. вычисляют величину отношения приращений несущей
35. 
36. а затем, вводя обозначение
37. 
38. получают уравнение относительно курсового угла γ₁, решая которое, определяют курсовой угол наблюдаемого объекта на вспомогательной плоскости как
39. 
40. и вычисляют значение модуля вектора скорости объекта
41. 
42. где с=299792458 м/с - скорость распространения электромагнитных волн,
43. определяют расстояние, пройденное радиоизлучающим объектом за интервал времени Δt_3,1 под углом c_3,1 как
44. S_3,1=VΔt_3,1,
45. определяют наклонные дальности до точек А₃ и А₁ как
46. 
47. 
48. аналогично определяют углы и расстояния для последующих точек A_k, при k>3, начального участка кусочно-линейной аппроксимации траектории объекта, а также наклонную дальность

    

    до точки А₁ с использованием величин S_k,1 и c_k,1 в виде
49. 
50. вычисляют величину модуля разности дальностей

    

    и производят его сравнение с порогом ΔD, используя для случая
51. 
52. значения γ₁, V, D_k для построения траектории движения радиоизлучающего объекта на участке А₁ - А_К, а для случая
53. 
54. принимают решение о начале маневра объекта и для дальнейшего построения его траектории на следующем участке кусочно-линейной аппроксимации повторяют аналогичные расчеты.

Images