Способ пассивной однопозиционной угломерно-разностно-доплеровской локации перемещающегося в пространстве радиоизлучающего объекта и радиолокационная система для реализации этого способа

Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться в системах пассивной радиолокации, радиопеленгации и радиотехнического наблюдения для однопозиционного определения направлений, скоростей движения в пространстве, координат и траекторий радиоизлучающих объектов (РИО), а также их селекции по скорости движения.

Направление на РИО обычно определяется с помощью радиопеленгаторов [1 - Бакулев П.А. Радиолокационные системы. М.: Радиотехника. 2007. 376 с. С. 267], а расстояние до него - методами активной радиолокации за счет зондирования пространства излучениями радиолокационной системы (РЛС) с использованием радиодальномеров: фазовых [1 - С. 242], частотных [1 - С. 246] или импульсных [1 - С. 252].

В пассивной радиолокации прямое измерение дальности невозможно, так как зондирующие излучения не используются. В то же время пассивная радиолокация обладает определенными преимуществами [2 - Пассивная радиолокация: методы обнаружения объектов / Под ред. проф. Р.П. Быстрова и проф. А.В. Соколова. М.: Радиотехника. 2008. 320 с. С. 6], что делает привлекательным ее применение для решения ряда практических задач. Так как пассивные РЛС функционируют скрытно, существенно затрудняется определение их дислокации и характеристик, а в условиях военных конфликтов повышается живучесть систем. Наконец, при использовании пассивных РЛС отсутствуют затраты энергии на излучение, что уменьшает сложность и стоимость систем.

Отметим, что современные подвижные объекты различного назначения - ИСЗ, корабли, самолеты, беспилотные летательные аппараты, крылатые и баллистические ракеты (при испытаниях) - всегда оснащают одним или несколькими радиопередающими устройствами для обмена между собой и командными пунктами информацией с помощью сигналов систем связи, навигации, телеметрии, передачи данных и т.д. Радиопередающие устройства вышеперечисленных объектов функционируют в диапазонах частот от 0,1 до 50,0 ГГц и обычно используют широкополосные сигналы с фазовой и/или квадратурной амплитудной модуляцией различной кратности. По излучениям этих бортовых устройств с помощью пассивных РЛС может осуществляться обнаружение перемещающихся в пространстве РИО, определение их угловых координат (УК) и слежение за объектами.

Определение расположения и траекторий движения РИО системами пассивной локации является более сложной задачей. Для ее решения обычно применяют несколько разнесенных в пространстве станций, которые с помощью системы ретрансляции данных объединяются в многопозиционную систему [3 - Кондратьев B.C., Котов А.Ф., Марков Л.Н. Многопозиционные радиотехнические системы. М.: Радио и связь. 1986. 264 с.]. При этом, по сравнению с однопозиционной системой, возрастает объем используемой аппаратуры, ее сложность и стоимость. Кроме того, разнесенный прием приводит к частичному разрушению пространственно-когерентных связей между принимаемыми сигналами. Однопозиционная локация свободна от этих недостатков, но не обеспечивает без использования дополнительных данных определение наклонной дальности, скорости и траекторий движения РИО. В связи с этим поиск способов и создание устройств эффективной однопозиционной пассивной локации, обеспечивающих определение скоростей движения, координат и траекторий перемещающихся в пространстве РИО является актуальной задачей.

Известен способ однопозиционного измерения угловой скорости объекта [4 - Алпатов Б.А., Балашов О.Е. Измерение скорости объекта в системах автоматического сопровождения объектов // Вестник РГРТУ. Рязань. 2014. №4 (выпуск 50). С. 5-10]; он является аналогом заявляемого способа. В способе [4] на основании угловых измерений определяют условную скорость объекта, пропорциональную с постоянным коэффициентом его реальной скорости, в предположении, что объект движется в пространстве равномерно и прямолинейно. При этом УК объекта измеряют в временных моментах, отстоящих друг от друга на интервал T, затем из множества возможных параллельных траекторий движения, соответствующих измеренным УК, выбирают одну условную, на которой точки A, B и C равноудалены по времени на интервал 0,5 NT, определяют проекции координат точек A, B, C в зависимости (функциональной) от соответствующих проекций линейной скорости, и наконец, задавшись значениями координат точки C, определяют значения проекций V_x, V_y, V_z, текущей линейной скорости объекта, а также саму условную линейную скорость и экстраполированные значения УК.

Недостатком аналога [4] является невозможность определения истинных координат, скорости и траектории движения РИО в пространстве.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ определения из одной точки наклонной дальности до движущейся цели [5 - патент 2557808, РФ. Способ определения наклонной дальности до движущейся цели пассивным моностатическим пеленгатором / Борисов Е.Г., Мартемьянов И.С.], принятый за прототип. В соответствии с [5] совместно обрабатывают два последовательных во времени измерения пеленгов (углов азимута β₁ и β₂) и мощностей Р_С1 и Р_С2 сигналов для моментов измерений t₁ и t₂. Учитывая, что базовая точка измерения соответствует геометрическому центру угломерной системы, а линия Ц₁Ц_N (траектория движения цели) соответствует точкам Ц₁ и Ц₂ измерения пеленга на цель в моменты времени t₁ и t₂, в предположении, что цель движется прямолинейно, на основании полученных значений Р_С1 и Р_С2 вычисляют величину . Производят два последовательных измерения частот и принятых сигналов в моменты времени t₁ и t₂ соответственно, и на основании этих измерений определяют величину ; далее на основании измеренных углов азимута β₁ и β₂ определяют Δβ₂₁=β₂-β₁. После этого вычисляют дальность до цели по формуле

1

где c - скорость света;

Т=Δt₁₂.

Анализ материалов патента [5] показал, что точностные характеристики выбранного в качестве прототипа способа определяются ошибками измерения угловых координат РИО и несущих частот излучаемых им сигналов. Так, при минимально возможных точностях измерений указанных первичных параметров, погрешность определения наклонной дальности зависит от ее значения и колеблется в пределах (5-35)%.

В реальных условиях объекты наблюдения обычно излучают модулированные сигналы с подавленной несущей, что не позволяет применять способ [5], причем мощность принимаемых сигналов подвержена флюктуациям, которые вызываются интерференцией колебаний, переотраженных элементами конструкции объекта, изменениями условий распространения и переотражениями от местных предметов. Величина флюктуаций может достигать (10-15) дБ. В этом случае погрешность измерения дальности по способу [5] при коэффициенте флюктуаций К_ф=6 дБ достигает 5%, а при К_ф=12 дБ достигает 2,5 раз, то есть способ становится неработоспособным.

Таким образом, недостатками прототипа [5] являются большая погрешность измерения дальности из-за флюктуаций уровня сигнала и невозможность измерения дальности в случае использования в качестве сигналов сложных модулированных излучений. Это не позволяет определить местоположение РИО, а также направления, скорости и траектории движения в пространстве.

Изобретений, решающих упомянутые проблемы путем пассивной однопозиционной локации перемещающегося РИО, авторы заявляемого способа в технической литературе не обнаружили.

Задачей, на решение которой направлен предлагаемый способ, является обеспечение возможности определения координат, направления, скорости и траекторий движения РИО в пространстве, а также селекции их по скорости на основе пассивных однопозиционных измерений УК объектов и приращений доплеровских сдвигов частоты сигналов, излучаемых радиопередающими устройствами объектов.

Для решения этой задачи предлагается способ пассивной однопозиционной угломерно-разностно-доплеровской локации перемещающегося в пространстве РИО, при котором принимают радиосигналы, констатируют обнаружение сигнала РИО и определяют его параметры - ширину спектра, среднюю частоту спектра сигнала и вид модуляции, осуществляют автосопровождение объекта по угловым координатам, измеряют в моменты времени t_i=iT, где i=0, 1, 2, 3, … - номера измерений, T - интервал времени между измерениями, и запоминают значения отсчетов угловых координат (азимута β и угла места ε), а также текущего времени, соответствующего этим отсчетам, представляют результаты измерений в виде зависимостей β_тек(iT) и ε_тек(iT), фильтруют полученные зависимости для уменьшения ошибок измерений, получая усредненные зависимости , , и используют эти зависимости в качестве первичных параметров при совместной обработке измерений.

Согласно изобретению, восстанавливают, зная вид модуляции, несущую частоту принятого сигнала, формируют в моменты времени t_i и запоминают значения ее отсчетов, представляют результаты в виде зависимости , фильтруют полученную зависимость для уменьшения ошибок измерений, получая усредненную зависимость , выбирают из зависимости и фиксируют в заданные моменты времени t_i значения несущей частоты сигнала, равные

,

где - значение несущей частоты излучаемого сигнала;

- доплеровские сдвиги частоты несущей в моменты времени t_i;

V_ri - значения радиальной скорости объекта в те же моменты времени;

V - значения вектора скорости;

q_i - значения курсового угла объекта;

λ - длина волны сигнала РИО;

c - скорость света.

Далее интерполируют усредненные угловые зависимости и , получая непрерывные функции β(t) и ε(t), извлекают из зависимости β(t), начиная с момента времени t₀ и начального значения азимута β₀, несколько значений азимута β_k=β₀+kΔβ, где - номера выбранных значений азимута, Δβ - постоянная величина, и запоминают их совместно с соответствующими значениями единого времени t₀, t₁, t₂, …, t_k, фиксируют, начиная со значения β₀, значения азимута β_n=β₀+nΔβ, где - число приращений азимута, используемых при разностных вычислениях, вычисляют интервалы времени прохождения объектом азимутальных секторов Δβ_k,n=|β_k-β_n|, равные Δt_k,n=t_k-t_n, интерполируют усредненную частотную зависимость , получая непрерывную функцию , вычисляют приращения доплеровских сдвигов частоты принимаемых сигналов на интервалах Δt_k,n, достаточно малых для справедливости предположения о равномерности и прямолинейности движения РИО со скоростью V на постоянной высоте H, когда горизонтальная скорость объекта V_г=V (при движении объекта по криволинейной траектории осуществляется ее кусочно-линейная аппроксимация на интервалах Δt_m>Δt_k,n), а его положение в сферической системе координат определяется текущими значениями:

- наклонной дальности D_тек, проекцией которой на плоскость горизонта является горизонтальная дальность d_тек;

- азимута β_тек, отсчитываемого против часовой стрелки от основного направления, совпадающего с осью Ox, до вектора горизонтальной дальности d_тек;

- угла места ε_тек между наклонной и горизонтальной дальностями, связанными соотношением D_тек=d_текcosε_тек;

- путевого угла Q, отсчитываемого против часовой стрелки от основного направления до горизонтальной проекции вектора скорости V при постоянном значении высоты H;

- курсового угла q_тек, отсчитываемого против часовой стрелки от горизонтальной проекции вектора скорости до вектора горизонтальной дальности, причем q_тек=β_тек+α, Q+q_тек=β_тек+180°, Q=180°-α, где α - угол между вектором скорости V_г и осью 0x; определяют горизонтальные составляющие приращений доплеровских сдвигов частоты как

,

находят, задавая значения k=2 и 4, n=0 и 2, приращения доплеровских сдвигов частоты на интервалах Δt_2,0, Δt_4,2, Δt_4,0 по формулам

,

,

,

вычисляют величину отношения

,

находят, решая полученное уравнение, значение tgα и вычисляют величину угла

,

определяют текущее значение курсового угла q_k=β_k+α и, используя уравнение для приращения доплеровского сдвига частоты на интервале Δt_4,0, модуль горизонтальной скорости , а затем - расстояние, пройденное РИО за интервал времени Δt_4,0, в виде

,

определяют радиус окружности, проходящей через начало координат, хордой которой является расстояние S_4,0, находят центр O' этой окружности, фиксируя точку на конце луча длиной R, проведенного из начала координат 0 под углом β_Ц=β₀+q₄-90°, рассчитывают дальности d₀ и d₄ из соотношения в виде

,

определяя координаты РИО в моменты времени t₀ и t₄ как точки пересечения окружности с центром O' и лучей длиной d₀ и d₄, проведенных из начала координат под углами β₀ и β₄, вычисляют интерполированные d_k=1,2,3 и экстраполированные d_k≥4 значения дальностей на интервале сохранения гипотезы о равномерном и прямолинейном движении РИО на постоянной высоте по формулам

при k=1, 2, 3 и n=4,

при k≥4 и n=4,

определяют наклонные дальности и высоты как

и,

где и - значения косинуса и тангенса угла места в моменты времени t_k, осуществляют построение траектории движения РИО в пространстве на начальном интервале кусочно-линейной аппроксимации, а в случае кратковременного пропадания сигнала - ее прогнозируемое значение, при этом критерием сохранения гипотезы о равномерном и прямолинейном движении РИО является выполнение неравенств

|α-α_i|<Δα_i, |V-V_i|<ΔV_i, |H-H_i|<ΔH_i,

где Δα, ΔV, ΔH - пороговые значения величин α, V, H, определяющие размеры участка кусочно-линейной аппроксимации траектории, вычисляют, в случае изменения высоты РИО, при |H_k-H_n|≥ΔH значение угла γ пикирования (кабрирования) как , а расчеты величин α, V, D производят, используя в вышеприведенных формулах значение V_г=Vcosγ, фиксируют в момент, когда перестают выполняться неравенства |α-α_i|<Δα_i и |V-V_i|<ΔV_i, начало маневра объекта, после чего задают новые начальные значения азимута для следующего участка кусочно-линейной аппроксимации траектории и повторяют расчеты ее параметров α, V, D, H для построения траектории движения РИО в пространстве на интервале наблюдения.

В случае, если траектория движения РИО находится в плоскости наблюдения (вертикальной), т.е. азимут объекта с течением времени не изменяется (β_iT=const), после получения непрерывной функции ε(t), извлекают из нее, начиная с момента времени t₀, несколько значений угла места ε_k=ε₀+kΔε, где - номера выбранных значений угла места, отстоящих от начального значения ε₀ на величины kΔε, запоминают их совместно с соответствующими значениями единого времени в моменты t_k, вычисляют интервал времени прохождения объектом угломестных секторов Δε_k,n=4Δε как Δt_4,0=t₄-t₀, для n=0 и 4, фиксируют в моменты времени t₀, t₄ текущие значения несущей частоты сигнала РИО, равные , где , вычисляют приращение доплеровского сдвига несущей на интервале Δt_4,0 как , определяют величину модуля вектора скорости РИО на интервале времени Δt_4,0 как , а затем расстояние, пройденное радиоизлучающим объектом за интервал Δt_4,0, как ΔS=VΔt_4,0, а также радиус описывающей окружности, проходящей через начало координат, у которой хордой является расстояние ΔS, определяют центр Oʺ этой окружности, фиксируя точку на конце луча длиной R', проведенного из начала координат 0 под углом ε_Ц=2ε₀-90°+4Δε, рассчитывают дальности до объекта из соотношения в виде , , а также высоты H₀₍₄₎=D₀₍₄₎sinε₀₍₄₎, определяя координаты РИО как точки пересечения окружности с центром Oʺ и лучей длиной D₀ и D₄, проведенных из начала координат под углами ε₀ и ε₄, после чего осуществляют построение траектории движения РИО в пространстве, задавая значения угла места из ряда ε_тек(t_i) и повторяя расчеты значений Δt_i, V_i, D_i, H_i по вышеприведенным формулам, проверяя при этом справедливость гипотезы о равномерном и прямолинейном движении РИО.

Техническим результатом, достигаемым при использовании предложенного способа, является возможность определения с достаточной точностью направления движения (курсового угла), абсолютного значения линейной скорости, наклонной дальности и траектории движения радиоизлучающего объекта, что позволяет средствами пассивной однопозиционной локации решать задачи навигации, управления движением и селекции движущихся РИО.

Аналогом заявляемого устройства - пассивной угломерно-разностно-доплеровской РЛС, реализующей предложенный способ - является однопозиционная наземная радиолокационная станция [6 - патент 2217773, РФ. Способ определения координат источника радиоизлучения и радиолокационная станция для его реализации / Беляев Б.Г., Голубев Г.Н., Жибинов В.А., Кисляков В.И., Лужных С.Н.], содержащая пассивный канал обнаружения, активный канал обнаружения, а также блок вычисления координат (БВК). Пассивный канал содержит последовательно соединенные антенну и приемник, а активный канал - антенну, антенный переключатель, передатчик, приемник, устройство вычисления дальности и синхронизатор БВК, который содержит последовательно соединенные устройство измерения сдвига принимаемых сигналов во времени и вычислитель координат. При этом выходы пассивного и активного каналов обнаружения подключены ко входам БВК, а выход БВК является выходом радиолокационной станции.

Сначала в аналоге [6] производится обнаружение источника радиоизлучения пассивным каналом, при этом антенна пассивного канала ориентируется в сторону источника и принимает его прямое излучение, что позволяет по ее положению определить УК источника. Далее с помощью активного канала в пассивном режиме производится обнаружение некоего отражающего объекта (антенна активного канала принимает отраженное от него излучение) и определяются его УК. Одновременно измеряется взаимная корреляционная функция сигналов, принятых обоими каналами, позволяющая найти их временной сдвиг. Затем с помощью активного канала обнаружения в активном режиме производится измерение дальности до источника, обнаруженного в пассивном режиме. Таким образом, аналог [6] не является чисто пассивной РЛС - в нем используются методы и пассивной, и активной радиолокации.

Недостатками аналога [6] являются необходимость существования в контролируемой зоне пространства дополнительного отражающего объекта, а также введение в состав радиолокационной станции дополнительного активного канала обнаружения с передатчиком.

В качестве прототипа заявляемого устройства (пассивной однопозиционной угломерно-разностно-доплеровской РЛС), реализующего предложенный способ, выбрано устройство из патента 2557808, РФ [5]. Это устройство содержит антенну, приемное устройство, измеритель мощности, угломерное устройство, измеритель частоты и вычислительное устройство. При этом выход антенны соединен со входом приемного устройства, первый выход которого соединен со входом измерителя мощности, второй выход - со входом угломерного устройства, а третий - со входом измерителя частоты. Выход измерителя мощности, угломерного устройства и измерителя частоты соединен соответственно с первым, вторым и третьим входами вычислительного устройства, выход которого является выходом устройства-прототипа.

Устройство из патента [5] работает следующим образом. Принятый антенной сигнал подается на вход приемного устройства, осуществляющего процедуру обнаружения и усиления сигналов до требуемого уровня. С первого выхода приемного устройства сигналы поступают в измеритель мощности, где оценивается мощность принятого сигнала. Со второго выхода приемного устройства сигналы поступают в угломерное устройство, где оцениваются УК объекта. С третьего выхода приемного устройства сигналы поступают в измеритель частоты, где оценивается частота принятого сигнала. Данные с выходов измерителя мощности, угломерного устройства и измерителя частоты подаются в вычислительное устройство, осуществляющего обработку двух последовательных во времени измерений пеленгов (углов азимута β₁ и β₂) и мощностей P_C1 и P_C2 сигналов, принимаемых автономной угломерной системой для рассматриваемых моментов измерений t₁ и t₂, учитывая, что базовая точка измерения соответствует геометрическому центру автономной угломерной системы, а линия Ц₁Ц_N (траектория движения цели) соответствует точкам Ц₁ и Ц₂ измерения пеленга на цель в моменты времени t₁ и t₂, предполагая, что цель движется прямолинейно. На основании полученных значений P_C1 и P_C2 вычисляют величину , дополнительно производят два последовательных измерения частот и принятого сигнала в моменты времени измерений t₁ и t₂ соответственно, и определяют величину , а на основании измеренных углов азимута β₁ и β₂ определяют Δβ₂₁=β₂-β₁. После этого вычисляют дальность до цели по формуле

,

где c - скорость света;

T=Δt₁₂.

Недостатками устройства-прототипа [6] являются большая погрешность измерения дальности в случае флюктуаций уровней сигнала и невозможность измерения дальности при использовании в качестве сигналов сложных модулированных излучений.

Задачей, на решение которой направлено создание пассивной однопозиционной угломерно-разностно-доплеровской РЛС, реализующей предложенный способ, является обеспечение возможности определения направления и скорости движения, местоопределения и траектории движения РИО в пространстве с достаточной точностью при приеме флюктуирующих сигналов, а также селекции объектов по скорости на основе только пассивных однопозиционных измерений.

Для решения указанной задачи предлагается пассивная однопозиционная угломерно-разностно-доплеровская РЛС, содержащая последовательно включенные антенно-фидерную систему и радиоприемную систему, соединенную своими первым и вторым выходами со входами соответственно измерителя мощности и параметров сигналов и угломерного устройства, выходы которых соединены с первым, вторым, третьим и четвертым входами устройства вычисления, управления и синхронизации.

Согласно изобретению, в РЛС дополнительно введены устройство восстановления несущей частоты сигнала, устройство формирования отсчетов несущей, устройство формирования отсчетов угловых координат, устройство формирования отсчетов времени, устройство регистрации данных, измеритель приращений частоты, угловых координат и времени, вычислитель курсового угла, скорости и приращений положения и вычислитель линий положения, причем выход устройства формирования отсчетов времени подключен к пятому входу устройства вычисления, управления и синхронизации, а шестой и седьмой выходы устройства вычисления, управления и синхронизации соединены с первым и вторым входами устройства восстановления несущей, выход которого через УФОН подключен к первому входу устройства регистрации данных, второй вход устройства формирования отсчетов несущей подключен к восьмому выходу устройства вычисления, управления и синхронизации, соединенному также с управляющим входом устройства формирования отсчетов угловых координат, к первому и второму сигнальным входам которого подключены девятый и десятый выходы устройства вычисления, управления и синхронизации, при этом третий и четвертый выходы устройства формирования отсчетов угловых координат соединены с одиннадцатым и двенадцатым входами устройства вычисления, управления и синхронизации, а пятый и шестой выходы устройства формирования отсчетов угловых координат - со вторым и третьим входами устройства регистрации данных, выход которого соединен с последовательно включенными измерителем приращений частоты, угловых координат и времени, вычислителем курсового угла, скорости и приращений положения и вычислителем линий положения, причем выход вычислителя линий положения соединен с пятнадцатым входом устройства вычисления, управления и синхронизации, тринадцатый выход устройства вычисления, управления и синхронизации подключен к четвертому входу устройства регистрации данных, а четырнадцатый выход устройства вычисления, управления и синхронизации - к третьему входу измерителя приращений частоты, угловых координат и времени, второй выход которого соединен со входом данных устройства регистрации данных, а шестнадцатый выход устройства вычисления, управления и синхронизации является выходом системы.

Техническим результатом применения предложенного устройства является возможность однопозиционного измерения в пассивном режиме направления движения РИО (курсового угла), величины модуля линейной скорости, наклонной дальности и траектории движении РИО, что позволяет решать задачи навигации, управления движением и селекции движущихся РИО.

Предложенные способ и устройство не известны в современной радиотехнике, а также не известны источники информации, содержащие сведения об аналогичных технических решениях, имеющих признаки, сходные с признаками, отличающими заявляемые решения от прототипов, а также свойства, совпадающие со свойствами заявляемых решений. Поэтому можно считать, что предложенные изобретения обладают существенными отличиями, вытекающими из известных решений неочевидным образом и, следовательно, соответствуют критериям «новизна» и «изобретательский уровень».

Достижение заявленного технического результата поясним с помощью следующих фигур, на которых представлены:

- геометрия задачи в сферической системе координат (фигура 1);

- процесс взаимодействия пассивной однопозиционной угломерно-разностно-доплеровской локационной системы и РИО в горизонтальной плоскости (фигура 2);

- геометрия задачи для случая, когда траектория движения РИО расположена в вертикальной плоскости наблюдения (фигура 3);

- схема электрическая структурная системы, реализующей предложенный способ (фигура 4).

На фигуре 1 пассивная однопозиционная угломерно-разностно-доплеровская локационная система находится в начале 0 сферической системы координат, а РИО движется в пространстве по траектории A₀F со скоростью V на постоянной высоте H.

При реализации предложенного способа выполняется следующая последовательность операций.

Принимают радиосигналы, констатируют обнаружение сигнала РИО и определяют его параметры - ширину спектра, среднюю частоту спектра сигнала и вид модуляции. Осуществляют автосопровождение объекта по угловым координатам. Измеряют в моменты времени t_i=iT, где i=0, 1, 2, 3, … - номера измерений, T - интервал времени между измерениями, и запоминают значения отсчетов угловых координат (азимута β и угла места ε), а также текущего времени, соответствующего этим отсчетам - 1.

Представляют результаты измерений в виде зависимостей β_тек(iT) и ε_тек(iT). Фильтруют полученные зависимости для уменьшения ошибок измерений, получая усредненные зависимости , , и используют эти зависимости в качестве первичных параметров при совместной обработке измерений - 2.

В соответствии с изобретением, восстанавливают, зная вид модуляции, несущую частоту принятого сигнала, формируют в моменты времени t_i и запоминают значения ее отсчетов, представляют результаты в виде зависимости , фильтруют полученную зависимость для уменьшения ошибок измерений, получая усредненную зависимость .

Выбирают из зависимости и фиксируют в заданные моменты времени t_i значения несущей частоты сигнала, равные

,

где - значение несущей частоты излучаемого сигнала;

- доплеровские сдвиги частоты несущей в моменты времени t_i;

V_ri - значения радиальной скорости объекта в те же моменты времени;

V - значения вектора скорости РИО¹ (¹Движение РИО на рассматриваемом участке считается равномерным и прямолинейным; если движение происходит по криволинейной траектории, то, как показано на фигуре 1, осуществляется ее кусочно-линейная аппроксимация.);

q_i - значения курсового угла объекта;

c - скорость света;

λ - длина волны сигнала РИО - 4.

Интерполируют усредненные угловые зависимости и , получая непрерывные функции β(t) и ε(t). Извлекают из зависимости β(t), начиная с момента времени t₀ и начального значения азимута β₀, несколько значений азимута β_k=β₀+kΔβ, где - номера выбранных значений азимута, Δβ - постоянная величина - приращение азимута, и запоминают их совместно с соответствующими значениями единого времени t₀, t₁, t₂, …, t_k. Фиксируют, начиная со значения β₀, значения азимута β_n=β₀+nΔβ, где - число приращений азимута, используемых при разностных вычислениях, и вычисляют интервалы времени прохождения объектом азимутальных секторов Δβ_k,n=|β_k-β_n|, равные Δt_k,n=t_k-t_n - 5.

Интерполируют усредненную частотную зависимость , получая непрерывную функцию .

Вычисляют приращения доплеровских сдвигов частоты принимаемых сигналов на интервалах Δt_k,n, достаточно малых для справедливости предположения о равномерности и прямолинейности движения РИО со скоростью V на постоянной высоте H, когда горизонтальная скорость объекта V_г=V (при движении объекта по криволинейной траектории осуществляется ее кусочно-линейная аппроксимация на интервалах Δt_m>Δt_k,n), а его положение в сферической системе координат определяется текущими значениями:

- наклонной дальности D_тек, проекцией которой на плоскость горизонта является горизонтальная дальность d_тек;

- азимута β_тек, отсчитываемого против часовой стрелки от основного направления, совпадающего с осью Ox, до вектора горизонтальной дальности d_тек;

- угла места ε_тек между наклонной и горизонтальной дальностями, связанными соотношением D_тек=d_текcosε_тек;

- путевого угла Q, отсчитываемого против часовой стрелки от основного направления до горизонтальной проекции вектора скорости V при постоянном значении высоты H;

- курсового угла q_тек, отсчитываемого против часовой стрелки от горизонтальной проекции вектора скорости до вектора горизонтальной дальности, причем q_тек=β_тек+α, Q+q_тек=β_тек+180°, Q=180°-α, где α - угол между вектором скорости V_г и осью 0x.

Определяют горизонтальные составляющие приращений доплеровских сдвигов частоты как

.

Геометрическая интерпретация приведенных выше соотношений представлена на фигуре 2.

Далее находят, задавая значения k=2 и 4, n=0 и 2, приращения доплеровских сдвигов частоты на интервалах Δt_2,0, Δt_4,2, Δt_4,0 по формулам

,

,

.

Вычисляют величину отношения

и, решая полученное уравнение, находят значение tgα, откуда получают величину угла

.

Определяют в соответствии с фигурой 2 текущее значение курсового угла как q_k=β_k+α. Используя уравнение для приращения доплеровского сдвига частоты на интервале Δt_4,0, находят модуль горизонтальной скорости , а затем - расстояние, пройденное РИО за интервал времени Δt_4,0, в виде

.

После этого определяют радиус окружности, проходящей через начало координат, хордой которой является расстояние S_4,0, и находят центр O' этой окружности, фиксируя точку на конце луча длиной R, проведенного из начала координат 0 под углом β_Ц=β₀+q₄-90° - 11.

Затем рассчитывают дальности d₀ и d₄ из соотношения в виде , определяя координаты РИО в моменты времени t₀ и t₄ как точки пересечения окружности с центром O' и лучей длиной d₀ и d₄, проведенных из начала координат под углами β₀ и β₄ - 12.

Далее вычисляют интерполированные d_k=1,2,3 и экстраполированные d_k≥4 значения дальностей на интервале сохранения гипотезы о равномерном и прямолинейном движении РИО на постоянной высоте по формулам

при k=1, 2, 3 и n=4,

при k≥4 и n=4,

после чего определяют наклонные дальности и высоты как

и ,

где и - значения косинуса и тангенса угла места в моменты времени t_k - 13.

Затем осуществляют построение траектории движения РИО в пространстве на начальном интервале кусочно-линейной аппроксимации, а в случае кратковременного пропадания сигнала - ее прогнозируемое значение, при этом критерием сохранения гипотезы о равномерном и прямолинейном движении радиоизлучающего объекта является выполнение неравенств

|α-α_i|<Δα_i, |V-V_i|<ΔV_i, |H-H_i|<ΔH_i,

где Δα, ΔV, ΔH - пороговые значения величин α, V, H, определяющие размеры участка кусочно-линейной аппроксимации траектории. В случае изменения высоты РИО вычисляют при |H_k-H_n|≥ΔH значение угла γ пикирования (кабрирования) как , а расчеты величин α, V, D производят, используя в вышеприведенных формулах значение V_г=Vcosγ - 14.

В момент, когда перестают выполняться неравенства |α-α_i|<Δα_i и |V-V_i|<ΔV_i, фиксируют начало маневра объекта, после чего задают новые начальные значения азимута для следующего участка кусочно-линейной аппроксимации траектории и повторяют расчеты ее параметров α, V, D, H для построения траектории движения радиоизлучающего объекта в пространстве на интервале наблюдения - 15.

Геометрия задачи, когда траектория движения РИО находится в плоскости наблюдения (вертикальной), т.е. его азимут с течением времени не изменяется, представлена на фигуре 3. В этом случае для построения траектории движения РИО выполняется следующая последовательность операций.

После получения непрерывной функции ε(t), извлекают из нее, начиная с момента времени t₀, несколько значений угла места ε_k=ε₀+kΔε, где - номера выбранных значений угла места, отстоящих от начального значения ε₀ на величины kΔε, и запоминают их совместно с соответствующими значениями единого времени в моменты t_k. Вычисляют интервал времени прохождения объектом угломестных секторов Δε_k,n=4Δε как Δt_4,0=t₄-t₀, для n=0 и 4, фиксируют в моменты времени t₀, t₄ текущие значения несущей частоты сигнала РИО, равные , где , вычисляют приращение доплеровского сдвига частоты несущей на интервале Δt_4,0 как .

Далее определяют величину модуля вектора скорости РИО на интервале времени Δt_4,0 как , а затем расстояние, пройденное радиоизлучающим объектом за интервал Δt_4,0, как ΔS=VΔt_4,0, а также радиус описывающей окружности, проходящей через начало координат, у которой хордой является расстояние ΔS. Определяют центр Oʺ этой окружности, фиксируя точку на конце луча длиной R', проведенного из начала координат 0 под углом ε_Ц=2ε₀-90°+4Δε - 17.

Затем рассчитывают дальности до объекта из соотношения в виде , , а также высоты H₀₍₄₎=D₀₍₄₎sinε₀₍₄₎, определяя координаты радиоизлучающего объекта как точек пересечения окружности с центром Oʺ и лучей длиной D₀ и D₄, проведенных из начала координат под углами ε₀ и ε₄ - 18.

После этого осуществляют построение траектории движения РИО в пространстве, задавая значения угла места из ряда ε_тек(t_i) и повторяя расчеты значений Δt_i, V_i, D_i, H_i по вышеприведенным формулам, проверяя при этом справедливость гипотезы о равномерном и прямолинейном движении радиоизлучающего объекта - 19.

Примером реализации предложенного способа является пассивная однопозиционная угломерно-разностно-доплеровская РЛС, структурная схема которой приведена на фигуре 4, где приняты следующие обозначения:

1 - антенно-фидерная система (АФС);

2 - радиоприемная система (РПС);

3 - измеритель мощности и параметров сигналов (ИМПС);

4 - угломерное устройство (УМУ);

5 - устройство вычисления, управления и синхронизации (УВУС);

6 - устройство восстановления несущей (УВН);

7 - устройство формирования отсчетов несущей (УФОН);

8 - устройство формирования отсчетов угловых координат (УФОУК);

9 - устройство формирования отсчетов времени (УФОВ);

10 - устройство регистрации данных (УРД);

11 - измеритель приращений частоты, угловых координат и времени (ИПЧ-УК-В);

12 - вычислитель курсового угла, скорости и приращений положения (ВКУ-С-ПП);

13 - вычислитель линий положения (ВЛП).

Заявляемое устройство - пассивная однопозиционная угломерно-разностно-доплеровская РЛС - содержит (фигура 4) последовательно включенные антенно-фидерную систему и радиоприемную систему, соединенную своими первыми и вторым выходами со входами соответственно ИМПС и УМУ, выходы которых соединены с первым, вторым, третьим и четвертым входами УВУС.

В заявляемую РЛС дополнительно введены устройство формирования отсчетов времени, устройство восстановления несущей частоты сигнала, устройство формирования отсчетов несущей, устройство формирования отсчетов угловых координат, устройство регистрации данных, измеритель приращений частоты, угловых координат и времени, вычислитель курсового угла, скорости и приращений положения и вычислитель линий положения, причем выход устройства формирования отсчетов времени подключен к пятому входу устройства вычисления, управления и синхронизации, а шестой и седьмой выходы устройства вычисления, управления и синхронизации соединены с первым и вторым входами устройства восстановления несущей, выход которого подключен к первому входу устройства регистрации данных через устройство формирования отсчетов несущей, второй вход устройства формирования отсчетов несущей подключен к восьмому выходу устройства вычисления, управления и синхронизации, соединенному также с управляющим входом устройства формирования отсчетов угловых координат, к первому и второму сигнальным входам которого подключены девятый и десятый выходы устройства вычисления, управления и синхронизации, при этом третий и четвертый выходы устройства формирования отсчетов угловых координат соединены с одиннадцатым и двенадцатым входами устройства вычисления, управления и синхронизации, а пятый и шестой выходы устройства формирования отсчетов угловых координат - со вторым и третьим входами устройства регистрации данных, выход которого соединен с первым входом измерителя приращений частоты, угловых координат и времени, выход которого подключен ко входу вычислителя курсового угла, скорости и приращений положения, соединенного своим выходом со входом вычислителя линий положения, выход которого соединен с пятнадцатым входом устройства вычисления, управления и синхронизации, причем тринадцатый выход устройства вычисления, управления и синхронизации подключен к четвертому входу устройства регистрации данных, а четырнадцатый выход устройства вычисления, управления и синхронизации - к третьему входу измерителя приращений частоты, угловых координат и времени, второй выход которого соединен со входом данных устройства регистрации данных, а шестнадцатый выход устройства вычисления, управления и синхронизации является выходом системы.

РЛС работает следующим образом. После включения АФС 1 принимает радиосигналы, которые подаются их на вход РПС 2, где осуществляется их усиление и преобразование по частоте, а также констатируется обнаружение сигнала РИО. Напряжение с выходов РПС 2 подается параллельно на входы ИМПС 3 и УМУ 4. В ИМПС 3 определяют мощность и параметры сигнала - ширину спектра, среднюю частоту спектра сигнала и вид модуляции. В УМУ 4 определяют УК объекта и инициируют автосопровождение объекта по угловым координатам. Измеряют в моменты времени t_i=iT, где i=0, 1, 2, 3, … - номера измерений, T - интервал времени между измерениями, и запоминают значения отсчетов УК (азимута β и угла места ε). Представляют результаты измерений в виде зависимостей β_тек(iT), ε_тек(iT). Фильтруют в УВУС 5 полученные зависимости для уменьшения ошибок измерений, получая усредненные зависимости , , и используют эти зависимости в качестве первичных параметров при совместной обработке последовательных во времени измерений.

В УВН 6 восстанавливают, зная вид модуляции, несущую частоту сигнала. Измеряют в моменты времени t_i=iT и запоминают значения отсчетов несущей частоты , а также текущего времени, соответствующего этим отсчетам. Представляют результаты измерений в виде зависимости . Фильтруют ее для уменьшения ошибок измерений, получая усредненную зависимость , и используют эту зависимость в качестве первичного параметра при совместной обработке последовательных во времени измерений. В УФОН 7 выбирают из зависимости и фиксируют в заданные моменты времени t_i усредненные значения несущей частоты сигнала, равные

,

где - значение несущей частоты излучаемого сигнала;

- доплеровские сдвиги частоты несущей в моменты времени t_i;

V_ri - значения радиальной скорости объекта в те же моменты времени;

V - значения вектора скорости;

q_i - значения курсового угла объекта;

λ - длина волны сигнала радиоизлучающего объекта;

c - скорость света.

Данные с выходов ИМПС 3 и УМУ 4 подаются соответственно на первый, второй, третий и четвертый входы УВУС 5. На пятый вход УВУС 5 с выхода УФОВ 9 поступают кодированные значения текущего времени код t_тек и отсчеты времени t_к, с использованием которых в УВУС 5 интерполируют усредненные зависимости , и получают непрерывные функции β_T, ε_T, которые подают на первый и второй входы УФОУК 8. Аналогично в УВН 6 интерполируют усредненную зависимость и получают непрерывную функцию , которую подают на вход УФОН 7. Здесь с использованием отсчетов времени t_к, поступающих на управляющий вход с восьмого выхода УВУС 5, формируют последовательность , которую с его выхода подают на первый вход УРД 10. Также в УФОУК 8, с использованием отсчетов времени t_к, поступающих на управляющий вход с восьмого выхода УВУС 5, формируют последовательности β_T(t), ε_T(t), которые с третьего и четвертого выходов УФОУК 8 подаются на одиннадцатый и двенадцатый входы УВУС 5, а с пятого и шестого выходов - на второй и третий входы УРД 10.

В УРД 10 с использованием данных о коде t_тек, поступающих на четвертый вход с тринадцатого выхода УВУС 5, последовательности , β_T(t), ε_T(t) привязывают к соответствующим значениям единого времени t₀, t₁, t₂, …t_k. Далее с выхода УРД 10 они по запросу, поступающему на управляющий вход со второго выхода ИПЧ-УК-В 11, подаются на первый вход ИПЧ-УК-В 11.

С использованием данных, поступающих на третий вход ИПЧ-УК-В 11 с четырнадцатого выхода УВУС 5, в ИПЧ-УК-В 11 формируются значения Δβ, Δε и интервалов времени прохождения объектом азимутальных секторов Δβ_k,n=|β_k-β_n| и угломестных секторов Δε_k,n=|ε_k-ε_n|, равных Δt_k,n=t_k-t_n, где - число приращений азимута или угла места, используемых при разностных вычислениях. В блоке ИПЧ-УК-В 11 определяют также значения приращений доплеровских сдвигов частоты принимаемых сигналов на интервалах Δt_k,n, достаточно малых для справедливости предположения о равномерности и прямолинейности движения РИО (при движении объекта по криволинейной траектории осуществляется ее кусочно-линейная аппроксимация на интервалах Δt_m>Δt_{k+n, n}), причем его скорость составляет V, а высота равна H (горизонтальная скорость объекта V_Г=V). Задавая значения k=0, 2, 4, а n=0, 2, определяют приращения доплеровских сдвигов частоты на интервалах Δt_2,0, Δt_4,2, Δt_4,0.

Эти приращения из ИПЧ-УК-В 11 направляют на вход ВКУ-С-ПП 12, где определяют текущее значение курсового угла q_k=β_k+α, а также, используя уравнение для приращения доплеровского сдвига частоты на интервале Δt_4,0, модуль горизонтальной скорости , а затем - расстояние, пройденное РИО за интервал времени Δt_4,0, как .

С выхода ВКУ-С-ПП 12 данные q_k, V и S подаются на блок ВЛП 13, где определяют радиус окружности, проходящей через начало координат, хордой которой является расстояние S_4,0, и находят центр O' этой окружности, фиксируя точку на конце луча длиной R, проведенного из начала координат O под углом β_Ц=β₀+q₄-90°, а также линии положения. Величины O', R, q_k и S с выхода ВЛП 13 передаются на пятнадцатый вход УВУС 5.

В УВУС 5 вычисляют местоположение РИО как координаты точек пересечения окружности с центром O' и лучей, проведенных из начала координат под углами β₀ и β₄, и определяют дальности d₀ и d₄ из соотношения как . Затем вычисляют интерполированные d_k=1,2,3 и экстраполированные d_k≥4 значения дальностей на интервале сохранения гипотезы о равномерном и прямолинейном движении РИО на постоянной высоте по формулам

при k=1, 2, 3 и n=4,

при k≥4 и n=4,

после чего определяют наклонные дальности и высоты как

и ,

где и - значения косинуса и тангенса угла места в моменты t_k.

Далее в УВУС 5 осуществляют построение траектории движения РИО в пространстве на начальном интервале кусочно-линейной аппроксимации, а в случае кратковременного пропадания сигнала - ее прогнозируемое значение, при этом критерием сохранения гипотезы о равномерном и прямолинейном движении радиоизлучающего объекта является выполнение неравенств

|α-α_i|<Δα_i, |V-V_i|<ΔV_i, |H-H_i|<ΔH_i,

где Δα, ΔV, ΔH - пороговые значения величин α, V, H.

Затем определяют значение угла γ пикирования (кабрирования) как , при расчете величин α, V и D в вышеприведенных формулах используют значение V_Г=Vcosγ.

В момент, когда перестают выполняться неравенства |α-α_i|<Δα_i и |V-V_i|<ΔV_i, фиксируют начало маневра объекта, после чего задают новые начальные значения азимута для следующего участка кусочно-линейной аппроксимации траектории и повторяют расчеты ее параметров α, V, D, H, необходимые для построения траектории движения РИО в пространстве.

Для оценки точностных характеристик предложенного способа получена зависимость ошибки измерения горизонтальной дальности до РИО, являющейся финишным параметром, от ошибок измерения первичных параметров, предполагая, что они подчиняются нормальному закону распределения и являются некоррелированными.

Как показано в материалах заявки, горизонтальная дальность до РИО определяется соотношением

где

;

.

После подстановки значения tgα в соотношение (1) и ряда преобразований получаем

где

;

.

Ошибку измерения горизонтальной дальности до РИО получим на основании теоремы о линеаризации функции нескольких случайных аргументов в виде

где σ_λ, , σ_Δt, - среднеквадратические ошибки (СКО) измерений соответственно длины волны сигнала передающего устройства РИО, приращения доплеровского сдвига несущей частоты принимаемого сигнала, интервала времени прохождения объектом азимутального сектора kΔβ и азимута РИО.

Методы цифровой обработки сигналов позволяют производить измерение их частотных и временных параметров с относительной погрешностью не хуже 10^-5…10^-7, в то время как погрешности измерения УК даже при использовании антенных систем с большой апертурой находятся в пределах 10^-3…10^-4. Поэтому основной вклад в ошибку измерения дальности вносят погрешности измерения УК объекта, а СКО измерения дальности

Производя дифференцирование выражения (2), определяем, что

а относительная среднеквадратическая ошибка измерения дальности

где

; ;

Вычисления, проведенные по формулам (4)-(8), показали, что при изменении величины β₀ в пределах 0-90°, а Δβ в пределах 1°-2,5°, среднеквадратическая ошибка определения горизонтальной дальности практически не зависит от величины β₀ и равна

,

где σ_β - среднеквадратическая ошибка измерения азимута в угловых минутах.

Так, при точности измерения азимута σ_β=2 угловым минутам величина .

Для оценки точностей измерений параметров движения РИО предложенным способом в зависимости от точностей измерения совокупности первичных параметров (УК, времени, доплеровских приращений несущих частот, излучаемых объектами сигналов) в Ростовском-на-Дону НИИ радиосвязи было проведено математическое моделирование предложенных способа и пассивной однопозиционной угломерно-разностно-доплеровской РЛС. При этом предполагалось, что РИО движется равномерно и прямолинейно с заданной скоростью в пределах прямой видимости по поверхности моря, суши или в воздушной среде на малой высоте, а энергии излучаемого им сигнала достаточно для обнаружения объекта, измерения его УК и параметров излучаемого сигнала с малыми ошибками.

Сначала производился расчет в функциональной зависимости от времени точных (модельных) значений координат РИО в прямоугольной системе: горизонтальной дальности, текущих значений азимута β_тек и несущей частоты излучаемого сигнала, а также ее доплеровских приращений.

Затем рассчитывались зависимости β_тек(t) и с учетом ошибок их измерений, осуществлялся расчет параметров движения объекта по формулам предложенного способа и определялись среднеквадратические значения ошибок измерений путевого и курсового углов движения РИО, горизонтальной скорости и дальности до объекта путем сравнения их модельных и рассчитанных значений.

В результате моделирования установлено, что при ошибках измерения азимута σ_β=2 угловым минутам, частоты и времени σ_t=10^-6 с, относительные величины ошибок измерений курсового угла q движения РИО, скорости V его движения и горизонтальной дальности d соответственно равны

Предложенный способ локации и однопозиционная РЛС для его реализации надежно функционируют в условиях приема флюктуирующих сигналов при достаточном отношении сигнал/шум, так как флюктуации влияют лишь на характеристики обнаружения и точность измерения неэнергетических параметров.

Реализация способа и устройства на его основе не встречает затруднений при современном уровне развития радиотехники и систем цифровой обработки сигналов. Возможность реализации предложенного способа обеспечивает ему критерий «промышленная применимость». При этом существует возможность измерения параметров движения РИО и в случае, если траектория движения находится в плоскости наблюдения, т.е. азимут объекта с течением времени не изменяется.

Таким образом, использование предложенного способа обеспечивает по сравнению с прототипом следующий технико-экономический эффект:

- повышена точность измерения наклонной дальности в 3-5 раз;

- достигнута возможность измерения скорости движения объекта с погрешностью (1-3)% и направления его движения (курсового угла) с погрешностью (3-5)%, что позволяет производить селекцию объектов по скорости и построение траекторий их движения;

- обеспечена работоспособность способа и устройства в условиях приема сложных модулированных флюктуирующих сигналов.