RU2720948C1 - Способ измерения угла места воздушного объекта в метровом диапазоне электромагнитных волн с использованием электронной карты местности - Google Patents

Способ измерения угла места воздушного объекта в метровом диапазоне электромагнитных волн с использованием электронной карты местности Download PDF

Info

Publication number
RU2720948C1
RU2720948C1 RU2019140180A RU2019140180A RU2720948C1 RU 2720948 C1 RU2720948 C1 RU 2720948C1 RU 2019140180 A RU2019140180 A RU 2019140180A RU 2019140180 A RU2019140180 A RU 2019140180A RU 2720948 C1 RU2720948 C1 RU 2720948C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signals
normalized
signal
amplitude
real
Prior art date
Application number
RU2019140180A
Other languages
English (en)
Inventor
Иван Павлович Назаренко
Александр Васильевич Щербинко
Евгений Евгеньевич Фенюк
Владимир Иванович Ермошкин
Станислав Борисович Шатковский
Original Assignee
Закрытое акционерное общество Научно-исследовательский центр «РЕЗОНАНС» (ЗАО НИЦ «РЕЗОНАНС»)
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 Закрытое акционерное общество Научно-исследовательский центр «РЕЗОНАНС» (ЗАО НИЦ «РЕЗОНАНС») filed Critical Закрытое акционерное общество Научно-исследовательский центр «РЕЗОНАНС» (ЗАО НИЦ «РЕЗОНАНС»)
Priority to RU2019140180A priority Critical patent/RU2720948C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2720948C1 publication Critical patent/RU2720948C1/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/66—Radar-tracking systems; Analogous systems
    • G01S13/72—Radar-tracking systems; Analogous systems for two-dimensional tracking, e.g. combination of angle and range tracking, track-while-scan radar
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/02—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using radio waves
    • G01S3/74—Multi-channel systems specially adapted for direction-finding, i.e. having a single antenna system capable of giving simultaneous indications of the directions of different signals

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области радиолокации, конкретно к способу измерения угла места (УМ) воздушного объекта (ВО) в метровом диапазоне электромагнитных волн с помощью вертикальной антенной решетки (АР). Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений угловых координат маловысотных ВО в «зоне их нечувствительности θ» при углах места, сравнимых с шириной диаграммы направленности приемной угломестной АР. Способ измерения угла места ВО заключается в приеме с помощью вертикальной N-канальной АР прямых и отраженных от подстилающей поверхности Земли предполья АР радиосигналов ВО, реальных сигналов и массива их квадратур. Перед приемом реальных сигналов формируют массив модельных сигналов, учитывающих размеры АР, поверхность её предполья, данные цифровой карты местности, амплитудные и фазовые коэффициенты Френеля, зависящие от угла места падающей волны и отраженной от Земли. Модельные массивы нормируют по амплитуде и фазе. Затем производят прием и нормировку прямых и отраженных реальных сигналов по N каналам приёмной угломестной АР. Одновременно с амплитудной нормировкой реальных сигналов проводят их фазовую нормировку относительно фазы сигнала заданного элемента АР. Далее производят сравнение нормированного реального сигнала с рассчитанными нормированными значениями модельного сигнала. Далее нормированные модельные массивы сравнивают с нормированным реальным сигналом, принятым АР. В качестве результатов сравнения сигналов выбирают суммы квадратов «невязок»по x- и y-квадратурам и А-амплитудам соответственно. Далее строят нелинейную спектральную функциюпо правилупосле этого на массивенаходят максимальное значение спектраего положениепо угловой координате и принимают решение об измеренном угле местапо правилугде d – принятый размер дискретного шага измерений по углу места. 6 ил.

Description

Область техники. Изобретение относится к области радиолокации, конкретно к способу измерения угла места (УМ) воздушного объекта (ВО) в метровом диапазоне электромагнитных волн с помощью вертикальной антенной решетки (АР).
Уровень техники. Известны способы измерения УМ воздушного объекта (ВО) с помощью вертикальной АР /RU 2317566, RU 2038607, RU 2307375, RU 2615491, RU 2630686, RU 2649899, RU 2697662, RU 2291464/.
Наиболее близким к заявляемому изобретению относится способ измерения угла места воздушного объекта /RU 2291464/ с помощью вертикальной АР при наличии отражений принимаемого эхосигнала от земной поверхности, выбранный в качестве прототипа изобретения.
Известный способ измерения угла места /RU 2291464/ воздушного объекта, заключается в приеме с помощью вертикальной N-канальной АР прямых и отраженных от подстилающей поверхности Земли массива квадратур
Figure 00000001
и
Figure 00000002
принятого многоканального радиосигнала от ВО и от предполья АР.
Далее в известном способе /RU 2291464/ производят пространственную фильтрацию на основе комплексного сопряжения суммы принятого от цели эхосигнала и его отражения от подстилающей поверхности, модельно приближенной к реальному рельефу земной поверхности позиции – предполья АР. При этом пространственную фильтрацию осуществляют в соответствии с весовыми комплексными коэффициентами, которые определяются с привлечением априорной информации, содержащейся в цифровых картах местности. Численное значение весовых коэффициентов цифровых карт местности пропорционально напряжению, создаваемому на каждом приемном элементе АР волной, отраженной непосредственно от цели и напряжение, создаваемое волной, переотраженной от земной поверхности, учитывающие угол в вертикальной плоскости прихода волны, отраженной непосредственно от цели. Для измерения угла места ВО в /RU 2291464/ используется алгоритм дискретного преобразования Фурье с фиксированным шагом по углу места.
Недостатком известного способа /RU 2291464/ является невозможность измерения УМ целей при предельно малых УМ, в так называемой «зоне нечувствительности» измерения угловых координат ВО даже при наличии ровного предполья. Это связано с тем, что угловой размер θ «зоны нечувствительности» пропорционален ширине диаграммы направленности АР в вертикальной плоскости, и он оценивается:
θ~0,6 λ/D, град, (1)
где:
λ - длина волны, м
D - длина АР, м
В соответствии с выражением (1) численное значение θ «зоны нечувствительности» для прототипа /RU 2291464/ составляет ~ 2 град. Это связано с тем, что в прототипе для измерения угла места ВО используется алгоритм дискретного преобразования Фурье с фиксированным шагом по углу места. С помощью этого алгоритма измерение УМ маловысотных ВО имеет трудности из-за сложной суперпозиции на приемной АР прямых и отраженных от подстилающей поверхности Земли радиосигналов ВО, даже с использованием электронной карты местности.
В конечном итоге, это приводит к неполной компенсации ошибок в «зоне нечувствительности». Решение этой проблемы особенно важно в диапазоне метровых волн.
Технической проблемой, решаемой изобретением, является решение проблемы измерения угловых координат маловысотных ВО в условиях наличия на приемной АР прямых и отраженных от подстилающей поверхности Земли радиосигналов ВО.
Техническим результатом изобретения является решение проблемы измерения угловых координат маловысотных ВО в «зоне их нечувствительности θ» при углах места, сравнимых с шириной диаграммы направленности приемной угломестной АР, а также повышение точности измерений при углах места ВО, превышающих θ град.
Сущность изобретения
Решение указанной технической проблемы и достижения заявленного технического результата обеспечивается тем, что способ измерения угла места воздушного объекта состоит в приеме с помощью вертикальной N-канальной АР многоканального массива квадратур
Figure 00000001
и
Figure 00000002
прямых и отраженных от подстилающей поверхности Земли радиосигналов воздушного объекта (ВО).
Новым в изобретении является следующие отличительные признаки:
Отличие 1. Принятый многоканальной АР массив квадратур прямого и отраженного от Земли сигналов
Figure 00000001
и
Figure 00000002
, сначала подвергают амплитудной нормировке по N каналам приёмной угломестной АР из условий:
Figure 00000003
, (2)
Figure 00000004
, (3)
Figure 00000005
, (4)
Figure 00000006
, (5)
где:
Figure 00000007
– x-квадратура нормированного реального сигнала;
Figure 00000008
– y-квадратура нормированного реального сигнала;
Figure 00000009
– амплитуда нормированного реального сигнала;
Figure 00000010
– средние значение амплитуды сигналов на
Figure 00000011
элементах угломестной АР;
Figure 00000012
– порядковый номер приемного элемента АР;
Figure 00000013
– общее количество приемных элементов вертикальной АР.
Отличие 2. Одновременно с амплитудной нормировкой реальных принятых многоканальных сигналов проводят их фазовую нормировку относительно фазы сигнала заданного элемента по правилам:
Figure 00000014
, (6)
Figure 00000015
, (7)
Figure 00000016
, (8)
Figure 00000017
.
Отличие 3. Сравнение нормированного по амплитуде и фазе принятого многоканального реального сигнала проводят с заранее рассчитанными значениями модельного сигнала с заданными коэффициентами
Figure 00000018
,
Figure 00000019
Френеля отражения предполья АР в заданном диапазоне УМ, с заданным шагом по УМ.
Отличие 4. Многоканальный модельный сигнал, характеризующий предполье АР и его
Figure 00000020
,
Figure 00000021
амплитудные и фазовые коэффициенты Френеля в зависимости от угла места падающей волны, отраженной от предполья, рассчитывают по правилу:
Figure 00000022
)), (1)
Figure 00000023
)), (2)
Figure 00000024
Figure 00000025
– первая квадратура модельного сигнала;
Figure 00000026
– вторая квадратура модельного сигнала;
Figure 00000017
– номер индекса по антенным элементам;
Figure 00000027
– номер индекса по углу места;
Figure 00000028
– волновое число, 1/м;
Figure 00000029
рабочая частота, МГц;
Figure 00000030
– длина волны на рабочей чистоте, м;
Figure 00000031
высоты антенных элементов над землей, м;
d
Figure 00000032
принятый размер дискретного шага измерений по УМ, град;
Figure 00000033
,
Figure 00000034
амплитудные и фазовые коэффициенты Френеля в зависимости от угла места падающей волны, отраженной от предполья.
Figure 00000035
=
Figure 00000036
– дополнительный амплитудный множитель, характеризующий степень неровности поверхности Земли от точки формирования отраженного луча по реальному значению рельефа предполья АР;
Figure 00000037
– данные цифровой карты местности, где b и d азимут и дальность до точки отражения для каждого из лучей, ориентированных по кругу в азимутальной плоскости с угловым шагом 1-2 град, и градуированных по дальности измерения рельефа поверхности с шагом не более 200 м и не менее 50 точек измерений;
Figure 00000038
=
Figure 00000039
– дополнительный фазовый множитель, характеризующий расстояние от точки стояния АР до точки формирования отраженного луча;
Отличие 5. Полученные модельные массивы
Figure 00000040
,
Figure 00000041
модельных сигналов нормируют по амплитуде с помощью условий:
Figure 00000042
, (11)
Figure 00000043
, (12)
Figure 00000044
, (13)
Figure 00000045
; (14)
Отличие 6. Полученные массивы
Figure 00000040
,
Figure 00000041
модельных сигналов после амплитудной нормировки нормируют по фазе с помощью правил:
Figure 00000046
, (15)
Figure 00000047
, (16)
Figure 00000048
, (17)
Figure 00000049
;
Отличие 7. Сравнение нормированные по амплитуде и фазе принятых и модельных многоканальных сигналов проводят по условию их невязки между собой.
Отличие 8. В качестве критериев невязки используют суммы квадратов «невязок»:
Figure 00000050
по x-квадратурам»,
Figure 00000051
− по y-квадратурам,
Figure 00000052
− по А-амплитудам, рассчитанные по правилам:
Figure 00000053
, (18)
Figure 00000054
, (19)
Figure 00000055
, (20)
Отличие 9. Построение по найденным значениям суммы квадратов «невязок»
Figure 00000056
,
Figure 00000057
,
Figure 00000058
нелинейной спектральной функции
Figure 00000059
по правилу:
Figure 00000060
. (21)
Отличие 10. На массиве
Figure 00000061
проводят поиск максимального значения
Figure 00000062
спектра и его положение
Figure 00000062
по угловой координате принимают за истинное положение угла места ВО по правилу:
Figure 00000063
, (22)
Figure 00000024
d
Figure 00000032
принятый размер дискретного шага измерений по УМ, град.
Обоснование достижения заявленного технического результата.
Амплитудная нормировка (отличие 1) принятого массива квадратур сигналов
Figure 00000064
и
Figure 00000065
, многоканального сигнала, принятого одновременно всеми N всеми приемными каналами угломестной АР, относительного амплитуды заданного антенного элемента АР, например, нижнего нулевого элемента, а также одновременная фазовая их нормировка (отличие 2) относительно фазы сигнала соответствующего элемента АР амплитудной нормировки. Это, в свою очередь, позволяет производить адекватную оценку квадратур сигналов, отраженных от ВО и от постилающей поверхности АР на каждом периоде повторения зондирующих сигналов, после сжатия принятого многоканального сигнала по дальности или после суммирования на интервале когерентного накопления.
Сравнение (отличие 3) нормированного по амплитуде и фазе принятого многоканального сигнала с заранее рассчитанными значениями модельного сигнала с заданными коэффициентами отражения Френеля
Figure 00000033
,
Figure 00000066
предполья АР в заданном диапазоне УМ, с заданным шагом по УМ позволяют учесть искажения, вносимые предпольем АР, в принятый ей многоканальный сигнал.
Расчёт (отличие 4) модельного сигнала с учетом отражающих характеристик предполья АР, включая его
Figure 00000033
,
Figure 00000034
амплитудные и фазовые коэффициенты Френеля, с учетом текущих изменения угла места прямой падающей волны и переотраженной от предполья АР в процессе полета ВО, с учетом размеров антенны и частоты зондирующих сигналов позволяют учесть искажения, вносимые не только предпольем АР, но и траекторией движения ВО и параметрами зондирующего сигнала.
Амплитудная нормировка (отличие 5) и фазовая (отличие 6) модельных сигналов позволяют обеспечить адекватную сравнительную оценку (отличие 7) с соответствующими нормированными значениями принятого многоканального сигнала АР по условию их невязки между собой.
Использование в качестве критериев невязки (отличие 8) суммы квадратов «невязок»:
Figure 00000050
по x-квадратурам»,
Figure 00000051
− по y-квадратурам,
Figure 00000052
− по А-амплитудам позволяют сформировать (отличие 9) функцию
Figure 00000061
спектра принятого многоканального сигнала, а также нахождение на спектре
Figure 00000061
максимального значения спектра
Figure 00000067
(отличие 10), соответствующее точному угломестному местоположения ВО в «зоне θ нечувствительности» АР.
В целом указанные технические преимущества заявленного изобретения позволяют приобрести возможность измерения угла места в «зоне нечувствительности» способа прототипа /RU 2291464/, а выше этой зоны повысить точность измерения УМ в 3-5 раз по сравнению с прототипом.
Ссылка на чертежи.
Сущность изобретения поясняется чертежами, представленными на фиг.1 - 6.
На фиг. 1 представлен рисунок, поясняющий предлагаемый способ измерения угла места ВО с помощью вертикальной фазированной АР.
На фиг. 2 – функциональная схема устройства, реализующая предлагаемый способ измерения угла места ВО.
На фиг. 3 – график зависимости измеренных i1 и реальных i2 значений угла места (
Figure 00000068
) ВО от углового направления
Figure 00000069
во на ВО по предлагаемому способу измерения УМ.
На фиг. 4 – график зависимости измеренных i1, i3 значений угла места (
Figure 00000068
) ВО от углового направления
Figure 00000069
во на ВО по предложенному и известному /RU 2291464/ способу измерения УМ соответственно.
На фиг. 5 – рисунок кругового ровного (ΔH ≤ ᴧ/10) предполья приемной позиции радиолокационной станции (РЛС) кругового обзора.
На фиг. 6 – вертикальный разрез, по линии А-А, кругового предполья, представленного на фиг. 4.
На фиг. 1 - 6 обозначены:
1 – вертикальная фазированная антенная решетка (АР);
2 – приемные элементы (полуволновые вибраторы) АР 1;
3 – приемники радиосигналов с цифровым выходом;
4 – блок нормировки принятого сигнала по амплитуде;
5 – блок нормировки сигнала по фазе;
6 – блок расчета и нормировки модельных сигналов
Figure 00000070
,
Figure 00000026
;
7 – блок сравнения нормированных составляющих выборок
Figure 00000064
,
Figure 00000065
и
Figure 00000070
,
Figure 00000026
по критерию их «невязки», построение функции
Figure 00000061
;
8 – блок поиска максимума функции обратной суммам «невязок»;
9 – блок вычислителя угла места (УМ) воздушного объекта (ВО),
Figure 00000071
, град;
10 – предполье перед АР 1 - ровная площадка радиусом не менее 10 км для РЛС метрового диапазона электромагнитных волн;
11 – прямой луч от ВО (между элементами АР 1 разность фаз Δ
Figure 00000066
);
12 – переотраженный от предполья луч ВО;
13 – воздушный объект (ВО);
14 – «зона нечувствительности»;
15 – устройство измерения угловых координат.
Раскрытие сущности изобретения
Изобретение, а именно заявленный способ измерения угловых координат ВО 13 , стал возможен благодаря разработанному авторами методу имитационного моделирования массивов
Figure 00000070
,
Figure 00000041
прямых 11 и переотраженных 12 радиосигналов ВО 13 с характерными для подстилающей поверхности Земли, предполья АР 1, коэффициентами отражения Френеля
Figure 00000033
,
Figure 00000066
в месте расположения АР 1, характеризующими скачок амплитуды и фазы при отражении радиосигнала. Благодаря сравнению массива квадратур принятого сигнала с одним из массивов модельного сигнала - минимальная невязка соответствует искомому УМ. Аналогичная процедура используется для всех ВО.
С учетом описанного выше метода имитационного моделирования массивов
Figure 00000072
,
Figure 00000073
с заданными коэффициентами отражения Френеля для ровного предполья 10, представленного на фиг. 5 - 6, перед началом измерений угловых координат ВО, в заданном диапазоне УМ от 0,1 до 80 град, с заданным шагом d = 0,1 - 0,5 угловых градусов по УМ рассчитывают модель многоканального сигнала (далее модельный сигнал) по правилу:
Figure 00000022
)), (1)
Figure 00000023
)), (2)
Figure 00000024
Figure 00000025
– первая квадратура модельного сигнала;
Figure 00000026
– вторая квадратура модельного сигнала;
Figure 00000017
– номер индекса антенного элемента;
Figure 00000027
– номер индекса по углу места;
Figure 00000028
– волновое число, 1/м;
Figure 00000029
рабочая частота, МГц;
Figure 00000030
– длина волны на рабочей чистоте, м;
Figure 00000031
высоты антенных элементов над землей, м;
d
Figure 00000032
принятый размер дискретного шага измерений по УМ, град;
Figure 00000033
,
Figure 00000034
амплитудные и фазовые коэффициенты Френеля в зависимости от угла места падающей волны, отраженной от Земли;
Figure 00000035
=
Figure 00000036
– дополнительный амплитудный множитель, характеризующий степень неровности поверхности Земли от точки формирования отраженного луча по реальному значению рельефа предполья АР;
Figure 00000037
– данные цифровой карты местности, где b и d азимут и дальность до точки отражения для каждого из лучей, ориентированных по кругу в азимутальной плоскости с угловым шагом 1-2 град, и градуированных по дальности измерения рельефа поверхности с шагом не более 200 м и не менее 50 точек измерений;
Figure 00000038
=
Figure 00000039
– дополнительный фазовый множитель, характеризующий расстояние от точки стояния АР до точки формирования отраженного луча;
Полученные модельные массивы
Figure 00000040
,
Figure 00000041
нормируют по амплитуде с помощью условий:
Figure 00000074
, (3)
Figure 00000075
, (4)
Figure 00000076
, (5)
Figure 00000045
. (6)
Затем нормируют по фазе с помощью правил:
Figure 00000046
, (7)
Figure 00000077
, (8)
Figure 00000078
, (9)
Figure 00000017
.
Сформированные массивы (3 - 9) модельных радиосигналов для предполья АР 10 запоминают и далее используют их при измерении угловых координат ВО 13.
После формирования массивов (3 - 9) модельных радиосигналов в процессе кругового обзора (фиг. 5) 12 воздушного пространства производят прием прямых 11 и отраженных 12 радиосигналов от ВО 13 с помощью вертикальной N-канальной, где N = 8 - 16 приемных элементов 2, антенной решетки (АР) 1 (фиг. 1), высотой 10 - 24 м принимают прямые 11 и отраженные 12 от подстилающей поверхности предполья 10 АР1 радиосигналы воздушного объекта (ВО) 13 (фиг. 1) горизонтальной
Figure 00000001
и вертикальной
Figure 00000002
поляризации.
Далее на основе принятых сигналов измеряют массивы квадратур прямого 11 и отраженного 12 от предполья 10 АР 1. Подвергают их амплитудной нормировке по N каналам приёма из условий:
Figure 00000003
, (10)
Figure 00000004
, (11)
Figure 00000005
, (12)
Figure 00000006
, (13)
где:
Figure 00000007
– x-квадратура нормированного реального сигнала;
Figure 00000008
– y-квадратура нормированного реального сигнала;
Figure 00000009
– амплитуда нормированного реального сигнала;
Figure 00000079
– средние значение амплитуды сигналов на
Figure 00000011
элементах угломестной АР;
Figure 00000012
– порядковый номер приемного элемента АР;
Figure 00000013
– общее количество приемных элементов вертикальной АР.
Одновременно с амплитудной нормировкой реального сигналов проводят их фазовую нормировку относительно фазы сигнала заданного элемента по правилам:
Figure 00000014
, (14)
Figure 00000015
, (15)
Figure 00000016
, (16)
Figure 00000017
.
После амплитудной и фазовой нормировки радиосигналов, принятых элементами 2 АР 1 от ВО 13, производят их сравнение (по амплитуде и фазе) с рассчитанными ранее (1 - 2) и нормированными (3 - 9) модельными радиосигналами.
Результаты сравнения сигналов представляют в виде суммы квадратов «невязок»:
Figure 00000050
по x-квадратурам»,
Figure 00000051
− по y-квадратурам,
Figure 00000052
− по А- рассчитанные по правилам:
Figure 00000080
, (17)
Figure 00000081
, (18)
Figure 00000055
. (19)
Далее по найденным (17 - 19) значениям суммы квадратов «невязок»
Figure 00000056
,
Figure 00000057
,
Figure 00000058
строят нелинейную спектральную функцию
Figure 00000059
по правилу:
Figure 00000060
. (20)
После этого на массиве
Figure 00000061
находят максимальное значение спектра
Figure 00000067
, его положение
Figure 00000062
по угловой координате и принимают решение об измеренном угле места ВО по правилу:
Figure 00000063
, (21),
Figure 00000024
d
Figure 00000032
принятый размер дискретного шага измерений по УМ, град.
Вычисленное значение
Figure 00000068
принимают и регистрируют в качестве текущего реального углового положения ВО 13.
Далее после прихода очередной пачки радиосигналов от ВО 13 процесс измерений текущего угла места
Figure 00000071
ВО 13 повторяется в рамках правил (10-21).
Устройство, реализующее предложенный способ УМ.
Для реализации предложенного способа измерения УМ ВО 13 разработано устройство (фиг. 2), реализующее предлагаемый способ измерения угла места ВО 13.
Указанное устройство содержит последовательно соединенные вертикальную фазированную АР 1, включающую двадцать приемных крестообразных элементов (полуволновых вибраторов) 2. АР 1 установлена на площадке с заранее известными отражательными характеристиками и размерами ровного предполья до 10 км. Выходы вибраторов 2 через приемники 3 радиосигналов с цифровым выходом соединены с блоком 4 принятых амплитудных нормировок квадратур сигнала
Figure 00000001
,
Figure 00000002
. Выход блока 4 соединен с блоком 5 амплитудной и фазовой нормировки составляющих массивов
Figure 00000001
и
Figure 00000002
принятых радиосигналов. Выход блока 5 по нормированным сигналам от ВО 13 и переотраженным от предполья 10 соединен с первым входом блока 7 сравнения. Второй вход блока 7 соединен с выходом блока 6 модельных представлений нормированных массивов
Figure 00000072
,
Figure 00000073
модельных выборок прямых 11 и переотраженных 12 радиосигналов ВО. Блок 6 выполнен с возможностью имитации
Figure 00000072
,
Figure 00000073
, характерных для подстилающей поверхности Земли - предполья 10 АР 1, коэффициентами отражения Френеля в месте расположения АР 1 и в диапазоне вероятных УМ с направления ожидаемого налета ВО 13, а также с заданным шагом дискретизации выборок по УМ. Блок 7 выполнен с возможностью сравнения нормированных составляющих выборок
Figure 00000001
,
Figure 00000002
и
Figure 00000072
,
Figure 00000073
по критериям (17 - 19) их «невязки». Выход блока 7 сравнения соединен с входом блока 8 формирования нелинейной спектральной функции
Figure 00000059
, зависящей от «невязок». Блок 8 выполнен в виде вычислителя функции в соответствии с выражением (20). Выход блока 8 соединен с входом вычислителя 9 угла места (УМ) воздушного объекта (ВО). Вычислитель 9 выполнен с возможностью поиска спектральной функции
Figure 00000059
как функции «невязок» и расчета истинного значения
Figure 00000069
изм, град угла места ВО 13 из выражения (21). Измеренное значение угла места ВО 13
Figure 00000069
изм =
Figure 00000068
(град) является выходом блока 9.
Работа устройства измерения УМ
Предложенное устройство (фиг. 2) по предлагаемому способу измерения угла места ВО работает следующим образом.
Перед началом работы угломестную приемную антенную решетку (АР) радиолокационной станции (РЛС) устанавливают (фиг. 1) на ровной отражающей электромагнитные волны (ЭМВ) площадке с предпольем 10, размерами L, превышающими не менее чем, в 10 раз размеры зоны Френеля для используемой в РЛС рабочей частоты зондирующих импульсов.
Предполье 10 должно соответствовать площадке с шероховатостью на дальности до 1 км ΔН ≤ ᴧ/10 (фиг. 6), на дальности от 1 км до 10 км ΔL = ᴧ/2, где ᴧ - длина ЭМВ ответных сигналов ВО 13, соответствующей их зеркальному отражению от предполья 10.
После установки АР 1 на местности проводят имитационное моделирование на элементах 2 АР 1 модельных нормированных массивов и
Figure 00000072
,
Figure 00000073
прямых 11 и переотраженных 12 радиосигналов от ВО 13 при различных траекториях и высотах его движения.
Формирование массивов
Figure 00000072
,
Figure 00000073
модельных выборок прямых и переотраженных радиосигналов ВО с характерными для подстилающей поверхности Земли - предполья АР 1 производят в соответствии с выражениями (10 - 11) в диапазоне вероятных УМ со всех направлений ВО 13 по азимуту, а также с заданным шагом дискретизации выборок по УМ. Сформированные массивы
Figure 00000072
,
Figure 00000073
вводят в память блока 6 модельных представлений. В случае необходимости проводят контрольный облет зоны ответственности РЛС для подтверждения достоверности сформированных массивов
Figure 00000072
,
Figure 00000073
.
Далее в процессе обслуживания потоков ВО 13 на вход приемных элементов 2 АР 1 поступает прямые 11 и переотраженные 12 от предполья 10 ответные (эхо) радиосигналы ВО. Принятые радиосигналы с элементов 2 поступают на соответствующие радиоприемники 3 с цифровыми выходами. В радиоприемниках 3 радиосигналы 11 и 12 усиливаются, преобразуются в цифровую форму
Figure 00000001
и
Figure 00000002
и передаются в блок 5 амплитудной и фазовой нормировки. В блоке 5 составляющие массивы
Figure 00000001
и
Figure 00000002
нормируются по амплитуде и фазе относительно нижнего элемента 2 АР 1 в соответствии с выражениями (2 - 6). Нормированные массивы
Figure 00000001
и
Figure 00000002
с блока 5 передаются на первый вход блока 7 сравнения, на второй вход которого поступают нормированные массивы
Figure 00000072
,
Figure 00000073
радиосигналов с блока 6 модельных представлений. В блоке 7 производится сравнение массивов
Figure 00000001
и
Figure 00000002
с соответствующими массивами
Figure 00000072
,
Figure 00000073
по критерию их «невязки» в соответствии с выражениями (17 - 19). Результаты сравнения с блока 7 передаются в блок 8 формирования спектральной функции
Figure 00000059
, зависящей от «невязок». В блоке 7 формируется функция
Figure 00000059
в соответствии с выражением (20) и передается в вычислитель 9 угла места ВО 13. В вычислителе 9 производится поиск максимального значения спектральной функции
Figure 00000059
и расчет истинного значения (
Figure 00000068
, град) угла места ВО 13 из выражения (21). Измеренное значение (
Figure 00000068
, град) угла места ВО 13 является выходом блока 9.
Промышленная применимость.
Изобретение разработано на уровне технического проекта и программного оборудования измерения угла места ВО для РЛС. Проведено опытное испытание предложенного способа измерения угловых координат при следующих параметрах антенного оборудования: количество антенных элементов 2 в АР 1 - 20, высота АР 1 - 40 м, рабочая частота 230 МГц, ширина диаграммы направленности (ДН) ~ 2 град. Результаты испытаний предложенного способа измерений угла места ВО 3 представлены на фиг. 3 и сравнение его с известным способом /RU 2291464/ – на фиг. 4.
Результаты испытаний показали, что в диапазоне УМ 0÷8 град использование предложенного способа (изолиния i1 на фиг. 3) ошибки измерений
Figure 00000071
не превысили 0,1 град., а отношение сигнал/шум ~ 15 дБ,
Результаты сравнения результатов измерений i1 и i3 (фиг.4) по предлагаемому и известному /RU 2291464/ способу соответственно, показывают, что предлагаемый способ имеет более высокие точностные характеристики в «зоне θ нечувствительности». В этой зоне θ = 0÷1,5 град известный способ (линия i3 фиг. 4) численное значение
Figure 00000068
угла места воздушного объекта не измеряет (
Figure 00000068
= 0). В отличие от прототипа /RU 2291464/ у предлагаемого способа (линия i1 фиг. 4) появилась возможность измерения
Figure 00000068
при в «зоне θ нечувствительности» (θ < 2 град). Вне «зоны нечувствительности» θ предложенный способ повышает точность измерения угла места ВО в 3 раз по сравнению с прототипом /RU 2291464/.
По итогам испытаний рекомендуется использование предлагаемого способа измерения угловых координат ВО 13 для стационарных РЛС в диапазоне 30 ÷ 300 МГц.

Claims (38)

  1. Способ измерения угла места воздушного объекта в метровом диапазоне электромагнитных волн с использованием электронной карты местности, заключающийся в приеме с помощью вертикальной N-канальной антенной решетки (АР) прямых и отраженных от подстилающей поверхности Земли предполья АР радиосигналов воздушного объекта (ВО), далее реальных сигналов, и массива их квадратур
    Figure 00000082
    и
    Figure 00000083
    , отличающийся тем, что перед приемом реальных сигналов формируют массив модельных сигналов, характеризующих поверхность предполья АР по правилу:
  2. Figure 00000084
  3. где
    Figure 00000085
    – первая квадратура модельного сигнала;
  4. Figure 00000086
    – вторая квадратура модельного сигнала;
  5. Figure 00000087
    – номер индекса по антенным элементам;
  6. Figure 00000088
    – номер индекса по углу места (УМ);
  7. Figure 00000089
    – волновое число, 1/м;
  8. Figure 00000090
    - рабочая частота, МГц;
  9. Figure 00000091
    – длина волны на рабочей чистоте, м;
  10. Figure 00000092
    - высоты антенных элементов над землей, м;
  11. Figure 00000093
    - принятый размер дискретного шага измерений по УМ, град.;
  12. Figure 00000094
    - амплитудные и фазовые коэффициенты Френеля в зависимости от угла места падающей волны, отраженной от Земли;
  13. Figure 00000095
    – дополнительный амплитудный множитель, характеризующий степень неровности поверхности Земли от точки формирования отраженного луча по реальному значению рельефа предполья АР;
  14. Figure 00000096
    – данные цифровой карты местности, где b и d - азимут и дальность до точки отражения для каждого из лучей, ориентированных по кругу в азимутальной плоскости с угловым шагом 1-2 град., и градуированных по дальности измерения рельефа поверхности с шагом не более 200 м и не менее 50 точек измерений;
  15. Figure 00000097
    – дополнительный фазовый множитель, характеризующий расстояние от точки стояния АР до точки формирования отраженного луча;
  16. полученные модельные массивы
    Figure 00000098
    нормируют по амплитуде с помощью условий:
  17. Figure 00000099
  18. затем нормируют по фазе с помощью правил:
  19. Figure 00000100
  20. после нормировки массива модельных сигналов производят прием и нормировку реальных сигналов прямого и отраженного от Земли сигналов
    Figure 00000101
    и
    Figure 00000102
    по N каналам приёмной угломестной АР из условий:
  21. Figure 00000103
  22. где
    Figure 00000104
    – x-квадратура нормированного реального сигнала АР;
  23. Figure 00000105
    – y-квадратура нормированного реального сигнала;
  24. Figure 00000106
    – амплитуда нормированного реального сигнала;
  25. Figure 00000107
    – средние значение амплитуды сигналов на N элементах угломестной АР;
  26. Figure 00000108
    – порядковый номер приемного элемента АР;
  27. N – общее количество приемных элементов вертикальной АР;
  28. одновременно с амплитудной нормировкой реальных сигналов проводят их фазовую нормировку относительно фазы сигнала заданного, например, нулевого элемента по правилам:
  29. Figure 00000109
  30. далее производят сравнение принятого и нормированного реального сигнала с рассчитанными заранее и нормированными значениями модельного сигнала с заданными коэффициентами отражения Френеля, в заданном диапазоне УМ и с заданным шагом по УМ,
  31. далее нормированные модельные массивы
    Figure 00000110
    сравнивают с нормированным реальным сигналом, принятым АР,
  32. в качестве результатов сравнения сигналов выбирают суммы квадратов «невязок»:
    Figure 00000111
    по x-квадратурам»,
    Figure 00000112
    по y-квадратурам,
    Figure 00000113
    по А-амплитудам рассчитанные по правилам:
  33. Figure 00000114
  34. далее по найденным значениям суммы квадратов «невязок»
    Figure 00000115
    строят нелинейную спектральную функцию
    Figure 00000116
    по правилу
  35. Figure 00000117
  36. после этого на массиве
    Figure 00000116
    находят максимальное значение спектра
    Figure 00000118
    , его положение
    Figure 00000119
    по угловой координате и принимают решение об измеренном угле места
    Figure 00000120
    по правилу
  37. Figure 00000121
  38. где d – принятый размер дискретного шага измерений по УМ, град.
RU2019140180A 2019-12-08 2019-12-08 Способ измерения угла места воздушного объекта в метровом диапазоне электромагнитных волн с использованием электронной карты местности RU2720948C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019140180A RU2720948C1 (ru) 2019-12-08 2019-12-08 Способ измерения угла места воздушного объекта в метровом диапазоне электромагнитных волн с использованием электронной карты местности

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019140180A RU2720948C1 (ru) 2019-12-08 2019-12-08 Способ измерения угла места воздушного объекта в метровом диапазоне электромагнитных волн с использованием электронной карты местности

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2720948C1 true RU2720948C1 (ru) 2020-05-15

Family

ID=70735502

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019140180A RU2720948C1 (ru) 2019-12-08 2019-12-08 Способ измерения угла места воздушного объекта в метровом диапазоне электромагнитных волн с использованием электронной карты местности

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2720948C1 (ru)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3778824A (en) * 1970-08-21 1973-12-11 Thomson Csf Radar system for detecting low-flying objects
RU2038607C1 (ru) * 1992-03-02 1995-06-27 Валентин Борисович Бахвалов Способ измерения угла места маловысотных целей
UA73253C2 (en) * 2004-08-16 2005-06-15 Lviv Scient Res Radio Technica Method for determining the coordinates of an object emitting radio-frequency signals and a device for the realization of the method
RU2291464C2 (ru) * 2005-01-11 2007-01-10 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Нижегородский Научно-Исследовательский Институт Радиотехники" Способ измерения угла места целей при наличии отражений принимаемого эхосигнала от земной поверхности и импульсная наземная трехкоординатная радиолокационная станция для его реализации
RU2307375C1 (ru) * 2006-04-28 2007-09-27 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт измерительных приборов" (ОАО "НИИИП") Способ измерения угла места низколетящей цели и радиолокационная станция для его реализации
CN103293526A (zh) * 2013-05-13 2013-09-11 西安电子科技大学 基于合成导向矢量的波束形成米波雷达测高方法
CN105785337A (zh) * 2016-01-22 2016-07-20 西安电子科技大学 复杂地形下的米波雷达低仰角目标测高方法
RU2630686C1 (ru) * 2016-11-29 2017-09-12 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Способ измерения угла места (высоты) низколетящих целей под малыми углами места в радиолокаторах кругового обзора при наличии мешающих отражений от подстилающей поверхности
RU2667484C1 (ru) * 2017-06-26 2018-09-20 Акционерное общество "Конструкторское бюро "Аметист" Способ определения траектории движения низколетящих целей

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3778824A (en) * 1970-08-21 1973-12-11 Thomson Csf Radar system for detecting low-flying objects
RU2038607C1 (ru) * 1992-03-02 1995-06-27 Валентин Борисович Бахвалов Способ измерения угла места маловысотных целей
UA73253C2 (en) * 2004-08-16 2005-06-15 Lviv Scient Res Radio Technica Method for determining the coordinates of an object emitting radio-frequency signals and a device for the realization of the method
RU2291464C2 (ru) * 2005-01-11 2007-01-10 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Нижегородский Научно-Исследовательский Институт Радиотехники" Способ измерения угла места целей при наличии отражений принимаемого эхосигнала от земной поверхности и импульсная наземная трехкоординатная радиолокационная станция для его реализации
RU2307375C1 (ru) * 2006-04-28 2007-09-27 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт измерительных приборов" (ОАО "НИИИП") Способ измерения угла места низколетящей цели и радиолокационная станция для его реализации
CN103293526A (zh) * 2013-05-13 2013-09-11 西安电子科技大学 基于合成导向矢量的波束形成米波雷达测高方法
CN105785337A (zh) * 2016-01-22 2016-07-20 西安电子科技大学 复杂地形下的米波雷达低仰角目标测高方法
RU2630686C1 (ru) * 2016-11-29 2017-09-12 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Способ измерения угла места (высоты) низколетящих целей под малыми углами места в радиолокаторах кругового обзора при наличии мешающих отражений от подстилающей поверхности
RU2667484C1 (ru) * 2017-06-26 2018-09-20 Акционерное общество "Конструкторское бюро "Аметист" Способ определения траектории движения низколетящих целей

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5460066B2 (ja) Ｖｈｆ／ｕｈｆレーダー局を使用して河川流量パラメータを監視するシステムおよび方法
Lipa et al. Least-squares methods for the extraction of surface currents from CODAR crossed-loop data: Application at ARSLOE
US8077078B1 (en) System and method for aircraft altitude measurement using radar and known runway position
US8378885B2 (en) Device and method for locating a mobile approaching a surface reflecting electromagnetic waves
CN109358325B (zh) 起伏地形背景下雷达高度表的地形反演方法
RU2732505C1 (ru) Способ обнаружения и азимутального пеленгования наземных источников радиоизлучения с летно-подъемного средства
KR101784178B1 (ko) 해양변위 관측용 산란계 시스템
KR102013205B1 (ko) 레이더 신호 처리 모의 장치 및 방법
RU2411538C2 (ru) Способ определения ошибки измерения скорости ла инерциальной навигационной системой и бортовой навигационный комплекс для его реализации
CN103487798A (zh) 一种相控阵雷达测高方法
RU2444757C1 (ru) Устройство для определения координат движущихся целей
RU2711400C1 (ru) Способ местоопределения над земной поверхностью излучателя или пеленгаторных антенн
Ryzhikov et al. Measurement of angular coordinates of point targets in the onboard weather navigation radar based on a multi-channel phased antenna array with an assimetic pattern
RU2569843C1 (ru) Способ формирования трехмерного изображения земной поверхности в бортовой доплеровской рлс с линейной антенной решеткой
Wu et al. Comparison of the observation capability of an X-band phased-array radar with an X-band Doppler radar and S-band operational radar
RU2720948C1 (ru) Способ измерения угла места воздушного объекта в метровом диапазоне электромагнитных волн с использованием электронной карты местности
CN111880168A (zh) 一种基于无源数字阵列雷达的目标定位方法
CN112068133A (zh) 一种多模式微波遥感器散射计模式的系统模拟方法
RU2535174C1 (ru) Способ двухмерного пеленгования воздушного объекта
RU2717823C1 (ru) Способ измерения угла места воздушного объекта в метровом диапазоне электромагнитных волн
RU2768011C1 (ru) Способ одноэтапного адаптивного определения координат источников радиоизлучений
CN104898127A (zh) 一种多发多收合成孔径激光雷达系统及其体制设计方法
CN116008925A (zh) 一种改进的目标雷达截面积估计算法
RU2449312C1 (ru) Панорамный радиолокационный способ определения параметров состояния приповерхностного слоя океана со спутника
RU2686113C1 (ru) Способ амплитудного двухмерного пеленгования