SE513210C2 - Förfarande för att fastställa rörelsedata för objekt - Google Patents

Description

10 15 20 25 30 513 210 2 I fig. 1, som avser signaler erhållna från en pulsdopplerradar, som är buren av radar- plattform F som rör sig och som observerar ett objekt T, visas dopplerfrekvensskiften som är uppmätta av radam. Två toppar visar sig, vilka avser det mottagna dopplerfrekvensskíftet av huvudlobklottret M respektive objektet T, som rör sig.

Skillnaden mellan objektdopplerfrekvensskiftet och klotterdopplerfrekvensskiftet kan visualiseras som avståndet mellan objektet och klottertoppen.

Från den resulterande differensen fd mellan dopplerfrekvensskiftet som avser huvudlobklottret M respektive objektet T som rör sig, kan den radiella hastigheten v, av objektet beräknas enligt relationen: 2v, fd = , (I) Ä där lt är mikrovågsvåglängden. Den radiella farten v, för det givna objektet kan uttryckas som v, = v-cos(6), där v är objektets fart och 9 är vinkeln som bildas av objektets bana och linjen som förbinder radar och objekt.

Det observeras att differensen i frekvenser ovan och därmed den radiella fartmät- ningen är oberoende av radarplattforrnens fart.

När en pulsdopplerradar används på ett flygfordon har detta fördelen att ett objekt som rör sig kan detekteras även om objektet är nära marken eller andra stationära objekt som ses från radarn. Följaktligen kan objektet som rör sig detekteras med hög pålitlighet. Detta tillämpas också på stationära radarplattforrnar.

Som välkänt är uppgiften för ett normalt radarsystem inte vanligtvis endast begränsat till att detektera vissa objekt, utan det bör också svara för det detekterade objektets position, fart och riktning. 10 15 20 25 30 513 21Û§ 3 För pulsdopplerradarsystem följer tiden det tar för ett pulståg att förflytta sig till ett objekt och tillbaka till radam relationen: , i (11) där R är avståndet till objektet, c är ljusfartdn och t är perioden mellan en utsänd puls och den förknippade mottagna pulsen.

Genom att mäta tiden t bör det vara möjligt att erhålla avståndet till objektet. Efter- som pulsrepetitionsfrekvensen PRF typiskt hög för många radarsystem är det emellertid svårt att identifiera ekona. Följakltligen kan avståndet till objektet i många fall inte bestämmas otvetydigt.

I dessa fall bestäms avståndet med hjälp av andra eller ytterligare förfaranden.

En speciell pulsdopplerradarteknik är MPDëmedel-PRF-pulsdoppleflsättet som verkar i området 3-30 kHz PRF och utsänder mikrovågssignaler i området l- 10 cm.

Genom att använda s.k. PRF-omställning, nied vilken objektet belyses med flera PRF, kan avståndet till objektet och/eller den radiella farten av objektet bestämmas otvetydigt. Denna teknik lämnar emellertid fortfarande något att önska när det kommer till noggrannheten av avståndsinforfmationen.

En annan teknik är HPD(hög-PRF-pulsdoppjler)sättet, i vilket PRFn väljs så hög att objektens radiella fart kan erhållas. I För att åstadkomma en otvetydig fastställnirig av avståndet till objektet är det emel- lertid nödvändigt att anpassa pulståget. Olydkligtvis har detta den effekten att radarsökningsprestandan degraderas något. i 10 15 20 25 513 210 4 Vidare är inte noggrannheten av avståndsinformation helt tillfredsställande när modulering används. Därför leder detta förfarande i många radarsystem till felaktiga positionsmätningar.

Enligt välkända trigonometriska metoder, som används i kända radarsystem, kan po- sitionen för ett objekt fastställas genom att ta en riktning till objektet och kombinera denna mätning med en mätning av objektets avstånd. Hastighetsvektorn för objektet som rör sig kan erhållas genom att utföra positionsmätningar vid olika tidpunkter.

Alternativt kan vanliga krysspejlingar utföras från spridda radarenheter.

Noggrannheten av det resulterande datat kommer att bero på precisionen av vinkel- mätningen och avståndsmätningen. Positionsmätningarna kommer ofta att vara av begränsad noggrannhet. Detta i sin tur kommer att resultera i dålig noggrannhet av den beräknade hastighetsvektom eller kräva en lång mätningstid.

Beträffande objekt, som rör sig nära varandra och huvudsakligen har samma kurs och fart, finns det vidare en risk, att dessa objekt inte kan särskiljas från varandra, och att hastighetsvektorn för vilket som helst av de intilliggande objekten kan beräknas felaktigt.

I fig. 2 har denna situation illustrerats. Om en radarenhet Fl mäter positionen av ett objekt T1 för att beräkna kursen och farten av Tl, finns det en risk att en radarenhet P2 felaktigt identifierar objektet T2 som Tl, Följaktligen kommer beräkningen av Tlzs hastighet motsvarande den prickade linjen att vara felaktig. Den korrekta hastigheten av Tl är representerad av den heldragna linjen. 10 15 20 25 30 513 21-0 Sammanfattning av uppfinningen Ett syfte med uppfinningen är att ställa upp ett förfarande för att åstadkomma en exakt fastställning av hastighetsvektom av ett objekt som rör sig.

Ett annat syfte är att ställa upp ett förfarande för att leverera det ovan nämnda datat, som kan användas genom att utföra mätningar från en enkel plattform som rör sig eller flera plattformar.

Det är ett vidare syfte att åstadkomma ett förfarande för att leverera det ovan nämn- da datat baserat på mätningar utförda vid ett tillfälle.

Ytterligare ett syfte med uppfinningen är att ställa upp ett förfarande för att åstadkomma en exakt fastställning av positipnen av ett objekt som rör sig.

Enligt ämnesinnehållet som är framlagt i krav 1 är ett förfarande framtaget för att fastställa hastighetsvektom, d.v.s. farten och vinkeln av objektet, som rör sig, genom att använda indata från ett radarsystqm som ger vinkelinformation och radiell fartinforrnation om objektet som rör sig.

Enligt beroendekrav 2 är ett förfarande framtaget för att fastställa objektdata genom att använda två radarenheter som utför morqentana mätningar.

Enligt beroendekrav 3 respektive 4 är förfaranden framtagna, i vilka en enkel radarenhet som rör sig respektive flera radarlenheter utför mätningar vid två eller flera olika lägen och tillfällen. i Som definieras i beroendekrav 5 är ett förfalande framtaget för att fastställa avståndet till objektet genom att fördelaktigt använda en enkel radarenhet, som bärs av en plattform som rör sig, alternativt använda flera enheter. 10 15 20 25 30 513 210 Förfarandena enligt uppfinningen ger mycket pålitliga och noggranna resultat.

Vidare fördelar kommer att visa sig i följande detaljerade beskrivning och de bifogade kraven.

Kort beskrivning av ritningar-na Fig. 1 är en schematisk illustration av det mottagna frekvensspektrat för en känd pulsdopplerradar, fig. 2 visar en situation, i vilken positionen och hastighetsvektom kan beräknas fel- aktigt när ett känt förfarande används, fig. 3 avser geometrin, som är involverad för förfarandena enligt uppfinningen, för att fastställa hastighetsvektorn och positionen av ett mål som rör sig genom att använda två radarplattformar, fig. 4 visar geometrin, som är involverad för uppfinningen i en situation, i vilken två objekt rör sig med samma fart och riktning, fig. 5 avser geometrin, som är involverad för förfarandena enligt uppfinningen, för att fastställa hastighetsvektom och positionen av ett mål, som rör sig, fördelaktigt genom att använda en enkel plattform som rör sig.

Beskrivning av en föredragen första utförimgsforrn av uppfinningen Som nämnts ovan är ett syfte med uppfinningen att åstadkomma ett förfarande för att ta fram rörelsedata för ett objekt genom att använda mätningar från två radar- enheter som är åtskilda med en viss minimivinkel mellan dem i relation till objektet.

Dessa radarenheter kan lämpligen bäras på plattformar som rör sig, såsom flygfordon. Alternativt kan radarplattforrriarna vara stationära eller så kan en av dem röra sig medan den andra är stationär. 10 15 20 25 513 210 7 I fig. 3 har denna situation illustrerats. Varje radarplattforrn Fl och F2 innefattar en radarenhet, som genererar den radiella farten av objektet i förhållande till marken och vinkeln till objektet i relation till, till exempel ett jordbundet koordinatsystem, såsom ett koordinatsystem, som är associerat med, till exempel, det geomagnetiska eller geografiska norr, eller annat system, söm används för navigering.

Om radarenheterna är luftburna bör det förstås att radarplattformarna och objektet som skall observeras inte nödvändigtvis behöver vara på samma höjd. De bifogade figurerna och de associerade parametrarna åvser ett tvådimensionellt uplan, även om rörelserna eller färdbanorna i själva verket äger rum i tredimensionell rymd.

De radiella fartmätningarna kan erhållas från konventionella MPD- eller HPD- radarsystem eller från vilken annan typ av rådar som helst, som producerar sådana radiella fartmätningar.

Vinkeln till objektet tas fördelaktigt fram av konventionella radarmedel, som nor- malt fungerar i samverkan med ett navigatidnssystem ombord, till exempel ett GPS- system.

Enligt fig. 3 definieras den sanna farten v, vïínkeln ot av objektet som rör sig och de radiella fartema v] och v; och de respektiveívinklarna ß; och BZ mätta från plattformarna till objektet i förhållande till ett passande koordinatsystem enligt: v, -_- -v Conn-ß.) (111) v; = -v cos(cx-ß2). i (IV) Genom att lösa III och IV med avseende på så får man: V2 608031) - vi wflßz) <1 = rg” ( ). (v) V1 Sifflßz) _ V2 SiIKßÛÉ 10 15 20 25 30 513 210 8 Relation III kan uttryckas som: Vi v = - (VI) cos(ot-ß,) ' Därmed kan hastighetsvektom för objektet beräknas.

Beräkningarna ovan kan utföras i vilken som helst av radarenhetema Fl och F2 eller i vilket annat rörligt eller stationärt system som helst, som har de fordrade beräk- nings- och kommunikationsmöjlighetema. Relation IV kan också användas för att beräkna v, vilket är nödvändigt om ot = [31 + 90° till exempel.

Det bör förstås att det respektive mätdatat överförs mellan de respektive enheterna med hjälp av lämpliga, konventionella kommunikationsmedel, såsom radio eller c trad.

Därmed kan hastighetsvektom av objektet fastställas från en momentan uppsättning av mätningar av vinkeln till objektet och den radiella farten av objektet.

Som lätt kan inses så kommer en situation, i vilken flygmaskiner flyger nära var- andra, vilket visas i ñg. 4, endast ge upphov till mindre fel när förfarandet som är uppställt ovan används. Fastställningen av hastighetsvektom för hela gruppen av flygfordon, som flyger i formation, är inte kritisk med avseende på identifiering och utförande av mätningarna för samma speciella flygfordon i gruppen i jämförelse med de konventionella förfarandena nämnda ovan, vilket diskuterades i samband med fig. 2.

Genom att anta att hastighetsvektom för objektet hålls konstant framgår det att relationerna III och IV också tillämpas när objektet rör sig. 10 15 20 25 30 513 210' 9 Därför kan relation V också användas för beräkningar baserade på mätningar utför- da vid olika tidpunkter under antagandet attjobjektet inte ändrar sin kurs eller fart mellan dessa mätningar.

Som ett specialfall kan en enkel radarenhetQ som bärs av en radarplattform, som rör sig, användas, varmed radarenheten utför mätningar vid olika tidpunkter. Detta förfarande kommer att ge tillförlitliga resultat under förhållandet att en till- fredsställande grad av rotation av radarenhelten i förhållande till objektet kan åstad- kommas.

Beskrivning av en föredragen andra utföring' sform av uppfinningen Speciellt för fallet av en enkel radarplattfonfri som rör sig har ett tillförlitligt förfarande för att överföra avståndsinforrnatiion åstadkommits. Geometrin relaterad till denna situation har visats i fig. 5.

Fl betecknar en första radarplattform vid tid t, och P2 betecknar samma radarplatt- form vid en senare tid t; eller alternativt en annan radaiplattform vid denna senare üdpunkt Koordinatsystemet som visas i fig. 5 har valts så att origo O sammanfaller med positionen av Fl och så att positionen av P2, E, korsar x-axeln.

Objektet har positionen A, när det observeras av Fl, och positionen B, när det observeras från F2.

Avståndet som objektet har rört sig mellan lägena A och B, vid vilka mätningama görs betecknas s. Det bör noteras att avståndet s kan uttryckas som: S = V'(t2 _ h), g där v är farten av objektet som rör sig. 10 15 20 25 30 35 513 210 10 Förflyttningen av radarplattforrnen Fl/F2 mellan mätningarna betecknas a; ß l och ß; betecknar vinkelriktningarna till objektet i förhållande till normalen till rörelsebanan av radarplattforrnen. Återigen betecknar ot vinkeln för hastighetsvektom av objektet.

De respektive riktningslinjema från radarplattfonnen Fl/F 2 mot objektet korsar var- andra vid punkt C. Avståndet s, är linjesegmentet av en linje, som parallell med x-axeln från punkt A till en punkt D på linjen E-C.

Avståndet till objektet vid t] är linjen O-A och betecknas R. Linjen O-C betecknas RO.

Sinusteoremet ger: a RQ RO _ = _ 0 = (vin) Slnüïi-ßz) S1n(90 + ßz) C0S(ß2) Linjen s 1 som är parallell med x-axeln kan beräknas enligt: sin(ot-ß2) s, = s --:-. (IX) 008032) Vidare ger de två likformiga tñanglama O-C-E och A-C-D att: Ro RWR (Ro-RTCOSÜÉ) _ = = v . (X) a sl s-s1n(a-ß2) varmed s-sin(ot-ß2) R=R0-(1---- )- a-cos(ß2) Genom att föra in uttrycket för RO i X kan avståndet till objektet R erhållas a s R=-í--( cos(ß2)---sin(ot-ß2) (XII) Sifflßrßz) a 10 15 20 25 30 513 210. 11 På detta sätt kan avståndet till objektet R fastställas från mätningarna av vinkelrikt- ningen till objektet och den radiella farten av objektet under antagandet att farten och riktningen (v, ot) av objektet som rör sig är konstant.

Avståndet s, som objektet har rört sig erhålles från relation VII genom att använda relationer V och VI och föra in i XII.

Från båda situationerna ovan relaterande till den första och andra utföringsformen av uppfinningen bör det observeras att de erhållna relationerna är härledda under antagandet att objekt och radarplattforrnar är anordnade i eller rör sig i ett plan.

När uppfinningen används för rörelser i tredimensionell rymd - d.v.s. observering av flygmaskiner och/eller använda luftburna radarplattformar - uppstår det i praktiken att de ovan nämnda relationerna ger tillförlitliga resultat även om radiella fartmät- ningar sätts in direkt i de ovan nämnda relationerna under ignorering av lutningsvinkeln för riktningen av objektet eller lutningsvinkeln till objektet, som ses från radarplattforrnen.

Detta är huvudsakligen beroende på att höjdvariationen som uppstår för många flyg- maskinsapplikationer är inom avstånd som råder ett tiotal kilometer eller mindre medan det horisontella avståndet kan ligga inom avstånd som råder ett hundratal kilometer. Vidare upprätthåller flygmaskiner som ändrar höjd normalt inte en konstant fart.

När ett objekt rör sig i en riktning vinkelrät inot radarplattforrnen blir den mätta radiella hastigheten noll enligt relation III och IV. Därför ger inte de ovan nämnda relationerna korrekt resultat, om ett objekt till exempel har en horisontell riktning och passerar över och mellan, säg två jordbundna radatplattforrnar (närmar sig ot = 180°, ß = ßz = 90°). Därför bör man i allmänhet undvikas att använda data för dessa situationer. .m m | 10 15 20 25 30 513 210 12 Lyckligtvis är i praktiken tiden ett flygplan flyger över (eller passerar under) en radarplattfonn normalt liten i relation till dess närmande till plattformen och följ an- de sakta försvinnande. Genom att följa detta tanketåg är det önskvärt att göra vissa förklaringar baserade på mätningarnas historie och till exempel lämna ut vissa resultat.

Om fler plattformar är placerade på ett speciellt avstånd från varandra är det möjligt att använda information från endast de radarenheter som ger tillförlitliga resultat. I praktiken kan tre åtskilda enheter användas för att övervinna denna situation.

Det är observerat att för det speciella fallet där mätningar utförs vid en tidpunkt från två lägen enligt uppfinningen fastställs hastighetsvektom enligt ett plan definierat av de tre lägena av radarenhetema Fl, F2 respektive objektet T.

Det bör också observeras att den ovan angivna uppsättningen relationer använder vilket tvådimensionellt plan som helst. Till exempel är det möjligt att placera två flygande radarplattformar över varandra och på detta sätt erhålla information om objekt, som relaterar till ett vertikalt plan definierat av radarenhetema.

Komponentema av hastighetsvektorn för objektet i vinkelräta riktningar till detta plan kommer inte att ge några bidrag till de radiella fartmätningama.

Planet enligt vilket hastighetsvektom fastställs, kan fastställas genom mätning av till exempel lutningsvinkeln och vinkelntill objektet från radarenhetema i relation till ett givet referenskoordinatsystem, såsom koordinatsystemet, som används i navige- ringssystemet. Dessa mätningar kan utföras av kända radarenheter. Sedan kan en passande omvandling av hastighetsvektorn enligt koordinatsystemet, som är definierat av radarenhetema och målet till ett önskat koordinatsystem utföras.

Sådana omvandlingar är allmänt kända. lO 15 513 2101: 13 Om inte bara två utan flera mätningar utförs från positioner på sådant vis att minst två radiella hastighetsvektorfastställningar görs av objektet enligt två plan, vilka som helst, som korsar varandra, erhålls information om den tredje dimensionen av hastighetsvektom för objektet.

På detta vis, genom att använda minst tre mätningslägen för radarplattforrnarna, som är arrangerade så att dessa lägen och objektet inte är belägna i ett enkelt plan, erhålls tredimensionell information av objekt, som frör sig i tredimensionell rymd, genom att använda de ovannämnda relationerna.

Utan att frångå omfånget av de bifogade kraven är det förutsett att kända radarförfaranden kan användas för att komplettera förfarandena, som är definierade i de bifogade kraven, till exempel för att möjliggöra en vidare tolkning av resultat eller för att erhålla eller öka tillförlitligheten av de framtagna resultaten och av de system, som uppfinningen är implementerad i.

Claims (5)

10 15 20 25 30 513 210 14 Patentkrav

1. Förfarande för att fastställa rörelseinforrnation för ett objekt, som rör sig, från data, som är tillhandahållet av ett radarsystem, som innefattar minst en radarenhet (Fl, F2), varvid den minst en radarenheten (Fl, F12) är anordnad att skanna objekt i ett givet plan och är anordnad att fastställa den radiella farten (vl, vz) hos objektet, som rör sig, och varvid den minst en radarenheten (Fl, F2) vidare är anordnad att fastställa vinkeln (Bl, BZ) till objektet, som rör sig, med avseende på ett förutbestämt koordinatsystem, kännetecknad av att tvâ mätningar av den radiella farten (vl, V2) och vinkeln ([31, ßz) utförs med hjälp av den minst en radarenheten (Fl , F2) vid två olika positioner, varvid vinkeln (ot) för hastighetsvektom (v, ot) för ett objekt med avseende på det förutbestämda koordinatsystemet beräknas enligt V2 C0S(l31) - V1 C0S(ßz) <1 = tg” ( V1 Sífllßz) _ Vz Slïíßl) och V1 v = - __: cos(a-ß1) eller V2 v = - _ cos(ot-ß2)

2. Förfarande enligt krav 1, kännetecknad av att mätningarna (vl, V2; ßl, 132) utförs momentant med användning av två radarenheter (Fl, F2), som är förskjutna en vinkel från varandra med avseende på objektet, varvid radarenheterna (Fl, F2) innefattar kommunikationsmedel för överföring av mätningarna. 10 15 20 25 513 210 15

3. Förfarande enligt krav 1, kännetecknad av att mätningarna (vl, V2; ßl, 132) utförs vid minst, två olika tidpunkter (tl, tg) och punkter i rummet av en enda radarenhet (Fl), som röf sig, varvid fastställningen av hastig- hetsvektorn (v, ot) utförs under antagandet att den håller sig i huvudsak konstant under tiden mellan två mätningar.

4. Förfarande enligt krav 1, kännetecknad jav att mätningarna (V1, V2; ßl, Bg) utförs vid minst: två olika tidpunkter (ti, tz) av fler radar- enheter (Fl, F2), som har kommunikationsmedel för överföring av mätningarna, varvid fastställningen av hastighetsvektorn (v, ot) utförs under antagandet att den håller sig i huvudsak konstant under tiden mellan mätningarna.

5. Förfarande enligt krav 3 eller 4, där avståndet (a), som radarenheten eller enheterna (Fl/F2) tillryggalägger mellan tidpunkterna (tj, tz), vid vilka mätningama (V1, V2; ßl, Bg) utförs, fastställs enligt navigéringsutrustning, som är förknippad med radarenheten eller enheterna (Fl) och där avståndet (R) från radarenheten till objektet vid positionen, där den första mätningen är gjord, fastställs enligt a S R=--e-_-( C0S(ß2)-->Sin(0t-ß2) ), Sirflßt-ßz) a och där avståndet, som objektet tillryggalägger mellan tidpunktema (tj, Iz), beräknas från fastställningen av farten (v) av hastighetsvektom (v, ot) för objektet ,som rör sig, enligt S=V'(t2-[|).