RU2782374C1 - Способ однолучевого определения высотно-скоростных параметров воздушного судна по сигналам когерентного радиовысотомера - Google Patents

Способ однолучевого определения высотно-скоростных параметров воздушного судна по сигналам когерентного радиовысотомера Download PDF

Info

Publication number
RU2782374C1
RU2782374C1 RU2021132656A RU2021132656A RU2782374C1 RU 2782374 C1 RU2782374 C1 RU 2782374C1 RU 2021132656 A RU2021132656 A RU 2021132656A RU 2021132656 A RU2021132656 A RU 2021132656A RU 2782374 C1 RU2782374 C1 RU 2782374C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
aircraft
ddp
maximum contrast
range
hypothesis
Prior art date
Application number
RU2021132656A
Other languages
English (en)
Inventor
Владимир Никитович Антипов
Евгений Евгеньевич Колтышев
Аманбай Аватович Испулов
Алексей Юрьевич Трущинский
Станислав Леонидович Иванов
Владимир Витальевич Мухин
Алексей Юрьевич Фролов
Владимир Тадэушевич Янковский
Сергей Вениаминович Валов
Василий Александрович Буланов
Виталий Валерьевич Соловьев
Сергей Андреевич Мельников
Дмитрий Петрович Седов
Original Assignee
Акционерное общество "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь"
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь" filed Critical Акционерное общество "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь"
Application granted granted Critical
Publication of RU2782374C1 publication Critical patent/RU2782374C1/ru

Links

Images

Abstract

Изобретение относится к радионавигации и может быть использовано для измерения высоты и составляющих скорости воздушного судна (ВС) в радиовысотомерах (РВ) воздушных судов, в том числе и в РВ беспилотных летательных аппаратов. Техническим результатом изобретения является повышение точности и устойчивости однолучевого измерения высоты, путевой и вертикальной скорости ВС над различными видами поверхности. В заявленном способе осуществляют этапы вертикального зондирования земной поверхности, когерентного однолучевого приема отраженного сигнала, нахождения на дальностно-доплеровском портрете (ДДП) кривой максимального контраста nR(kF) двумя независимыми способами по дальности nR и частоте kF, их суммирования с получением результирующей кривой максимального контраста nRΣ(kF); некогерентного суммирования кривых максимального контраста нескольких ДДП и морфологической обработки результирующей кривой максимального контраста с отбрасыванием ложных отсчетов, нахождения оптимальной текущей оценки вектора состояния Xi=(Hi, Vпi, Vвi)T, i - индекс гипотезы о текущей Нi - высоте, Vпi - путевой скорости и Vвi - вертикальной скорости ВС. Оптимальная оценка вектора состояния Xi находится через нелинейную фильтрацию невязки прогнозируемой гипотезы о дальности ВС до кривой максимального контраста Ri(kF, Xi) относительно дальности ВС до результирующей кривой максимального контраста наблюдаемого ДДП nRΣ(kF). При нахождении nRΣ(kF) не учитывают отсчеты кривой максимального контраста, полученные при нахождении положения скачка мощности отраженного сигнала в диапазоне дальностей от
Figure 00000176
до
Figure 00000177
где
Figure 00000176
- минимальная дальность до разрешаемых элементов ДДП, мощность отраженного сигнала от которых превышает порог обнаружения, δR - разрешение зондирующего сигнала по дальности. 1 пр., 4 ил.

Description

Изобретение относится к радионавигации и может быть использовано для измерения высоты и составляющих скорости воздушного судна (ВС).
Достигаемый технический результат - повышение точности и устойчивости однолучевого измерения высоты, путевой и вертикальной скорости ВС над различными видами поверхности.
Изобретение может быть использовано в радиовысотомерах (РВ) воздушных судов, в том числе и в РВ беспилотных летательных аппаратов.
Эффективность существующих на сегодняшний момент автономных малогабаритных радиотехнических навигационных систем, определяемая качеством формируемых оценок параметров полета воздушного судна, в том числе, зависит от типа подстилающей поверхности. При этом в условиях ограничений по масса-габаритным характеристикам и априорной неопределенности типа земной (водной) поверхности, в создаваемых высокоточных системах пилотажно-навигационных комплексов, целесообразно использовать способы однолучевого измерения высоты и составляющих скорости ВС.
Известен способ [1], в котором измеряются путевая и вертикальная скорость ВС по сигналам когерентного РВ. Суть способа заключается в том, что в когерентном радиовысотомере, на основе преобразования Фурье эхо-сигнала, формируется дальностно-доплеровский портрет (ДДП) подстилающей поверхности. Вид этого ДДП P(Vп, Vв, n, kF) зависит от известных характеристик РВ и, в том числе, определяется скоростью полета ВС
Figure 00000001
где Vп - значение путевой скорости ВС;
Vв - значение вертикальной скорости ВС;
n - номер канала дальности;
kF - индекс доплеровского фильтра,
Figure 00000002
N - число когерентно накапливаемых отраженных сигналов, соответствует числу доплеровских фильтров, выполняющих спектральный анализ сигнала;
S0 - нормирующий коэффициент мощности, определяемый характеристиками РВ;
δR - разрешение по дальности;
Т - период когерентного накопления отраженного сигнала;
δF - разрешение по частоте;
λ - длина волны зондирующего сигнала;
β - азимутальная координата разрешаемого элемента поверхности;
Н - высота полета ВС.
На основе сравнения сформированного по эхо-сигналу РВ дальностно-доплеровского портрета с множеством эталонных ДДП (1), рассчитанных для всевозможных значений вертикальной и путевой скорости ВС, оценивают
Figure 00000003
Оценку находят по критерию максимума логарифма функции правдоподобия
Figure 00000004
где
Figure 00000005
- комплексная амплитуда сигнала, отраженная (n, kF) элементом ДДП;
Рш - мощность шума.
Недостатком способа является то, что, во-первых, при ограниченной длительности сеанса излучения РВ флуктуационная ошибка оценок составляющих скорости ВС сильно зависит от типа подстилающей поверхности; во-вторых, способ может быть реализован на БЦВМ в реальном времени только с использованием большого количества вычислительных ресурсов, особенно в условиях априорной неопределенности по высоте полета ВС.
Известен способ [2], в котором определение путевой и вертикальной скорости ВС производится за счет анализа мгновенных значений взаимно-корреляционной функции (ВКФ) отраженного от земной поверхности сигнала между двумя приемными и одной приемопередающей антенной с известной геометрией взаимного расположения. Суть способа заключается в том, что производится излучение приемо-передающей антенной в направлении подстилающей поверхности коротких пачек радиоимпульсов, прием разнесенными на ВС с учетом геометрии антенной системы приемными и приемопередающей антенной отраженных от земной поверхности радиоимпульсов, вычисляются мгновенные значения взаимно-корреляционных функций, между сигналами, принятыми 1-ой, 2-ой и 3-ей антеннами
Figure 00000006
Figure 00000007
где В - количество отсчетов времени в базовом интервале, использующемся при построении ВКФ;
Z - номер отсчета ВКФ, соответствующий 0-й задержке между сигналами;
F12k - ВКФ между сигналами, принятыми на 1-ую и 2-ую антенны;
F23k - ВКФ между сигналами, принятыми на 2-ую и 3-ую антенны;
Figure 00000008
- нормированные сигналы, принятые на 1-ую, 2-ую и 3-ую антенны в моменты времени k;
вычисления положения максимума ВКФ (в относительных единицах) Nt12, Nt23.
По известному взаимному расположению излучающей и приемных антенн Х0, Y0, вычисляют составляющие вектора скорости Vп, Vв
Figure 00000009
Figure 00000010
где τ1, τ2 - транспортная задержка между сигналами, принятыми на 1-ую и 2-ую антенны и 2-ую и 3-ую антенны соответственно,
Figure 00000011
Δt - дискрет построения ВКФ, равный временному шагу оцифровки сигнала;
Недостатками способа являются, во-первых, влияние структуры поверхности на точность измерения и устойчивость работы над спокойной водной поверхностью, во-вторых, большие масса-габаритные характеристики антенной системы устройства, реализующего способ, по сравнению с антенной системой РВ.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ [3] измерения высоты и составляющих скорости ВС, заключающийся в том, что измерение высоты и составляющих скорости ВС происходит за счет вертикального зондирования земной поверхности радиолокационным сигналом через широконаправленную антенну, когерентного приема отраженного сигнала с получением двумерного ДДП местности в координатах дальность-доплеровская частота, первичной оценки высоты воздушного судна как минимальной, усредненной по нескольким измерениям дальности до разрешаемых участков ДДП, превышающих порог обнаружения, нахождения кривой максимального контраста ДДП в координатах дальность-доплеровская частота, уточнения методом итераций гипотезы измеряемых параметров за счет расчета кривой максимального контраста, соответствующей гипотезе, формирования сигнала ошибки кривой максимального контраста гипотезы относительно наблюдаемой кривой максимального контраста ДДП земной поверхности, преобразования сигнала ошибки кривой максимального контраста в сигнал ошибки измеряемых параметров, сложения его с уточняемой гипотезой, повторения итераций и выдачи в режиме слежения оценок
Figure 00000012
высоты, путевой и вертикальной составляющих скорости ВС.
В качестве недостатков способа однолучевого измерения высоты и составляющих скорости воздушного судна, который используется в качестве прототипа, можно выделить следующие:
- флуктуационная ошибка высоты и составляющих скорости ВС сильно зависит от уровня боковых лепестков эхо-сигнала в ДДП, что особенно сильно проявляется над гладкой водной поверхностью;
- в зависимости от высоты ВС число разрешаемых точек поверхности, находящихся на кривой максимального контраста, может оказаться недостаточным для получения оценок высоты и составляющих скорости ВС с допустимой флуктационной ошибкой на допустимой длительности сеанса излучения РВ.
Эти недостатки накладывают ограничения на применение способа, связанные с высотой полета воздушного судна, влияют на устойчивость и точность определения навигационных параметров над различными видами подстилающей поверхности.
Целью изобретения является повышение точности и устойчивости однолучевого измерения высоты, путевой и вертикальной скорости ВС над различными видами поверхности.
Указанный результат достигается за счет:
нахождения кривой максимального контраста двумя независимыми способами по дальности и частоте, их суммирования с получением результирующей кривой максимального контраста;
использования в качестве второго независимого способа нахождения кривой максимального контраста перебор гипотез о положении скачков мощности эхо-сигнала на кривой максимального контраста и нахождение гипотезы, дающей максимум логарифма функционала правдоподобия положения наблюдаемых скачков мощности эхо-сигнала на двух частотах kF1(n) и kF2(n);
некогерентного суммирования кривых максимального контраста нескольких ДДП и морфологической обработки результирующей кривой максимального контраста с отбрасыванием ложных отсчетов;
нахождения оптимальной текущей оценки вектора состояния
Figure 00000013
через нелинейную фильтрацию невязки результирующей наблюдаемой кривой максимального контраста с прогнозируемой кривой максимального контраста, соответствующей предшествующему вектору состояния.
Пояснения к способу измерения высоты и составляющих скорости воздушного судна по сигналам РВ заключаются в следующем. В способе-прототипе оценка высоты, путевой и вертикальной составляющих скорости воздушного судна
Figure 00000014
происходит следующим образом.
Производится вертикальное зондирование земной поверхности РВ пачкой когерентных радиоимпульсов;
Когерентный прием отраженного сигнала, вычисление дальностно-доплеровского портрета земной поверхности
Figure 00000015
в координатах дальность-доплеровская частота (n, kF) на основе спектрального Фурье анализа эхо-сигналов в каждом канале дальности n;
Получение первичной оценки высоты воздушного судна
Figure 00000016
как минимальной, дальности до разрешаемых элементов ДДП, мощность отраженного сигнала от которых превышает порог обнаружения;
Определение номера канала дальности, соответствующего оценке высоты ВС
Figure 00000017
где
Figure 00000018
- операция округления до большего целого.
Определение дисперсии шума
Figure 00000019
и сигнала с шумом
Figure 00000020
в каждом разрешаемом элементе кадра ДДП, исходя из предположения о положении скачка мощности сигнала в канале дальности n=n(kF)
Figure 00000021
где Рпр (n, kF) - средняя мощность сигнала, отраженного разрешаемым элементом сцены с координатами (n, kF),
K - длина реализации полученного в выбранном окне дальностей участка ДДП по дальности, выраженная в числе разрешаемых элементов δR;
Вычисление логарифма функции правдоподобия
Figure 00000022
принятой огибающей амплитуды отраженного сигнала z в канале частоты kF для гипотезы (n, kF) положения скачка мощности в канале дальности n
Figure 00000023
Нахождение положения скачка дисперсии сигнала на ДДП по гипотезе, дающей максимум логарифма функции правдоподобия
Figure 00000024
Построение по результатам определения скачка во всех каналах частоты kF кадра ДДП кривой nR(kF) максимального контраста наблюдаемого ДДП;
Расчет для i-той гипотезы вектора состояния ВС
Figure 00000025
дальности точек кривой максимального контраста Ri(kF, Xi)
Figure 00000026
Значения Ri берутся в диапазоне от первичной оценки канала высоты
Figure 00000027
до положения максимально удаленной точки ДДП, амплитуда которой превышает порог обнаружения.
В качестве исходной гипотезы (i=0) берем высоту
Figure 00000028
в качестве значений путевой Vпi и вертикальной VBi берутся соответствующие центральные значения априорно известных окон.
Находят матрицу-якобиан Di(kF, Xi) размерностью N х 3 для каждого канала частоты kF преобразованием Ri(kF, Xi) - расчетной дальности точек максимального контраста для гипотезы Хi
Figure 00000029
Figure 00000030
Figure 00000031
Figure 00000032
Figure 00000033
Figure 00000034
Находят оптимальную оценку ошибки ΔXi вектора Xi относительно истинного значения
Figure 00000035
Figure 00000036
где Wi - весовая матрица
ϕ - корреляционная матрица шумов
Figure 00000037
Figure 00000038
Figure 00000039
- вектор, описывающий кривую максимального контраста наблюдаемого ДДП;
Figure 00000040
- вектор, описывающий кривую максимального контраста для i-той гипотезы;
Формируют новую (i+1) гипотезу оценки вектора состояния ВС
Figure 00000041
Повтор итераций уточнения вектора оцениваемых параметров Xi до снижения вектора ошибки ΔXi до допустимых значений, переход в режим слежения, выдача потребителю оценки высоты, путевой и вертикальной скорости
Figure 00000042
в режиме слежения.
Предлагаемый способ оценки высоты Н и составляющих скоростей Vп, Vв воздушного судна включает:
Вертикальное излучение зондирующего сигнала через широко направленную антенну радиовысотомера;
Когерентный прием эхо-сигнала и получение двумерного дальность-доплеровского портрета облучаемой местности
Figure 00000043
Получение первичной оценки высоты воздушного судна (ВС)
Figure 00000044
как минимальной, усредненной по нескольким измерениям дальности до разрешаемых элементов ДДП, мощность отраженного сигнала от которых превышает порог обнаружения;
Определение номера канала дальности, соответствующего оценке высоты ВС
Figure 00000045
где δR - разрешение зондирующего сигнала по дальности;
Определение дисперсии шума
Figure 00000046
и сигнала с шумом
Figure 00000047
в каждом разрешаемом элементе кадра ДДП, исходя из предположения о положении скачка мощности сигнала на дальности n=n(kF)
Figure 00000048
где K - длина реализации отселектированного участка ДЦП по дальности, выраженная в числе разрешаемых элементов δR;
Вычисление логарифма функционала правдоподобия
Figure 00000049
принятой огибающей амплитуды отраженного сигнала z на частоте kF для гипотезы (n, kF) положения скачка мощности на дальности n при доплеровской частоте kF для каждого сформированного ДДП
Figure 00000050
Figure 00000051
Нахождение положения скачка дисперсии сигнала на кривой максимального контраста по наблюдаемому ДДП nR(kF) по гипотезе, дающей максимум логарифма функционала правдоподобия
Figure 00000052
Формирование вектора
Figure 00000053
описывающего кривую максимального контраста наблюдаемого ДДП;
Формирование гипотез о векторе состояния ВС
Figure 00000054
- высота, путевая и вертикальные скорости ВС для i - индекс гипотезы. Для исходной гипотезы (i=0) значение высоты H0 берется равным
Figure 00000055
, в качестве значений путевой Vп0 и вертикальной VB0 составляющих скорости ВС берутся соответствующие центральные значения априорно известных окон;
Вычисление для гипотезы вектора состояния ВС
Figure 00000056
дальностей ВС до точек кривой максимального контраста Ri(kF1, Xi)
Figure 00000057
i - индекс гипотезы;
В расчетах Ri берут точки кривой максимального контраста, находящиеся в диапазоне дальностей от первичной оценки канала высоты
Figure 00000058
до положения максимально удаленной точки ДДП (nR,kF), амплитуда которой превышает порог обнаружения;
Формирование вектора кривой максимального контраста для i-той гипотезы
Figure 00000059
Вычисление матрицы-якобиана Di(kF,Xi) i-той гипотезы преобразованием вектора
Figure 00000060
размером N x 3 для каждого канала частоты kF
Figure 00000061
Находят оптимальную оценку ошибки ΔXi вектор-гипотезы Xi относительно истинного значения [5]
Figure 00000062
где Di=Di(kF, Xi),
ϕ - корреляционная матрица шумов измерения дальностей Ri(kF) размерностью N х N,
Figure 00000063
- вектор, описывающий кривую максимального контраста наблюдаемого ДДП;
Формируют новую (i+1) гипотезу оценки вектора состояния ВС
Figure 00000064
Повторяют итерации уточнения вектора оцениваемых параметров Хi до снижения вектора ошибок ΔXi до допустимых значений, переходят в режим слежения, выдают потребителю оценки высоты, путевой и вертикальной скорости
Figure 00000065
в режиме слежения;
Отличающийся тем, что сеанс измерения дополнительно включает
Получение М последовательных ДДП
Figure 00000066
Figure 00000067
для каждого из которых находят положения скачков дисперсии сигнала (nR, kF)m;
Формирование вектора
Figure 00000053
описывающего кривую максимального контраста наблюдаемого ДДП, производят через дополнительную процедуру, включающую:
Создание нулевых матриц Am для каждого из М кадров ДЦП из K строк и N столбцов, где индекс строки равен индексу канала дальности n, индекс столбца равен индексу доплеровского фильтра kF;
Замену значения элемента матрицы Am с координатами (nR, kF)m, соответствующим положению скачка дисперсии сигнала кадра ДЦП на дальности n, на «1»;
Замену значений элементов матрицы Am, у которых координата дальности
Figure 00000068
Формирование результирующей кривой максимального контраста наблюдаемого ДДП
Figure 00000069
в последовательности:
Выдвигают гипотезы
Figure 00000070
о скачках мощности сигнала ДЦП в каждом канале дальности n на доплеровских частотах
Figure 00000071
Вычисляют дисперсии шума
Figure 00000072
и сигнала с шумом
Figure 00000073
Figure 00000074
Вычисляют логарифм функции правдоподобия
Figure 00000075
принятой огибающей амплитуды отраженного сигнала
Figure 00000076
в канале дальности n для гипотезы 1 о положения скачка мощности на частотах kF1(n, l) и kF2(n, l) для каждого из М сформированных ДДП
Figure 00000077
Находят положения kF1(nR) и kF2(nR) скачков дисперсии сигнала на кривой максимального контраста ДЦП по гипотезам, дающим максимум логарифма функционала правдоподобия
Figure 00000078
Формируют нулевые матрицы Вm для каждого из М кадров ДДП из K строк и N столбцов, где индекс строки равен индексу канала дальности n, индекс столбца равен индексу доплеровского фильтра kF;
Заменяют значения элементов матрицы Вm с координатами (nR,kF)m на «1» на частотах kF1, kF2;
Вычисляют матрицу С
Figure 00000079
Для каждого элемента матрицы С с координатами (nR, kF) формируют квадратную матрицу Gj размером 3x3, j=1…nRkF
Figure 00000080
Рассчитывают сумму всех элементов Gj, если сумма равна 1, значение
Figure 00000081
заменяют «0»; Данная операция исключает из результирующей кривой максимального контраста nRΣ(kF) отсчеты, которые по координате дальности или частоты не имеют ни одного соседнего отсчета.
Определяют дальность ВС до точек кривой максимального контраста наблюдаемого ДДП nRΣ(kF) по координатам ненулевых элементов матрицы С;
Формируют вектор n, описывающий кривую максимального контраста наблюдаемого ДДП
Figure 00000082
Сущность предлагаемого способа однолучевого измерения высоты и составляющих скорости воздушного судна поясняется дальнейшим описанием и чертежами.
На фиг. 1 представлен вид сечения логарифма функции правдоподобия
Figure 00000083
в зависимости от индексов доплеровского фильтра kF1 и kF2 для одного канала дальности.
На фиг. 2 представлена результирующая кривая максимального контраста nRΣ(kF).
На фиг. 3 представлены ДДП, полученные при полете ВС над степной местностью и водной поверхностью;
На фиг. 4 представлена зависимость СКО оценок высоты, путевой и вертикальной скорости воздушного судна для предлагаемого способа (кривая 2) и способа-прототипа (кривая 1) по результатам полунатурного моделирования.
Предлагаемый способ однолучевого измерения высоты и составляющих скорости воздушного судна реализуется следующим образом.
Через широко направленную антенну радиовысотомера излучают вертикально вниз зондирующий сигнал;
Когерентно принимают эхо-сигнал и формируют М дальностно-доплеровских портретов
Figure 00000084
где каждый
Figure 00000085
- спектральное преобразование Фурье эхо-сигнала РВ на всех дальностях n рабочего диапазона высот, М - варьируемый параметр, определяемый скоростными характеристиками носителя, m - индекс ДДП;
Получают первичную оценку высоты ВС
Figure 00000086
как минимальную, усредненную по нескольким измерениям дальность до разрешаемых элементов ДДП, мощность отраженного сигнала от которых превышает порог обнаружения;
Определяют номер канала дальности, соответствующий оценке высоты ВС
Figure 00000087
где δR - разрешение зондирующего сигнала по дальности;
Определяют дисперсии шума
Figure 00000088
и сигнала с шумом
Figure 00000089
в каждом разрешаемом элементе кадра ДДП для каждого из М ДДП
Figure 00000090
исходя из предположения о положении скачка мощности сигнала на дальности n=n(kF)
Figure 00000091
Figure 00000092
Вычисляют логарифм функционала правдоподобия
Figure 00000093
принятой огибающей амплитуды отраженного сигнала z на частоте kF для гипотезы (n, kF) положения скачка мощности на дальности n при доплеровской частоте kF для каждого из М сформированных ДДП
Figure 00000094
Figure 00000095
Находят положение скачка дисперсии сигнала по наблюдаемому ДДП nR(kF) по гипотезе, дающей максимум логарифма функционала правдоподобия
Figure 00000096
Формируют нулевые матрицы Am для каждого из М кадров ДДП из K строк и N столбцов, где индекс строки равен индексу канала дальности n, индекс столбца равен индексу доплеровского фильтра kF;
Производят замену значения элемента матрицы Am с координатами (nR, kF)m, соответствующему положению скачка дисперсии сигнала кадра ДДП на дальности n, на «1»;
Производят замену значений элементов матрицы Am, у которых координата дальности
Figure 00000097
Формируют результирующую кривую максимального контраста наблюдаемого ДДП nRΣ(kF) в последовательности:
Выдвигают гипотезы
Figure 00000098
о скачках мощности сигнала ДДП в каждом канале дальности n на доплеровских частотах kF1(n, l) и kF2(n, l)),
Вычисляют дисперсии шума
Figure 00000099
и сигнала с шумом
Figure 00000100
для каждой гипотезы 1
Figure 00000101
Вычисляют логарифм функции правдоподобия
Figure 00000102
принятой огибающей амплитуды отраженного сигнала
Figure 00000103
в канале дальности n для гипотезы l о положения скачка мощности на частотах kF1(n, l) и kF2(n, l)) для каждого из М сформированных ДДП
Figure 00000104
Данное выражение получено в приложении 1.
На фиг. 1 представлен вид сечения логарифма функции правдоподобия
Figure 00000105
в зависимости от индексов доплеровского фильтра kF1 и kF2 для одного канала дальности.
Находят положение nR(kF1) и nR(kF2) скачков дисперсии сигнала на кривой максимального контраста ДДП по гипотезам, дающим максимум логарифма функционала правдоподобия
Figure 00000106
Формируют нулевую матрицу Bm для каждого из М кадров ДДП из K строк и N столбцов, где индекс строки равен индексу канала дальности n, индекс столбца равен индексу доплеровского фильтра kF;
Производят замену значения элемента матрицы Bm с координатами (nR, kF)m, на «1» на частотах kF1, kF2;
Формируют матрицу С
Figure 00000107
Для каждого элемента С с координатами (nR, kF) формируют квадратную матрицу Gj размером 3x3, j=1…nRkF
Figure 00000108
Рассчитывают сумму всех элементов Gj, если сумма равна 1, заменяют значение
Figure 00000109
на "0";
Определяют дальность ВС до точек кривой максимального контраста наблюдаемого ДДП nRΣ(kF) по координатам ненулевых элементов матрицы С;
Формируют вектор
Figure 00000110
описывающий кривую максимального контраста наблюдаемого ДДП
Figure 00000111
На фиг 2 в качестве примера представлена результирующая кривая максимального контраста nRΣ(kF), полученная в результате полунатурного моделирования полета ВС со следующими параметрами: Н=109 м, Vв=0.1 м/с, Vп=41 м/с.
Формируют гипотезу о векторе состояния ВС Xi=[Нi, Vпi, Vвi]T, где Hi,Vпi,Vвi - высота, путевая и вертикальные скорости ВС для i - той гипотезы. Для исходной гипотезы (i=0) значение высоты Н0 берется равным
Figure 00000112
в качестве значений путевой Vп0 и вертикальной VB0 составляющих скорости ВС берутся соответствующие центральные значения априорно известных окон;
Рассчитывают для гипотезы вектора состояния ВС
Figure 00000113
дальности ВС до точек кривой максимального контраста Ri(kF, Xi).
Figure 00000114
Значения Ri берутся в диапазоне от первичной оценки канала высоты
Figure 00000115
до положения максимально удаленной точки ДДП (nR, kF), амплитуда которой превышает порог обнаружения.
Формируют вектор кривой максимального контраста для i-той гипотезы
Figure 00000116
Находят матрицу-якобиан Di(kF, Xi) размерностью N x 3 для каждого канала частоты kF преобразованием координат вектора Ri(kF, Xi):
Figure 00000117
Figure 00000118
Находят оптимальную оценку ошибки ΔXi вектора Хi относительно истинного значения:
Figure 00000119
Figure 00000120
где Di=Di(kF, Xi),
ϕ - корреляционная матрица шумов измерения дальностей Ri(kF) размерностью N x N,
Формируют новую (i+1) гипотезу оценки вектора состояния ВС
Figure 00000121
Повторяют итерации уточнения вектора оцениваемых параметров Xi до снижения вектора ошибки ΔXi до допустимых значений, переходят в режим слежения, выдают потребителю оценки высоты, путевой и вертикальной скорости
Figure 00000122
в режиме слежения.
Для определения эффективности предлагаемого способа было проведено математическое и полунатурное моделирование алгоритма оценки высоты, путевой и вертикальной скорости воздушного судна для способа-прототипа и заявляемого способа с использованием экспериментальных данных.
На фиг. 3 представлены характерные ДДП, полученные в ходе летного эксперимента и полунатурного моделирования при полете воздушного судна над степью и водной поверхностью. ДДП водной поверхности имеет высокий некомпенсированный уровень боковых лепестков.
На фиг. 4 представлена зависимость СКО оценок высоты, путевой и вертикальной скорости воздушного судна для предлагаемого способа (кривая 2) и способа-прототипа (кривая 1). Систематическая составляющая ошибки оценок Н, Vп, Vв, для заявляемого способа значительно ниже по сравнению со способом-прототипом. Так, например, для поверхности типа «степь» ΔНсист=5 м, ΔVп сист=2 м/c, ΔVв сист=0 м/с для способа-прототипа, для заявляемого способа - ΔНсист - 1 м, ΔVп сист=0 м/с, ΔVв сист=0 м/с; для поверхности типа «вода» » величина ошибки для заявляемого способа практически не изменяется, для способа-прототипа вследствие наличия высокого уровня боковых лепестков кривой максимального контраста на ДДП выделяется со значительными ошибками, что вызывает срыв работы алгоритма оценки высотно-скоростных параметров ВС.
Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку из общедоступных сведений в способах однолучевого измерения высоты Н, путевой Vп и вертикальной Vв скорости воздушного судна неизвестно:
- нахождение кривой максимального контраста nRΣ(kF) по гипотезам, дающим максимум логарифма функции правдоподобия
Figure 00000123
о соответствии принятой огибающей амплитуды отраженного сигнала z гипотезе (n, kF1, kF2) положения скачка мощности на частотах kF1, kF2 в канале дальности n;
- получение усредненной кривой максимального контраста nRΣ(kF) на основе некогерентного суммирования кривых максимального контраста ДДП
Figure 00000124
на М последовательных тактах;
- исключение из результирующей кривой максимального контраста nRΣ(kF) отсчетов, которые по координате дальности или частоты не имеют ни одного соседнего отсчета.
Предлагаемое техническое решение имеет изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что дополнительный учет на кривой максимального контраста наблюдаемого ДДП отсчетов скачка мощности эхо-сигнала, полученных в сечениях каналов дальности n, некогерентное суммирование кривых максимального контраста нескольких ДДП и исключение из результирующей кривой максимального контраста отсчетов, которые не имеют соседних отсчетов приведет к повышению точности и устойчивости однолучевого измерения высоты, путевой и вертикальной скорости ВС над различными видами поверхности.
Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как для его реализации могут быть использованы элементы, широко распространенные в области электронной и радиотехники.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Функционал правдоподобия
Плотность вероятности отсчета для произвольного канала дальности как произведение нормальных законов распределения отсчетов его квадратур определяется выражением [4]
Figure 00000125
где
Figure 00000126
- синусная и косинусная квадратура (n, kF) отсчета сигнала,
Figure 00000127
- дисперсия принятого сигнала в канале дальности n;
Figure 00000128
- комплексная амплитуда сигнала, отраженного (n, kF) элементом ДДП.
Совместная плотность вероятности выборок сигнала согласованного фильтра
Figure 00000129
и следовательно логарифм функционала правдоподобия
Figure 00000130
в канале дальности n равны
Figure 00000131
Figure 00000132
где
Figure 00000133
- дисперсия шума;
Figure 00000134
- дисперсия сигнала с шумом;
kF1, kF2 - индексы доплеровских фильтров, в которых наблюдаются скачки дисперсии принятого сигнала в выбранном канале дальности п.
Максимум логарифма функционала правдоподобия (3) соответствует оценке индексов kF1 и kF2 отраженного сигнала и находится через решение системы уравнений
Figure 00000135
Решение системы уравнений (4) имеет вид:
Figure 00000136
После подстановки (5) в (3) получим
Figure 00000137
где СНИ - постоянный коэффициент.
Учитывая только составляющие, влияющие на положение максимума логарифма функционала правдоподобия, получим окончательное выражение
Figure 00000138
Литература:
1. Макрушин А.П., Пилипенко А.И., Мухин В.В., Фролов А.Ю., Янковский В.Т., Колтышев Е.Е. Определение значений путевой и вертикальной составляющих скорости полета носителя по сигналам когерентного радиовысотомера // Сборник трудов по материалам IV Всероссийской НПК «Радиовысотометрия 2013». Каменск-Уральский: УПКБ «Деталь», 2014. С. 92-96.
2. Патент России №2498344. Корреляционный измеритель высоты и составляющих вектора путевой скорости.
3. Патент России №2551896. Способ однолучевого измерения высоты и составляющих скорости летательного аппарата и устройство радиовысотомера, реализующего способ.
4. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М: Советское радио, 1966. 681 с.
5 Траекторная обработка. Принципы, способы и алгоритмы: в 2 ч./ Я. Бар-Шалом, X.Р. Ли; [пер. с англ. Д.Д. Дмитриева]. - М.: МГТУ им Н.Э. Баумана, 2011.

Claims (31)

  1. Способ однолучевого определения высотно-скоростных параметров воздушного судна по сигналам когерентного радиовысотомера, включающий вертикальное излучение зондирующего сигнала через широко направленную антенну радиовысотомера (РВ), когерентный прием эхо-сигнала и получение двумерного дальность-доплеровского портрета (ДДП) облучаемой местности
    Figure 00000139
    получение первичной оценки высоты ВС (воздушного судна)
    Figure 00000140
    как минимальной, усредненной по нескольким измерениям дальности до разрешаемых элементов ДДП, мощность отраженного сигнала от которых превышает порог обнаружения, определение номера канала дальности, соответствующего оценке высоты ВС
  2. Figure 00000141
  3. где δR - разрешение зондирующего сигнала по дальности, определение дисперсии шума
    Figure 00000142
    и сигнала с шумом
    Figure 00000143
    в каждом разрешаемом элементе кадра ДДП, исходя из гипотезы о положении скачка мощности сигнала на дальности n=n(kF)
  4. Figure 00000144
  5. Figure 00000145
  6. где K - длина реализации отселектированного участка ДДП по дальности, выраженная в числе разрешаемых элементов δR, вычисление логарифма функционала правдоподобия
    Figure 00000146
    принятой огибающей амплитуды отраженного сигнала z на частоте kF для гипотезы (n, kF) положения скачка мощности на дальности n при доплеровской частоте kF для каждого сформированного ДДП
    Figure 00000147
  7. Figure 00000148
  8. нахождение положения скачка дисперсии сигнала на кривой максимального контраста по наблюдаемому ДДП nR(kF) по гипотезе, дающей максимум логарифма функционала правдоподобия
    Figure 00000149
    формирование вектора
    Figure 00000150
    описывающего кривую максимального контраста наблюдаемого ДДП, формирование гипотез о векторе состояния ВС Xi=[Hi, Vпi, Vвi]T, где Hi, Vпi, VBi - высота, путевая и вертикальные скорости ВС для i-той гипотезы, для исходной гипотезы (i=0) значение высоты H0 берется равным
    Figure 00000151
    в качестве значений путевой Vп0 и вертикальной VB0 составляющих скорости ВС берутся соответствующие центральные значения априорно известных окон, вычисление для гипотезы вектора состояния ВС Xi=[Нi, Vпi, Vвi]T дальностей ВС до точек кривой максимального контраста Ri(kF, Xi)
  9. Figure 00000152
  10. в расчетах Ri берут точки кривой максимального контраста, находящиеся в диапазоне дальностей от первичной оценки канала высоты
    Figure 00000153
    до положения максимально удаленной точки ДДП (nR, kF), амплитуда которой превышает порог обнаружения, формирование вектора кривой максимального контраста для i-той гипотезы
  11. Figure 00000154
  12. вычисление матрицы-якобиана Di(kF, Xi) i-той гипотезы преобразованием вектора
    Figure 00000155
    размером N x 3 для каждого канала частоты kF
  13. Figure 00000156
  14. вычисление оптимальной оценки ошибки ΔXi вектор-гипотезы Xi относительно истинного значения
  15. Figure 00000157
  16. где Di=Di(kF, Xi),
  17. ϕ - корреляционная матрица шумов измерения дальностей Ri(kF) размерностью N x N,
  18. Figure 00000158
    - вектор, описывающий кривую максимального контраста наблюдаемого ДДП,
  19. формируют новую (i+1) гипотезу оценки вектора состояния ВС
  20. Xi+1=Xi+ΔXi,
  21. повторяют итерации уточнения вектора оцениваемых параметров Хi до снижения вектора ошибок ΔХi до допустимых значений, переходят в режим слежения, выдают потребителю оценки высоты, путевой и вертикальной скорости
    Figure 00000159
    в режиме слежения, отличающийся тем, что сеанс измерения дополнительно включает получение М последовательных ДДП
    Figure 00000160
    для каждого из которых находят положения скачков дисперсии сигнала (nR, kF)m, формирование вектора
    Figure 00000161
    описывающего кривую максимального контраста наблюдаемого ДДП, производят через процедуру, включающую создание нулевых матриц Аm для каждого из М кадров ДДП из K строк и N столбцов, где индекс строки равен индексу канала дальности n, индекс столбца равен индексу доплеровского фильтра kF, замену значения элемента матрицы Аm с координатами (nR, kF)m, соответствующим положению скачка дисперсии сигнала кадра ДДП на дальности n, на «1»; замену значений элементов матрицы Аm, у которых координата дальности
    Figure 00000162
    на «0», формирование результирующей кривой максимального контраста наблюдаемого ДДП nRΣ(kF) в последовательности:
  22. выдвигают гипотезы
    Figure 00000163
    о скачках мощности сигнала ДДП на доплеровских частотах kF1(n, l) и kF2(n, l)); вычисляют дисперсии шума
    Figure 00000164
    и сигнала с шумом
    Figure 00000165
  23. Figure 00000166
  24. вычисляют логарифм функции правдоподобия
    Figure 00000167
    о соответствии принятой огибающей амплитуды отраженного сигнала z гипотезе (n, kF1, kF2) положения скачка мощности на частотах kF1, kF2 в канале дальности n для каждого из М сформированных ДДП
    Figure 00000168
  25. Figure 00000169
  26. находят положения kF1(nR) и kF2(nR) скачков дисперсии сигнала на кривой максимального контраста ДДП по гипотезам, дающим максимум логарифма функционала правдоподобия
    Figure 00000170
    формируют нулевые матрицы Вm для каждого из М кадров ДДП из K строк и N столбцов, где индекс строки равен индексу канала дальности n, индекс столбца равен индексу доплеровского фильтра kF; заменяют значения элементов матрицы Вm с координатами скачков (nR, kF)m на «1» на частотах kF1, kF2; вычисляют матрицу С
  27. Figure 00000171
  28. для каждого элемента матрицы С с координатами (nR, kF) формируют квадратную матрицу Gj размером 3x3, j=1…nRkF
  29. Figure 00000172
  30. рассчитывают сумму всех элементов Gj, если сумма равна 1, значение
    Figure 00000173
    заменяют «0», определяют дальность ВС до точек кривой максимального контраста наблюдаемого ДДП nRΣ(kF) по координатам ненулевых элементов матрицы С, формируют вектор
    Figure 00000174
    описывающий кривую максимального контраста наблюдаемого ДДП
  31. Figure 00000175
RU2021132656A 2021-11-09 Способ однолучевого определения высотно-скоростных параметров воздушного судна по сигналам когерентного радиовысотомера RU2782374C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2782374C1 true RU2782374C1 (ru) 2022-10-27

Family

ID=

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2316022C1 (ru) * 2006-09-12 2008-01-27 Рязанский государственный радиотехнический университет Способ измерения высоты объектов при формировании изображения объектов на поверхности с помощью бортовой рлс
RU2498344C2 (ru) * 2012-01-11 2013-11-10 Открытое Акционерное Общество "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь" Корреляционный измеритель высоты и составляющих вектора путевой скорости
RU2499279C1 (ru) * 2012-04-12 2013-11-20 Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Радар ммс" Способ оценки высоты полета летательного аппарата по радиолокационным изображениям земной поверхности
RU2551896C2 (ru) * 2013-10-10 2015-06-10 Открытое Акционерное Общество "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь" Способ однолучевого измерения высоты и составляющих скорости летательного аппарата и устройство радиовысотомера, реализующего способ
RU2656366C1 (ru) * 2017-07-31 2018-06-05 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Способ определения координат летательного аппарата по радиолокационному изображению
EP3054316B1 (en) * 2015-02-04 2018-11-14 Honeywell International Inc. Systems and methods for measuring velocity with a radar altimeter

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2316022C1 (ru) * 2006-09-12 2008-01-27 Рязанский государственный радиотехнический университет Способ измерения высоты объектов при формировании изображения объектов на поверхности с помощью бортовой рлс
RU2498344C2 (ru) * 2012-01-11 2013-11-10 Открытое Акционерное Общество "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь" Корреляционный измеритель высоты и составляющих вектора путевой скорости
RU2499279C1 (ru) * 2012-04-12 2013-11-20 Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Радар ммс" Способ оценки высоты полета летательного аппарата по радиолокационным изображениям земной поверхности
RU2551896C2 (ru) * 2013-10-10 2015-06-10 Открытое Акционерное Общество "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь" Способ однолучевого измерения высоты и составляющих скорости летательного аппарата и устройство радиовысотомера, реализующего способ
EP3054316B1 (en) * 2015-02-04 2018-11-14 Honeywell International Inc. Systems and methods for measuring velocity with a radar altimeter
RU2656366C1 (ru) * 2017-07-31 2018-06-05 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Способ определения координат летательного аппарата по радиолокационному изображению

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102380943B1 (ko) 광학 거리 측정 시스템을 이용한 자동적인 실시간 적응형 스캐닝 방법과 시스템
US11061127B2 (en) Vehicle radar system
Bergman et al. Terrain navigation using Bayesian statistics
Thiel et al. Performance capabilities of laser scanners–an overview and measurement principle analysis
Capraro et al. Implementing digital terrain data in knowledge-aided space-time adaptive processing
CN109358325B (zh) 起伏地形背景下雷达高度表的地形反演方法
WO2008125929A2 (en) Method for processing multi-pass radar data for sensing and analysing multiple components of non-stationary scatterers
CN110488293B (zh) 一种非均匀空间构型的分布式sar系统
JP2018205174A (ja) レーダ装置及びそのレーダ信号処理方法
CN115508854A (zh) 一种利用星载单光子激光雷达海面点云反演水深的方法
CN111123281A (zh) 利用基于距离探测和3d点分析的歧义消解的空中多脉冲激光扫描系统
JP2007500856A (ja) レーダ戻りデータを重み付ける方法および装置
EP1264196A1 (en) System for measuring characteristics of scatterers using spaced receiver remote sensors
JP3783058B2 (ja) レーダ画像からの波浪方向スペクトル逆推定方法及びシステム
RU2782374C1 (ru) Способ однолучевого определения высотно-скоростных параметров воздушного судна по сигналам когерентного радиовысотомера
Capraro et al. Improved STAP performance using knowledge-aided secondary data selection
RU2643168C2 (ru) Способ измерения высоты, истинной скорости летательного аппарата и наклона вектора скорости летательного аппарата относительно горизонта, устройство бортовой радиолокационной станции, использующее способ
Hu et al. The validation of the weight function in the leading-edge-derivative path delay estimator for space-based GNSS-R altimetry
RU2379707C1 (ru) Способ наблюдения за объектами на поверхности бортовой радиотеплолокационной станцией, совмещенной с радиолокационной станцией
RU2551896C2 (ru) Способ однолучевого измерения высоты и составляющих скорости летательного аппарата и устройство радиовысотомера, реализующего способ
Rodriguez et al. Correlation properties of ocean altimeter returns
RU2550081C2 (ru) Способ однолучевого измерения высоты и составляющих скорости летательного аппарата и устройство радиовысотомера, реализующего способ
RU2730182C1 (ru) Способ многообзорного накопления сигнала в рлс при обнаружении воздушных целей в импульсно-доплеровском режиме
RU2392640C1 (ru) Способ выявления параметров траекторных нестабильностей малоразмерного воздушного объекта в виде радиального ускорения движения для режима сопровождения с использованием сигналов с поимпульсной перестройкой несущей частоты
Gilliam All-weather sense and avoid (SAA) radar clutter modeling and control