RU2802886C1 - Method for determining elevation angle of low-flying target and monopulse radar for its implementation - Google Patents
Method for determining elevation angle of low-flying target and monopulse radar for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2802886C1 RU2802886C1 RU2023101045A RU2023101045A RU2802886C1 RU 2802886 C1 RU2802886 C1 RU 2802886C1 RU 2023101045 A RU2023101045 A RU 2023101045A RU 2023101045 A RU2023101045 A RU 2023101045A RU 2802886 C1 RU2802886 C1 RU 2802886C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- elevation angle
- input
- output
- radar
- calculator
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретения относятся к радиолокации и могут быть использованы в моноимпульсных радиолокационных станциях (РЛС) при сопровождении низколетящих целей (НЛЦ) на малых углах места в условиях наличия мешающих отражений от подстилающей поверхности.The inventions relate to radar and can be used in monopulse radar stations (RLS) when tracking low-flying targets (LFT) at low elevation angles in the presence of interfering reflections from the underlying surface.
Основной проблемой при слежении за НЛЦ в моноимпульсных РЛС, является многолучевое распространение радиоволн вблизи земной, а особенно, вблизи водной поверхности, которое влечет за собой существенное увеличение ошибок в определении угломестного положения цели. В результате данного явления отраженная от цели энергия попадает на антенну как прямым путем, так и после отражения от подстилающей поверхности. В этом случае отраженную волну можно рассматривать как излучение некоторого дополнительного фиктивного источника (антипода), являющегося зеркальным отражением цели, дальность до которого всегда будет несколько больше, чем до реальной цели. При движении цели на или от РЛС в результате интерференции прямого и отраженного лучей в измерениях угла места появляются характерные низкочастотные колебания значительной амплитуды, которые не отражают характера изменения данного параметра реальной траектории цели, как показано, например, на фиг. 1, где цифрой 1 обозначено истинное значение угла места НЛЦ, а цифрой 2 значение угла места НЛЦ, непосредственно измеренное моноимпульсной РЛС миллиметрового диапазона.The main problem when tracking NLC in monopulse radars is the multipath propagation of radio waves near the earth's surface, and especially near the water surface, which entails a significant increase in errors in determining the elevation position of the target. As a result of this phenomenon, the energy reflected from the target reaches the antenna both directly and after reflection from the underlying surface. In this case, the reflected wave can be considered as the radiation of some additional fictitious source (antipode), which is a mirror image of the target, the range to which will always be slightly greater than to the real target. When a target moves towards or away from the radar, as a result of the interference of direct and reflected beams, characteristic low-frequency oscillations of significant amplitude appear in elevation angle measurements, which do not reflect the nature of the change in this parameter of the real target trajectory, as shown, for example, in Fig. 1, where
Используемый обычно при траекторном сопровождении целей фильтр Калмана в принципе не способен отличить реальный маневр НЛЦ по высоте от ошибок в ее измерениях, вызванных многолучевым распространением радиоволн, поскольку он изначально построен в предположении, что все ошибки измерений являются чисто случайными, т.е. в терминологии математической статистики являются нормально распределенным белым шумом с нулевым средним и известной дисперсией. В случае же НЛЦ искажение измерений угла места явно имеет вид так называемого цветного (автокоррелированного) шума (см. фиг. 1). Таким образом, в данной ситуации фильтр Калмана не способен выдать корректные оценки высоты: им отфильтровываются (сглаживаются) лишь высокочастотные помехи, низкочастотные же квазигармонические колебания, вызванные переотражениями, воспринимаются им как маневры цели.The Kalman filter, usually used for trajectory tracking of targets, is in principle unable to distinguish the real maneuver of the NLC in height from errors in its measurements caused by multipath propagation of radio waves, since it was initially built on the assumption that all measurement errors are purely random, i.e. in the terminology of mathematical statistics, they are normally distributed white noise with zero mean and known variance. In the case of NLC, the distortion of elevation angle measurements clearly takes the form of so-called colored (autocorrelated) noise (see Fig. 1). Thus, in this situation, the Kalman filter is not capable of producing correct height estimates: it filters out (smoothes out) only high-frequency interference, while low-frequency quasi-harmonic oscillations caused by reflections are perceived by it as target maneuvers.
Можно выделить три основные группы методов компенсации ошибок в измерениях угла места от многолучевого распространения радиоволн.Three main groups of methods for compensating errors in elevation angle measurements from multipath propagation of radio waves can be distinguished.
К первой группе относятся способы, связанные с усложнением конструкции РЛС [Леонов А.И. Моноимпульсная радиолокация / А.И. Леонов, К.И. Фомичев. - М.: «Радио и Связь», 1984; Sherman S.M., Barton В.K. Monopulse Principles and Techniques. - Artech House, 2011]: например, увеличение апертуры антенны, повышающее разрешающую способность по углу места; использование моноимпульсных систем с парными антеннами в угломестной плоскости; экранирование позиций РЛС; применение вертикальной поляризации; использование асимметричной (косекансной) диаграммы направленности антенны (ДНА) и т.п. Все такие способы, как правило, приводят к существенному увеличению габаритов, сложности, энергоемкости и стоимости РЛС. В качестве примера такого подхода можно рассмотреть патент РФ [RU №2444750 С2, МПК G01S 5/08. Способ определения угломестной координаты низколетящей цели, 2010 г.], в котором предложено использовать четыре идентичные антенны или субапертуры одной антенны с центрами, расположенными попарно симметрично в горизонтальной и вертикальной плоскостях (в форме ромба), формирующих специальным образом дискриминационные (пеленгационные) характеристики измерителя координат в угломестной и азимутальной плоскостях, не зависящие от характеристик подстилающей поверхности. Таким образом, в данном аналоге предлагаемого изобретения за счет существенного усложнения конструкции и удорожания антенны удается повысить точность измерения угла места и высоты НЛЦ.The first group includes methods associated with complicating the design of the radar [Leonov A.I. Monopulse radar / A.I. Leonov, K.I. Fomichev. - M.: “Radio and Communication”, 1984; Sherman S.M., Barton V.K. Monopulse Principles and Techniques. - Artech House, 2011]: for example, increasing the antenna aperture, increasing the resolution in elevation; use of monopulse systems with paired antennas in the elevation plane; shielding of radar positions; use of vertical polarization; use of an asymmetric (cosecant) antenna radiation pattern (APP), etc. All such methods, as a rule, lead to a significant increase in the size, complexity, energy consumption and cost of the radar. As an example of this approach, we can consider the RF patent [RU No. 2444750 C2, IPC
Ко второй группе относятся способы, связанные с расширением полосы излучаемых сигналов. В качестве примеров такого подхода можно рассмотреть патенты РФ [RU №2392638 С1, МПК G01S 13/00. Способ высокоточного радиолокационного измерения угла места низколетящей цели в условиях интерференции сигналов, 2009 г. и RU №2761955 С1, МПК G01S 13/44. Способ определения высоты полета низколетающей цели моноимпульсной РЛС сопровождения, 2021 г.], в которых исходными данными для реализации методов повышения точности измерения угла места НЛЦ являются синфазные и квадратурные составляющие суммарного и разностного каналов приемника, полученные для нескольких различных значений несущей частоты зондирующих импульсов на нескольких последовательных тактах работы РЛС. Причем, для достижения требуемой точности эти значения несущей частоты должны быть, как правило, достаточно сильно разнесены, что на практике приводит к усложнению приемопередающей аппаратуры РЛС и не всегда приемлемо по ряду организационных и технических причин. Кроме того, большинство методов повышения точности измерения угла места НЛЦ такого типа требуют реализации существенно более сложных алгоритмов первичной обработки радиолокационной информации (ПОИ), чем в классических моноимпульсных РЛС с фиксированной несущей частотой зондирующих импульсов.The second group includes methods related to expanding the bandwidth of emitted signals. As examples of this approach, we can consider patents of the Russian Federation [RU No. 2392638 C1, IPC G01S 13/00. A method for high-precision radar measurement of the elevation angle of a low-flying target in conditions of signal interference, 2009 and RU No. 2761955 C1, IPC G01S 13/44. A method for determining the flight altitude of a low-flying target using a monopulse tracking radar, 2021], in which the initial data for implementing methods for increasing the accuracy of measuring the elevation angle of the NLC are the in-phase and quadrature components of the total and difference channels of the receiver, obtained for several different values of the carrier frequency of the sounding pulses on several successive cycles of radar operation. Moreover, to achieve the required accuracy, these values of the carrier frequency must, as a rule, be quite widely separated, which in practice leads to the complication of the radar transceiver equipment and is not always acceptable for a number of organizational and technical reasons. In addition, most methods for increasing the accuracy of measuring the elevation angle of NLCs of this type require the implementation of significantly more complex algorithms for the primary processing of radar information (PRI) than in classical monopulse radars with a fixed carrier frequency of probing pulses.
К третьей группе относятся способы коррекции ошибок в измерениях угла места НЛЦ на этапе вторичной обработки радиолокационной информации (ВОИ). Главным достоинством таких методов является отсутствие необходимости в усложнении конструкции антенны и приемопередающей аппаратуры РЛС, а также алгоритмов ПОИ. Примером такого подхода является наиболее близкий к заявляемому изобретению патент РФ [RU №2307375 С1, МПК G01S 13/04. Способ измерения угла места низколетящей цели и радиолокационная станция для его реализации, 2010 г.], в котором предварительно с помощью дополнительных радиолокационных, оптических или других средств измеряют начальный угол места цели ε0 и дальность до цели R0 в начальный момент времени сопровождения. После чего, при дальнейшем движении НЛЦ постоянно измеряют дальность до нее и по заданной формуле вычисляют текущий угол места цели с учетом сферической формы Земли и в предположении, что цель летит строго на постоянной высоте.The third group includes methods for correcting errors in NLC elevation angle measurements at the stage of secondary processing of radar information (SRI). The main advantage of such methods is that there is no need to complicate the design of the antenna and radar transceiver equipment, as well as the POI algorithms. An example of this approach is the RF patent closest to the claimed invention [RU No. 2307375 C1, IPC G01S 13/04. A method for measuring the elevation angle of a low-flying target and a radar station for its implementation, 2010], in which the initial elevation angle of the target ε 0 and the range to the target R 0 at the initial moment of tracking time are first measured using additional radar, optical or other means. After which, with further movement of the NLC, the distance to it is constantly measured and, using a given formula, the current elevation angle of the target is calculated, taking into account the spherical shape of the Earth and under the assumption that the target flies at a strictly constant altitude.
Очевидными недостатками такого способа являются: необходимость точного измерения начального угла ε0, для чего нужно иметь дополнительную РЛС с узким лучом или оптическую систему, а также большие ошибки при сопровождении целей, движущихся пусть и с плавным, но маневром по высоте. Чтобы отказаться от использования дополнительной РЛС или оптической системы в прототипе также предложен режим работы, при котором предварительно фиксируются углы закрытия по всем возможным азимутальным направлениям, которые затем принимаются в качестве начальных углов ε0 при появлении цели на радиогоризонте. Но такой режим также не лишен недостатков: во-первых, отсутствует уверенность в том, что цель будет обнаружена сразу же после ее появления над радиогоризонтом, т.к. обзоры по отдельным азимутальным направлениям могут происходить с достаточно большим периодом, и цель впервые будет обнаружена на угле, уже далеко не равном углу закрытия; во-вторых, такой режим в принципе возможен только при сопровождении целей, приближающихся к РЛС.The obvious disadvantages of this method are: the need to accurately measure the initial angle ε 0 , for which you need to have an additional radar with a narrow beam or an optical system, as well as large errors when tracking targets moving, albeit smoothly, but maneuvering in height. To avoid the use of an additional radar or optical system, the prototype also proposes an operating mode in which the closure angles are preliminarily fixed in all possible azimuthal directions, which are then taken as the initial angles ε 0 when a target appears on the radio horizon. But this mode is also not without its drawbacks: firstly, there is no confidence that the target will be detected immediately after it appears above the radio horizon, because surveys in individual azimuthal directions can occur over a fairly long period, and the target will be first detected at an angle that is far from equal to the occlusion angle; secondly, such a mode is, in principle, only possible when tracking targets approaching the radar.
Техническим результатом изобретений является существенное повышение точности определения угла места и высоты НЛЦ в условиях многолучевого распространения радиоволн. Причем, в отличие от прототипа, предлагаемое изобретение может использоваться без ограничений, как при сопровождении плавно маневрирующих в вертикальной плоскости НЛЦ, так и целей, летящих в любом направлении относительно РЛС. Поскольку предлагаемое изобретение не требует изменения конструкции антенны и алгоритмов работы ПОИ, то оно легко может быть реализовано, как на вновь проектируемых РЛС, так и при модернизации уже существующих.The technical result of the inventions is a significant increase in the accuracy of determining the elevation angle and height of the NLC in conditions of multipath propagation of radio waves. Moreover, unlike the prototype, the proposed invention can be used without restrictions, both when tracking NLCs smoothly maneuvering in the vertical plane, and targets flying in any direction relative to the radar. Since the proposed invention does not require changes in the design of the antenna and the operation algorithms of the PPI, it can easily be implemented both on newly designed radars and when upgrading existing ones.
Технический результат изобретения достигается за счет использования нестационарной регрессионной зависимости между углом места цели и наклонной дальностью до нее. При этом, параметрическая идентификация такой зависимости производится в онлайн режиме в процессе сопровождения НЛЦ с помощью рекуррентного метода наименьших квадратов (МНК).The technical result of the invention is achieved through the use of a non-stationary regression relationship between the elevation angle of the target and the slant range to it. At the same time, parametric identification of such a dependence is carried out online in the process of supporting the NLC using the recurrent least squares method (LSM).
Сущность изобретений поясняется с помощью чертежей, где:The essence of the inventions is illustrated with the help of drawings, where:
- на фиг. 1 представлены зависимости от времени: истинного значения угла места НЛЦ (1); значения угла места НЛЦ, непосредственно имитирующего измерение моноимпульсной РЛС миллиметрового диапазона (2); значения угла места НЛЦ, полученного предлагаемым способом (3);- in fig. 1 shows the time dependences of: the true value of the NLC elevation angle (1); values of the elevation angle of the NLC, directly simulating the measurement of a monopulse millimeter-wave radar (2); values of the NLC elevation angle obtained by the proposed method (3);
- на фиг. 2 - зависимости от величины, обратной к дальности: истинного значения угла места НЛЦ (1); значения угла места НЛЦ, непосредственно имитирующего измерение моноимпульсной РЛС миллиметрового диапазона (2);- in fig. 2 - dependence on the value inverse to the range: the true value of the NLC elevation angle (1); values of the elevation angle of the NLC, directly simulating the measurement of a monopulse millimeter-wave radar (2);
- на фиг. 3 - сравнение работы прототипа и предлагаемого изобретения при сопровождении моноимпульсной РЛС НЛЦ, летящей на постоянной высоте: значение непосредственно измеренной РЛС высоты НЛЦ (1); значение высоты НЛЦ, полученное с использованием прототипа (2); значение высоты НЛЦ, полученное предлагаемым способом (3); эталонное значение высоты НЛЦ, измеренное оптической системой (4);- in fig. 3 - comparison of the operation of the prototype and the proposed invention when accompanied by a monopulse NLC radar flying at a constant altitude: the value of the NLC altitude directly measured by the radar (1); NLC height value obtained using the prototype (2); the value of the NLC height obtained by the proposed method (3); reference value of the NLC height measured by the optical system (4);
- на фиг. 4 - сравнение работы прототипа и предлагаемого изобретения при сопровождении моноимпульсной РЛС НЛЦ, движущейся с маневром в вертикальной плоскости: значение непосредственно измеренной РЛС высоты НЛЦ (1); значение высоты НЛЦ, полученное с использованием прототипа (2); значение высоты НЛЦ, полученное предлагаемым способом (3); эталонное значение высоты НЛЦ, измеренное оптической системой (4);- in fig. 4 - comparison of the operation of the prototype and the proposed invention when accompanied by a monopulse radar NLC moving with a maneuver in the vertical plane: the value of the height of the NLC directly measured by the radar (1); NLC height value obtained using the prototype (2); the value of the NLC height obtained by the proposed method (3); reference value of the NLC height measured by the optical system (4);
- на фиг. 5 представлена схема моноимпульсной РЛС, реализующей предлагаемый способ определения угла места НЛЦ.- in fig. Figure 5 shows a diagram of a monopulse radar that implements the proposed method for determining the elevation angle of the NLC.
Известно, что зависимость высоты цели от угла места в дискретный момент времени (канальный интервал работы РЛС) k имеет вид:It is known that the dependence of the target height on the elevation angle at a discrete point in time (radar channel interval) k has the form:
h(k)=D(k)⋅sinε(k),h(k)=D(k)⋅sinε(k),
где D(k) - текущая дальность до цели.where D(k) is the current range to the target.
Поскольку, в случае НЛЦ угол места очень мал, то sinε(k)≈ε(k), следовательно, можно записать:Since, in the case of NLC, the elevation angle is very small, then sinε(k)≈ε(k), therefore, we can write:
На фиг. 2 представлена зависимость измерений угла места НЛЦ от величины обратной к измеренной дальности для случая, приведенного на фиг. 1.In fig. Figure 2 shows the dependence of the NLC elevation angle measurements on the value inverse to the measured range for the case shown in Fig. 1.
Предполагая, что высота НЛЦ может быть либо постоянной, либо очень медленно изменяться, поскольку резкие маневры в вертикальной плоскости на малой высоте у большинства целей (за исключением вертолетов и квадрокоптеров) крайне маловероятны, зависимость измерения угла места от величины обратной к дальности в дискретном времени с учетом соотношения (1) можно представить дискретным нестационарным стохастическим уравнением линейной регрессии:Assuming that the height of the NLC can be either constant or very slowly changing, since sharp maneuvers in the vertical plane at low altitude for most targets (with the exception of helicopters and quadrocopters) are extremely unlikely, the dependence of the elevation angle measurement on the inverse value of the range in discrete time with taking into account relation (1) can be represented by a discrete non-stationary stochastic linear regression equation:
где b0(k) и b1(k) - зависящие от времени коэффициенты регрессии; u1(k)=1/D(k) - регрессор (величина обратная к дальности, измеренная в момент времени k); w(k) - случайная ошибка измерений угла места, которая в общем случае для НЛЦ из-за интерференции будет коррелированной (см. фиг. 2).where b 0 (k) and b 1 (k) are time-dependent regression coefficients; u 1 (k)=1/D(k) - regressor (the reciprocal value of the range, measured at time k); w(k) is the random error of elevation angle measurements, which in the general case for NLC will be correlated due to interference (see Fig. 2).
Наличие в уравнении регрессии (2) двух зависящих от времени коэффициентов b0(k) и b1(k) позволяет не только учесть прямо пропорциональную связь между измеренным углом места и величиной обратной к дальности согласно формуле (1), но и возможное плавное изменение высоты цели в полете. Причем, идентификацию этих коэффициентов, очевидно, нужно производить в реальном масштабе времени, например, с использованием рекуррентного МНК [Гроп Д. Методы идентификации систем / Д. Гроп. - М.: «Мир», 1979].The presence in the regression equation (2) of two time-dependent coefficients b 0 (k) and b 1 (k) allows not only to take into account the directly proportional relationship between the measured elevation angle and the value inverse to the range according to formula (1), but also a possible smooth change target altitude in flight. Moreover, the identification of these coefficients obviously needs to be done in real time, for example, using recurrent least squares [Grop D. Methods for identifying systems / D. Grop. - M.: “Mir”, 1979].
В этом случае на каждом канальном интервале k по непосредственным измерениям угла места ε(k) и дальности D(k) в моноимпульсной РЛС рекуррентным МНК идентифицируют коэффициенты b0(k) и b1(k), а затем с использованием зависимости (2), приравняв случайную ошибку измерений угла места w(k) к нулю, вычисляют угол места НЛЦ с уже компенсированным влиянием многолучевого распространения радиоволн.In this case, at each channel interval k, based on direct measurements of the elevation angle ε(k) and range D(k) in a monopulse radar, the coefficients b 0 (k) and b 1 (k) are identified by recurrent least squares, and then using dependence (2) , equating the random measurement error of the elevation angle w(k) to zero, calculate the elevation angle of the NLC with the influence of multipath propagation of radio waves already compensated.
Причем, если предположить, что случайная ошибка измерений угла места w(k) имеет нулевое математическое ожидание, чего можно добиться путем юстировки измерений угла места НЛЦ в РЛС по его измерениям, например, оптической системой, не подверженной влиянию многолучевого распространения радиоволн, то МНК оценка коэффициентов b0(k) и b1(k), а значит, и оценка реального угла места будут устойчивыми в среднеквадратическом смысле и несмещенными, при минимальном требовании ограниченности помехи w(k) [Граничин О.Н. Рандомизированные алгоритмы оптимизации и оценивания при почти произвольных помехах / О.Н. Граничин, Б.Т. Поляк. - М.: Наука, 2003].Moreover, if we assume that the random error in measurements of the elevation angle w(k) has zero mathematical expectation, which can be achieved by adjusting the measurements of the elevation angle of the NLC in the radar according to its measurements, for example, by an optical system that is not affected by multipath propagation of radio waves, then the least squares estimate coefficients b 0 (k) and b 1 (k), and therefore the estimate of the real elevation angle will be stable in the root-mean-square sense and unbiased, with the minimum requirement of limited interference w(k) [Granichin O.N. Randomized optimization and estimation algorithms under almost arbitrary noise / O.N. Granichin, B.T. Pole. - M.: Nauka, 2003].
Таким образом, предлагаемый способ компенсации влияния многолучевого распространения радиоволн при сопровождении НЛЦ может быть легко реализован практически на любых вычислительных устройствах ВОИ моноимпульсной РЛС. На первом этапе по текущим измерениям угла места и дальности до цели идентифицируют коэффициенты b0(k) и b1(k) регрессии с использованием рекуррентного МНК, который в векторно-матричном виде представляется следующими формулами для вычисления оценок и их ковариационной матрицы [Гроп Д. Методы идентификации систем / Д. Гроп. - М.: «Мир», 1979]:Thus, the proposed method for compensating for the influence of multipath propagation of radio waves when accompanied by NLC can be easily implemented on almost any computing devices of a monopulse radar. At the first stage, based on the current measurements of the elevation angle and range to the target, the regression coefficients b 0 (k) and b 1 (k) are identified using recurrent least squares, which in vector-matrix form is represented by the following formulas for calculating estimates and their covariance matrix [Grop D Methods for identifying systems / D. Grop. - M.: “Mir”, 1979]:
где Р(k) - симметричная относительно своей главной диагонали ковариационная матрица ошибок оценивания коэффициентов регрессионной зависимости (2) размерностью 2×2; - вектор оценок коэффициентов в уравнении регрессии (2); u(k)T=[1 1/D(k)] - вектор регрессоров.where P(k) is a covariance matrix of errors in estimating coefficients of regression dependence (2) with a dimension of 2×2, symmetrical with respect to its main diagonal; - vector of coefficient estimates in the regression equation (2); u(k) T =[1 1/D(k)] - vector of regressors.
Векторно-матричные уравнения (3)-(4) можно легко преобразовать к скалярному виду, что повысит их вычислительную эффективность, исключив лишние умножения на ноль или единицу:Vector-matrix equations (3)-(4) can be easily converted to scalar form, which will increase their computational efficiency by eliminating unnecessary multiplications by zero or one:
Затем на втором этапе с использованием полученной регрессионной зависимости по формуле: вычисляют угол места НЛЦ с компенсированным негативным влиянием многолучевого распространения радиоволн.Then, at the second stage, using the resulting regression relationship according to the formula: calculate the elevation angle of the NLC with compensated negative influence of multipath propagation of radio waves.
Осуществимость предлагаемого изобретения подтверждается результатами имитационного моделирования, произведенного с помощью известной модели многолучевого распространения радиоволн [Sherman S.M., Barton В.K. Monopulse Principles and Techniques. - Artech House, 2011], которая использовалась для имитации измерений угла места в моноимпульсной РЛС, искаженных помехами в виде низкочастотных квазигармонических колебаний, а также дополнительно зашумленных гауссовским белым шумом. Таким образом, на фиг. 1 цифрой 1 обозначено истинное значение угла места НЛЦ; цифрой 2 - значение угла места НЛЦ, непосредственно имитирующее измерение моноимпульсной РЛС миллиметрового диапазона и шириной диаграммы направленности антенны 0,4°; цифрой 3 - значение угла места НЛЦ, полученное предлагаемым способом. При этом, имитировался полет цели на высоте 29-31 м с дальности примерно 10 км в направлении РЛС со скоростью от 250 до 100 м/с над спокойным морем (коэффициент отражения равен примерно 1). Очевидно, что предлагаемый способ позволяет после непродолжительного переходного процесса практически полностью скомпенсировать негативное влияние многолучевого распространения радиоволн на измерения угла места НЛЦ.The feasibility of the proposed invention is confirmed by the results of simulation modeling performed using the well-known model of multipath propagation of radio waves [Sherman S.M., Barton V.K. Monopulse Principles and Techniques. - Artech House, 2011], which was used to simulate elevation angle measurements in a monopulse radar, distorted by interference in the form of low-frequency quasi-harmonic oscillations, and also additionally noisy with Gaussian white noise. Thus, in FIG. 1 the
На фиг. 3 и 4 представлено сравнение работы прототипа и предлагаемого изобретения при сопровождении НЛЦ моноимпульсной РЛС с длинной волны 10 см и шириной диаграммы направленности антенны 6°. На фиг. 3 и 4 цифрой 1 обозначено значение непосредственно измеренной РЛС высоты НЛЦ; цифрой 2 - значение высоты НЛЦ, полученное с использованием прототипа; цифрой 3 - значение высоты НЛЦ, полученное предлагаемым способом; цифрой 4 - значение высоты НЛЦ, измеренное оптической системой (эталон). При этом, на фиг. 3 цель двигалась с дальности 13 км до дальности 7 км на постоянной высоте 800 м со скоростью около 60 м/с. На фиг 4. цель двигалась со скоростью около 220 м/с с дальности 57,5 км до дальности 24,6 км сначала до 60-й секунды на высоте 1800 м, затем до 100-й секунды происходило плавное снижение цели до высоты 1200 м, после чего цель продолжила двигаться на этой высоте. При постоянной и абсолютно точно известной в начальный момент времени высоте цели прототип, естественно, обеспечивает практически идеальное сопровождение НЛЦ в условиях многолучевого распространения радиоволн, что следует из фиг. 3. Предлагаемый же способ в этом случае, как и при имитационном моделировании (см. фиг. 1.), после непродолжительного переходного процесса позволяет получить вполне приемлемый результат, в значительной степени скомпенсировав негативное влияние многолучевого распространения радиоволн. В условиях же плавного маневрирования цели по высоте, как показано на фиг. 4, прототип демонстрирует полную неработоспособность в отличие от предлагаемого способа, который и в этом случае позволяет получить вполне приемлемый результат.In fig. 3 and 4 show a comparison of the operation of the prototype and the proposed invention when accompanied by an NLC monopulse radar with a wavelength of 10 cm and an antenna radiation pattern width of 6°. In fig. 3 and 4, the
Прототипом заявляемой моноимпульсной РЛС является РЛС, содержащая передатчик, антенный переключатель, антенну, приемник, пороговое устройство, синхронизатор, блок оценки угловых координат, вычислитель угла места НЛЦ и запоминающее устройство. Указанные узлы и блоки РЛС соответствующим образом связаны между собой [RU №2307375 С1, МПК G01S 13/04. Способ измерения угла места низколетящей цели и радиолокационная станция для его реализации, 2010 г.].The prototype of the proposed monopulse radar is a radar containing a transmitter, an antenna switch, an antenna, a receiver, a threshold device, a synchronizer, an angular coordinate estimation unit, an NLC elevation angle calculator and a storage device. The specified radar nodes and blocks are appropriately interconnected [RU No. 2307375 C1, IPC G01S 13/04. A method for measuring the elevation angle of a low-flying target and a radar station for its implementation, 2010].
Заявляемая моноимпульсная РЛС (фиг. 5) содержит: передатчик 1, антенный переключатель 2, антенну 3, приемник 4, пороговое устройство 5, синхронизатор 6, блок измерения дальности 7, блок измерения угловых координат 8, вычислитель коэффициентов регрессионной зависимости 9, вычислитель скорректированного значения угла места 10 и запоминающее устройство начальных условий 11, при этом выход передатчика 1 соединен со входом антенного переключателя 2, вход/выход которого соединен с антенной 3, выход антенного переключателя 2 соединен со входом приемника 4, выход которого соединен со входом порогового устройства 5, первый выход синхронизатора 6 соединен с синхровходом передатчика 1, выход порогового устройства 5 соединен с первым входом блока измерения дальности 7, второй вход которого соединен со вторым выходом синхронизатора 6, первый выход блока измерения дальности 7 соединен с первым входом вычислителя скорректированного значения угла места 10, выход антенны 3 соединен со входом блока измерения угловых координат 8, выход которого соединен с первым входом вычислителя параметров регрессионной зависимости 9, второй выход блока измерения дальности 7 соединен со вторым входом вычислителя параметров регрессионной зависимости 9, выход которого соединен со вторым входом вычислителя скорректированного значения угла места 10, третий вход вычислителя параметров регрессионной зависимости 9 соединен с выходом запоминающего устройства начальных условий 11.The inventive monopulse radar (Fig. 5) contains: transmitter 1, antenna switch 2, antenna 3, receiver 4, threshold device 5, synchronizer 6, range measuring unit 7, angular coordinates measuring unit 8, regression coefficient calculator 9, corrected value calculator elevation angle 10 and a memory device of initial conditions 11, while the output of the transmitter 1 is connected to the input of the antenna switch 2, the input/output of which is connected to the antenna 3, the output of the antenna switch 2 is connected to the input of the receiver 4, the output of which is connected to the input of the threshold device 5, the first output of the synchronizer 6 is connected to the synchronizer input of the transmitter 1, the output of the threshold device 5 is connected to the first input of the range measurement unit 7, the second input of which is connected to the second output of the synchronizer 6, the first output of the range measurement unit 7 is connected to the first input of the calculator for the corrected elevation angle value 10, the output of the antenna 3 is connected to the input of the angular coordinates measurement unit 8, the output of which is connected to the first input of the regression dependence parameters calculator 9, the second output of the range measuring unit 7 is connected to the second input of the regression dependence parameters calculator 9, the output of which is connected to the second input of the corrected angle value calculator place 10, the third input of the regression dependence parameter calculator 9 is connected to the output of the initial conditions storage device 11.
Заявляемая моноимпульсная РЛС может быть реализована с использованием современных стандартных функциональных элементов для станций такого типа (Справочник по радиолокации / Под ред. М.И. Сколника. В 2-х книгах, М.: Техносфера, 2014): твердотельного импульсного передатчика 1, супергетеродинного приемника 4, антенного переключателя 2, синхронизатора 6, порогового устройства 5, блока измерения дальности 7 и угловых координат 8, а также антенны 3 в виде фазированной антенной решетки с электронным сканированием по угловым координатам. Вычислитель коэффициентов регрессионной зависимости 9, реализующий формулы (5)-(10) и вычислитель скорректированного значения угла места 10, реализующий формулу (11), а также запоминающее устройство начальных условий 11 могут быть построены с применением современных цифровых микросхем отечественного производства (Все отечественные микросхемы / 2-ое изд., М.: Изд. дом «Додэка XXI», 2004).The claimed monopulse radar can be implemented using modern standard functional elements for stations of this type (Radar Handbook / Edited by M.I. Skolnik. In 2 books, M.: Tekhnosphere, 2014): solid-
Работа заявляемой РЛС при измерении угла места НЛЦ происходит следующим образом.The operation of the proposed radar when measuring the elevation angle of the NLC occurs as follows.
Перед началом работы РЛС в режиме сопровождения НЛЦ в запоминающее устройство начальных условий 11 записывают начальные значения идентифицируемых коэффициентов регрессионной зависимости (2): и где ε(0) и D(0) - угол места и дальность цели, измеренные в момент включения режима сопровождения НЛЦ, а также элементы симметричной квадратной матрицы ковариаций ошибок этих коэффициентов Р11(0)=1, P12(0)=0, Р22(0)=105-107. Данные начальные условия были подобраны для конкретной РЛС с длиной волны 10 см. В целом, рекуррентный МНК не очень чувствителен к заданию начальных условий [Гроп Д. Методы идентификации систем / Д. Гроп. - М.: «Мир», 1979], поэтому для других типов РЛС, при необходимости, могут быть легко экспериментальным путем подобраны свои оптимальные значения начальных условий.Before the radar starts operating in the NLC tracking mode, the initial values of the identified regression coefficients (2) are written into the initial conditions storage device 11: And where ε(0) and D(0) are the elevation angle and target range measured at the moment the NLC tracking mode is turned on, as well as the elements of the symmetric square error covariance matrix of these coefficients P 11 (0)=1, P 12 (0)=0 , P 22 (0)=10 5 -10 7 . These initial conditions were selected for a specific radar with a wavelength of 10 cm. In general, the recurrent least squares method is not very sensitive to setting the initial conditions [Grop D. Methods for identifying systems / D. Grop. - M.: “Mir”, 1979], therefore, for other types of radars, if necessary, their optimal values of initial conditions can be easily selected experimentally.
В процессе работы РЛС осуществляет обзор заданной зоны. Для этого в передатчике 1 по командам синхронизатора 6 (импульсам синхронизации) формируют зондирующие сигналы, которые через антенный переключатель 2 с помощью антенны 3 излучают в пространство. Как только в зоне обзора РЛС появляется НЛЦ, отраженные от нее сигналы принимают антенной 3, которые через антенный переключатель 2 поступают в приемник 4. С выхода приемника 4 сигналы подают на вход порогового устройства 5, где их сравнивают с порогом обнаружения. Если уровень сигналов превышает пороговый, то они проходят на выход порогового устройства 5 и далее поступают на первый вход блока измерения дальности 7, на второй вход которого подают сигналы с синхронизатора 6. В блоке измерения дальности 7 происходит определение текущей дальности до НЛЦ по времени запаздывания отраженных радиосигналов с порогового устройства 5 относительно зондирующих сигналов с синхронизатора 6. В блоке измерения угловых координат 8 по направлению, с которого на антенну 3 поступили отраженные радиосигналы измеряют текущий угол места НЛЦ, который затем передают на первый вход вычислителя коэффициентов регрессионной зависимости 9. На второй вход вычислителя коэффициентов регрессионной зависимости 9 поступают сигналы с блока измерения дальности 7. Таким образом, по текущим измерениям дальности и угла места в вычислителе коэффициентов регрессионной зависимости 9 по рекуррентным формулам (5)-(10) определяют коэффициенты, которые затем на этом же такте работы РЛС используют в вычислителе скорректированного значения угла места 10, где по формуле (11) с использованием измеренной текущей дальности получают угол места НЛЦ с компенсированным негативным влиянием многолучевого распространения радиоволн.During operation, the radar surveys a given area. To do this, in the
Claims (6)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2802886C1 true RU2802886C1 (en) | 2023-09-05 |
Family
ID=
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3314220A1 (en) * | 1983-04-20 | 1984-10-25 | Licentia Patent-Verwaltungs-Gmbh, 6000 Frankfurt | Method for determining the target azimuth in a monopulse radar |
| EP0382090A1 (en) * | 1989-02-09 | 1990-08-16 | Siemens-Albis Aktiengesellschaft | Method to avoid unfavourable phase positions in a radar device employing the cross-feed method |
| RU2270458C1 (en) * | 2004-07-12 | 2006-02-20 | Открытое Акционерное Общество "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь" | Method for measuring angular coordinates of targets in mono-pulse surveillance radio-location station and a surveillance radio-location station for realization of said method |
| RU2307375C1 (en) * | 2006-04-28 | 2007-09-27 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт измерительных приборов" (ОАО "НИИИП") | Method for measurement of elevation angle of low-altitude target and radar for its realization |
| US7667638B1 (en) * | 2009-02-26 | 2010-02-23 | Northrop Grumman Systems Corporation | Detection and resolution of closely spaced targets in a monopulse system |
| RU2444750C2 (en) * | 2010-06-11 | 2012-03-10 | Открытое акционерное общество "Головное системное конструкторское бюро Концерна ПВО "Алмаз-Антей" имени академика А.А. Расплетина" (ОАО "ГСКБ "Алмаз-Антей") | Method of determining elevation coordinate of low-flying target |
| RU2682239C1 (en) * | 2017-12-22 | 2019-03-18 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия имени Адмирала флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" | Low-flying target accurate tracking method by elevation angle under interference conditions |
| RU2731879C1 (en) * | 2019-08-26 | 2020-09-08 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации | Method for increasing accuracy of determining target bearing angle while maintaining antenna interchangeability in system |
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3314220A1 (en) * | 1983-04-20 | 1984-10-25 | Licentia Patent-Verwaltungs-Gmbh, 6000 Frankfurt | Method for determining the target azimuth in a monopulse radar |
| EP0382090A1 (en) * | 1989-02-09 | 1990-08-16 | Siemens-Albis Aktiengesellschaft | Method to avoid unfavourable phase positions in a radar device employing the cross-feed method |
| RU2270458C1 (en) * | 2004-07-12 | 2006-02-20 | Открытое Акционерное Общество "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь" | Method for measuring angular coordinates of targets in mono-pulse surveillance radio-location station and a surveillance radio-location station for realization of said method |
| RU2307375C1 (en) * | 2006-04-28 | 2007-09-27 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт измерительных приборов" (ОАО "НИИИП") | Method for measurement of elevation angle of low-altitude target and radar for its realization |
| US7667638B1 (en) * | 2009-02-26 | 2010-02-23 | Northrop Grumman Systems Corporation | Detection and resolution of closely spaced targets in a monopulse system |
| RU2444750C2 (en) * | 2010-06-11 | 2012-03-10 | Открытое акционерное общество "Головное системное конструкторское бюро Концерна ПВО "Алмаз-Антей" имени академика А.А. Расплетина" (ОАО "ГСКБ "Алмаз-Антей") | Method of determining elevation coordinate of low-flying target |
| RU2682239C1 (en) * | 2017-12-22 | 2019-03-18 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия имени Адмирала флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" | Low-flying target accurate tracking method by elevation angle under interference conditions |
| RU2731879C1 (en) * | 2019-08-26 | 2020-09-08 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации | Method for increasing accuracy of determining target bearing angle while maintaining antenna interchangeability in system |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ГРАЧЕВ А.Н., КУРБАТСКИЙ С.А., ХОМЯКОВ А.В. Алгоритм трассового сопровождения низколетящих целей в моноимпульсных радиолокационных станциях на основе сигма-точечного фильтра // Журнал "Радиотехника и электроника", 2021 г., Т. 66, N 2, с. 155-161. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10197667B2 (en) | Method and signal generator for simulation of sea clutter | |
| CN108761419B (en) | Low-altitude wind shear wind speed estimation method based on self-adaptive processing of combined space-time main channel | |
| US8044842B2 (en) | High accuracy radar altimeter using automatic calibration | |
| US20090066562A1 (en) | Beam phase modulation for improved synthetic aperture detection and estimation | |
| KR101387664B1 (en) | A terrain-aided navigation apparatus using a radar altimeter based on the modified elevation model | |
| Eshbaugh et al. | HUSIR signal processing | |
| RU2633962C1 (en) | Method for determining location of scanning radar station with passive multilayer pelengator | |
| CN111257901A (en) | Positioning method for known position of scatterer under multipath propagation condition | |
| Brisken et al. | Motion estimation and imaging with a multistatic ISAR system | |
| RU2416105C1 (en) | Method of determining motion parametres of aerial objects in surveillance radar by using coherent properties of reflected signals | |
| KR20180088009A (en) | Method and apparatus for distance measurement using radar | |
| Zhao et al. | Altitude measurement of low elevation target based on iterative subspace projection | |
| RU2307375C1 (en) | Method for measurement of elevation angle of low-altitude target and radar for its realization | |
| RU2008139353A (en) | METHOD FOR DETERMINING ERROR OF MEASURING SPEED OF Aircraft INERTIAL NAVIGATION SYSTEM AND ON-BOARD AUTONOMOUS NAVIGATION COMPLEX FOR ITS IMPLEMENTATION | |
| RU2348053C1 (en) | Method of false air target identification | |
| RU2305851C2 (en) | Method for determining coordinates of radio emission source | |
| RU2569843C1 (en) | Method of forming three-dimensional image of earth's surface in on-board doppler radar station with linear antenna array | |
| CN113589275A (en) | Combined observation method for sea surface wind field, sea waves and ocean current | |
| RU2802886C1 (en) | Method for determining elevation angle of low-flying target and monopulse radar for its implementation | |
| Huang et al. | Array‐based target localisation in ATSC DTV passive radar | |
| CN111880168A (en) | Target positioning method based on passive digital array radar | |
| CN111007490A (en) | Sky wave over-the-horizon radar coordinate registration method based on buoy geographic information | |
| Lee et al. | Target positioning with surveillance radar by the estimation of atmospheric refractivity profile | |
| RU2682239C1 (en) | Low-flying target accurate tracking method by elevation angle under interference conditions | |
| RU2551896C2 (en) | Method for single-beam measurement of altitude and component velocities of aircraft and radar altimeter therefor |