Способ измерения угла места (высоты) низколетящих целей под малыми углами места в радиолокаторах кругового обзора при наличии мешающих отражений от подстилающей поверхности

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано в радиолокаторах кругового обзора для измерения угла места (высоты) низколетящих целей под малыми углами места при наличии мешающих отражений от подстилающей поверхности.

В трехкоординатных радиолокаторах различного назначения при измерении угломестных координат возникает проблема, обусловленная снижением точности оценивания угла места (высоты) обнаруженных низколетящих целей из-за явления многолучевости, порожденного отражениями эхо-сигналов от подстилающей поверхности. Наиболее значительное влияние на точность измерения обнаруженной цели явление многолучевости оказывает в радиолокационных станциях низколетящих целей. Для борьбы с явлением многолучевости при измерении угла места (высоты) разработаны различные методы, которые условно можно разделить на две группы.

К первой относятся способы, направленные на совершенствование антенных систем, заключающиеся в реализации узконаправленных по углу места диаграмм направленности антенн с целью уменьшения зоны взаимодействия главного луча диаграммы направленности антенны с подстилающей поверхностью (см., напр. [1]). Однако практическая реализация этих способов влечет за собой увеличение апертуры (размера) антенной системы, причем как по вертикали, так и по горизонтали. Другими словами, в основе этих способов - повышение угловой разрешающей способности по угловым координатам. Последний фактор также направлен на снижение зоны взаимодействия с подстилающей поверхностью. Реализация больших антенн является малоприемлемым решением для большинства радиолокаторов, предназначенных для обнаружения низколетящих целей, так как повышается конструктивно-технологическая сложность изделий, снижается мобильность и возникают затруднения по их размещению на высотных опорах.

Вторая группа способов определения угла места (высоты цели), основана на привлечении дополнительной информации о влиянии отражений от подстилающей поверхности и устранении или снижении эффективности этого влияния на оценку угла места (высоты) цели. К этой группе относится значительное число способов, базирующихся на моноимпульсном методе измерения угломестной координаты. Например, для устранения недостатков, вызванных влиянием многолучевости и в разной степени проявляющихся в верхнем и нижнем лучах диаграмм направленности антенн в моноимпульсных системах пеленгации (см., напр.[1]), применяются различные способы снижения этого влияния на оценку угла места как за счет использования дополнительных антенн [2, 3], так и за счет учета оценки мешающего влияния отраженного от поверхности эхо-сигнала путем решения специальных уравнений [2-6], обеспечивающих снижение отрицательного влияния на точность оценки угломестной координаты. К тому же при реализации способа [3] требуется проведение большого количества измерений, т.е. определение угла места является итерационной процедурой, которая вносит свои дополнительные погрешности в случае слабой отражательной способности цели. В способе [4] необходимо использовать априорные данные по интенсивности отражений от подстилающей поверхности, получаемые на основе информации о перепаде высот рельефа земной поверхности, содержащейся в цифровых картах местности, и его применение ограничено метровым диапазоном, способ [5] может быть реализован только в антеннах с горизонтальной поляризацией, использование способа [6] ограничено местностью с не очень сложной структурой подстилающей поверхности или с относительно ровной поверхностью, и его невозможно использовать в системах обзорного типа с механическим сканированием. Кроме того, задача оценки мешающего влияния отраженного от поверхности эхо-сигнала, в принципе, является сложной, необходимо учитывать фактор времени года и суток, метеоусловий, типа местности, что трудно реализовать.

Во всех рассмотренных выше способах для снижения отрицательного влияния многолучевости на точность измерения угла места низколетящих целей используемые приемы приводят либо к увеличению размера антенных систем, либо к дополнительным измерениям и решениям уравнений с использованием априорных или апостериорных данных параметров подстилающей поверхности, полученных в процессе дополнительных измерений. Необходимость выполнения дополнительных измерений снижает темп обзора пространства и приводит к увеличению времени обзора пространства, что неприемлемо для радиолокаторов, предназначенных для обнаружения низколетящих целей.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ измерения высоты целей по методу V-образного луча, описанный, например, в монографии [6], стр. 274-275. В данном способе высота воздушного объекта определяется с использованием измерений дальности до цели и ее азимута на данной дальности, измеренных двумя специально ориентированными диаграммами направленности антенны. При реализации описанного в монографии метода V-луча антенная система имеет два луча - вертикальный и наклонный, плоскость последнего составляет с плоскостью вертикального луча угол в 45 градусов. В вертикальной плоскости диаграмма направленности формируется по закону типа cosecθ, где θ - угол плоскости луча, отсчитываемый от линии пересечения вертикального и наклонного лучей диаграммы направленности антенны. Ширина лучей в азимутальной плоскости выбирается исходя из требуемого разрешения по азимуту и обычно составляет единицы градусов. При методе V-луча оба луча антенной системы вращаются вокруг вертикальной оси. Для оценки высоты используются оценка дальности до цели и измерение азимутальной координаты в вертикальном и наклонном лучах диаграммы направленности. Однако поскольку метод V-луча предназначался для измерения высоты целей на больших и средних высотах, то вертикальный и наклонный лучи пересекаются в нижней части зоны ответственности (вблизи поверхности Земли). В связи с этим разность в оценках азимута низколетящих целей в вертикальных и наклонных лучах мала или равна нулю, в связи с чем сложно оценить высоту низколетящей цели под малыми углами места.

В предложенном способе аналогично методу V-луча используются две антенны, причем вертикальные и наклонные лучи пересекаются под углом 45 градусов в верхней зоне ответственности и разнесены в нижней части зоны ответственности (на поверхности Земли). Угол места (высота) обнаруженной цели определяется на одной дальности на основе разности измеренных азимутов в вертикальном и наклонном лучах и вычисляется по формуле:

ε_ц=β_Г-β_Δ, h=R_нsinε_ц, где ε_ц - оцениваемый угол места, h - высота цели, R_н - дальность до цели, β_Δ - разность азимутов, β_Г - ширина горизонтального луча между нижней кромкой вертикального и нижней кромкой наклонного лучей.

Существо предлагаемого способа можно пояснить с привлечением фиг. 1, где:

О - центр системы координат XYZ;

Л_в - вертикальный луч, ориентированный вдоль оси z;

Л_н - наклонный луч;

Л_г - горизонтальный луч, являющийся проекцией Л_н на горизонтальную плоскость;

ОВ - линия перечения горизонтального и наклонного лучей;

ОК - линия пересечения наклонного луча и горизонтальной плоскости;

B₁ - точка нахождения цели в вертикальном луче;

K₁ - точка нахождения цели в наклонном луче;

K₂ - проекция точки K₁ на горизонтальную плоскость;

В₂ - проекция точки K₁ на ось z;

На фиг. 1 радиолокатор (антенная система) находится в точке O (в центре системы координат XYZ). Оба луча антенной системы имеют сравнительно узкую диаграмму направленности по азимуту (например, 0,8-1°), вертикальный луч Л_в (ориентированный на фиг. 1 вдоль оси z) и наклонный луч Л_н неподвижны относительно друг друга и вместе вращаются вокруг оси Y. Вертикальный луч Л_в имеет диаграмму направленности (угол ВОВ₂=ε) в угломестной плоскости, составляющую единицы градусов (например, 6-10°). Наклонный луч Л_н, пересекается с Л_в в верхней зоне ответственности и наклонен по отношению к вертикальному лучу на 45°, лучи разнесены в нижней зоне ответственности на поверхности Земли. В этом случае горизонтальный луч Л_г, являющийся проекцией Л_н на горизонтальную плоскость, равен Л_в (из построения). Следовательно, угол В₂ОK равен углу ВОВ₂ и равен ε.

Пусть цель находится в вертикальном луче в точке В₁, а в наклонном луче в точке K₁. Тогда. B₁O=K₁O=R_H по определении B₁B₂=K₁K₂ и угол ВВ₂К равен углу K₁K₂K и равен 90°. В то же время, поскольку угол K₁K₂K=углу K₁K₂O=90°, а катет K₂O общий, тогда треугольник KOK₁ равен треугольнику KOK₂ и угол KOK₂ равен углу K₁OK₂ и равен углу B₁OB₂=ε_ц - искомому углу места. Угол места можно определить, зная азимут цели в луче Л_в-β₀ и азимут цели в луче наклона Л_н-β_н, получаем значение угла В₂ОK₂=β_Δ=β_н-β₀. Тогда угол места цели ε_ц=β_Г-β_Δ, а высота цели h=R_нsinε_н.

Работоспособность приведенных соотношений проиллюстрируем на двух крайних случаях. Пусть цель находится в точке K. Тогда разность азимутов β_Δ=углу KOB₂=β_Г, следовательно ε_ц=β_Г-β_Δ=0, т.е. цель на поверхности Земли. Другой крайний случай - цель в точке B, β_Δ=0, следовательно ε_ц=β_Г=ε.

ЛИТЕРАТУРА

1. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. - М.: Радио и связь, 1984 г. - 312 с.

2. Патент на изобретение RU №2444750 C2, МПК G01S 5/08. Способ определения угломестной координаты низколетящей цели.

3. Патент на изобретение RU №2307375 C1, МПК G01S 13/04. Способ измерения угла места низколетящей цели и радиолокационная станция для его реализации.

4. Патент на изобретение RU №2291464 C2, МПК G01S 13/04, G01S 13/42, G01S 3/74. Способ измерения угла места целей при наличии отражений принимаемого эхосигнала от земной поверхности и импульсная наземная трехкоординатная радиолокационная станция для его реализации.

5. Патент на изобретение RU №2038607 C1, МПК G01S 13/02. Способ измерения угла места маловысотных целей.

6. Патент на изобретение RU №2392638 C1, МПК G01S 13/00. Способ высокоточного радиолокационного измерения угла места низколетящей цели в условиях интерференции сигналов.

7. Бакулев П.А. Радиолокационные системы.- М.: Радиотехника, 2004. - 320 с.