Вид РИД
Изобретение
Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться в системах пассивной радиолокации и радиотехнического наблюдения для однопозиционного определения координат, скоростей и траекторий перемещающихся в пространстве радиоизлучающих объектов (РИО) - искусственных спутников Земли, кораблей, самолетов, беспилотных летательных аппаратов.
Пассивные радиолокационные системы (РЛС) используют для измерения параметров движения РИО по излучениям их бортовых радиопередающих устройств. Эти РЛС имеют меньшую сложность и меньшую стоимость, чем активные РЛС, из-за отсутствия радиопередающей части. Они обладают высокой скрытностью, что существенно затрудняет определение их дислокации и характеристик. Для определения местоположения и траекторий движения РИО пассивными методами [1 - Пассивная радиолокация: методы обнаружения объектов / Под ред. проф. Р.П. Быстрова и проф. А.В. Соколова. М: Радиотехника. 2008. 320 с.] обычно применяют несколько разнесенных станций, объединенных с помощью ретрансляторов данных в многопозиционную систему. Но такая система, по сравнению с однопозиционной, имеет больший объем аппаратуры, повышенную сложность и стоимость.
Однопозиционная локация до недавнего времени не обеспечивала определение наклонных дальностей, скоростей и траекторий перемещающихся в пространстве РИО за счет измерения их угловых координат (УК) и параметров излучаемых сигналов. Поэтому поиск способов и создание устройств обзорной пассивной однопозиционной локации, обеспечивающих определение этих параметров с достаточной для практики точностью, являются актуальными.
Однопозиционные пассивные РЛС должны определять УК лоцируемых объектов с высокой точностью и за достаточно малое время, так как эти объекты могут перемещаться с большими (в том числе гиперзвуковыми) скоростями и двигаться по сложным непредсказуемым траекториям, причем закон их движения может содержать знакопеременные производные высоких порядков. Лучшей основой для достижения высокой точности определения УК лоцируемых объектов считается' широко применяемый в радиолокации и радиопеленгации моноимпульсный метод [2 - Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. - М: Радио и связь, 1984. 312 с., стр. 6]. УК РИО определяются путем измерения направления прихода принимаемых сигналов относительно известного равносигнального направления (РСН).
Пути достижения высокой точности определения УК и достаточного быстродействия обзорного амплитудного моноимпульсного пеленгатора обоснованы в [3 - Патент 2583849, РФ. Способ цифровой обработки сигналов при обзорной моноимпульсной амплитудной суммарно-разностной пеленгации с использованием антенной решетки (варианты) и обзорный моноимпульсный амплитудный суммарно-разностный пеленгатор с использованием антенной решетки и цифровой обработки сигналов / Джиоев А.Л., Омельчук И.С., Фоминченко Г.Л., Фоминченко Г.Г., Яковленко В.В. Заявлен 13.04.2015, опубликован 10.05.2016]. В этой работе выбором вида весовой функции на раскрыве антенны и угла разноса диаграмм направленности (ДН) обеспечена пеленгационная характеристика (ПХ), практически линейная на всей ширине моноимпульсной группы лучей (МГЛ). После приема сигналов РИО и их аналого-цифрового преобразования (АЦП) используется прямоотсчетный метод, позволяющий использовать быстрый прямой и легко реализуемый (решение линейного уравнения) расчет УК с ошибкой не более 1/100 ширины ДН по уровню половинной мощности при низком уровне боковых лепестков (ниже минус 40 дБ) и приемлемом использовании поверхности антенны. Высокая линейность ПХ на всей ширине МГЛ, обеспечивающая быстрое и точное определение УК объекта без использования итерационного алгоритма, значительно сокращает время обзора пространства и увеличивает число объектов, контролируемых без перемещений РСН и повторных зондирований. Однако при этом не производится селекция лоцируемых объектов по скорости движения и не определяются их траектории в пространстве.
Известен способ измерения с одной позиции 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]. В нем 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 равные интервалы Т, затем из множества возможных (условных) параллельных траекторий движения, соответствующих измеренным УК, выбирают одну условную, на которой точки А, В и С равноудалены по времени на равные интервалы 0,5 NT, определяют проекции координат точек А, В, С в зависимости (функциональной) от соответствующих проекций линейной скорости, и наконец, задавшись значениями координат точки С, определяют значения проекций Vx, Vy, Vz текущей линейной скорости объекта, а также саму условную линейную скорость и экстраполированные значения УК. Однако в [4] не определяются истинные координаты, скорости и траектории движения РИО в пространстве.
Аналогом предлагаемого способа является [5 - Патент 2617830, РФ. Способ пассивной однопозиционной угломерно-разностно-доплеровской локации перемещающегося в пространстве радиоизлучающего объекта и радиолокационная система для реализации этого способа / Джиоев А.Л., Омельчук И.С., Тюрин Д.А., Фоминченко Г.Л., Фоминченко Г.Г., Яковленко В.В. Заявлен 11.04.2016, опубликован 28.04.2017]. В нем во время приема констатируют обнаружение сигнала РИО и определяют его параметры - ширину спектра, среднюю частоту спектра сигнала и вид модуляции. Осуществляют автосопровождение выбранного объекта по угловым координатам, измеряют и запоминают значения отсчетов угловых координат (азимута β и угла места ε), а также текущего времени, соответствующего этим отсчетам. Затем восстанавливают, зная вид модуляции, несущую частоту ƒH принятого сигнала, формируют в моменты времени ti и запоминают значения ее отсчетов. Далее вычисляют приращения УК и доплеровских сдвигов частоты принимаемых сигналов на интервалах Δtk,n, достаточно малых для справедливости предположения о равномерности и прямолинейности движения РИО со скоростью V на постоянной высоте Н. После этого определяют горизонтальные составляющие приращений доплеровских сдвигов частоты, находят эти приращения и вычисляют величину их отношения
для нахождения величины угла α между вектором скорости и горизонтальной дальностью. Далее определяют текущее значение курсового угла qk=βk+α и модуль горизонтальной скорости Vг=V, а затем - расстояние S4,0, пройденное объектом за интервал времени Δt4,0. Затем находят радиус R окружности, проходящей через начало координат, хордой которой является расстояние S4,0, находят центр О' этой окружности, фиксируя точку на конце луча длиной R, проведенного из начала координат 0 под углом βЦ=β0+q4-90°, рассчитывают дальности d0 и d4, используя соотношение в виде и определяют координаты РИО в моменты времени t0 и t4 как точки пересечения окружности с центром О' и лучей длиной d0 и d4, проведенных из начала координат под углами β0 и β4.
Однако аналог [5] не лишен недостатков, к которым следует отнести:
1. Невозможность измерения дальностей, направлений и скоростей перемещения в пространстве, а также траекторий РИО в случаях их движения с переменной высотой полета, то есть с произвольными углами пикирования (кабрирования).
2. Необходимость использования двух алгоритмов функционирования с ограниченной областью применимости каждого из них:
- первого, применимого в случае изменений азимута и угла места РИО при его приближении (удалении) относительно РЛС,
- второго, применимого только при постоянном азимуте объекта.
3. Использование следящего режима работы РЛС, что, по сравнению с обзорным режимом, снижает ее производительность и число контролируемых объектов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является [6 - Патент 2557808, РФ. Способ определения наклонной дальности до движущейся цели пассивным моностатическим пеленгатором / Борисов Е.Г., Мартемьянов И.С. Заявлен 9.04.2014, опубликован 27.07.2015], принятый за прототип. В нем совместно обрабатывают два последовательных во времени измерения пеленгов (углов азимута β1 и β2) и мощностей РС1 и РС2 сигналов для моментов измерений t1 и t2. Учитывая, что базовая точка измерения соответствует геометрическому центру угломерной системы, а линия Ц1ЦN (траектория движения цели) соответствует точкам Ц1 и Ц2 измерения пеленга цели в моменты времени t1 и t2, в предположении, что цель движется прямолинейно, на основании полученных значений PC1 и РС2 вычисляют величину Производят два последовательных измерения частот ƒ1 и ƒ2 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
где с - скорость распространения электромагнитных волн;
Т=Δt12.
Точностные характеристики прототипа [6] определяются ошибками измерения угловых координат РИО, несущих частот и мощностей излучаемых им сигналов. При предельно возможных точностях измерений углов и частот погрешность определения наклонной дальности зависит от ее значения и находится в пределах 5-35%, что не всегда приемлемо. Кроме того, в реальных условиях объекты наблюдения обычно излучают модулированные сигналы с подавленной несущей, что не позволяет применять способ [6]. Наконец, при использовании способа [6] измеряется мощность принимаемых сигналов, а она подвержена флюктуациям, которые вызываются интерференцией колебаний, переотраженных элементами конструкции объекта, изменениями условий распространения и переотражениями от местных предметов. Величина этих флюктуаций может достигать 10-15 дБ; погрешность измерения дальности по способу [6] при коэффициенте флюктуаций, равном 6 дБ, составляет 5%, а при коэффициенте флюктуаций, равном 12 дБ, достигает 250%, то есть способ становится неработоспособным.
Таким образом, недостатками прототипа [6] являются:
1. Большая погрешность измерения дальности при предельно возможных точностях измерений первичных параметров.
2. Невозможность измерения дальности в случае использования в качестве сигналов сложных модулированных излучений.
3. Необходимость измерения мощности принимаемых сигналов, которая подвержена флюктуациям, величина которых может достигать 10-15 дБ; при этом погрешность измерения дальности при коэффициенте флюктуаций, равном 6 дБ, составляет 5%, а при коэффициенте флюктуаций, равном 12 дБ, достигает 250%, то есть способ становится неработоспособным.
Изобретений, решающих упомянутые проблемы методами пассивной однопозиционной локации перемещающегося в пространстве по произвольным траекториям РИО, авторы заявляемого способа в технической литературе не обнаружили.
Техническая проблема, на решение которой направлен предлагаемый способ: определение координат, направлений и скоростей движения, а также построение траекторий всей совокупности РИО, движущихся в пространстве по произвольным направлениям равномерно и прямолинейно со всеми возможными курсовыми углами и углами пикирования (кабрирования).
Для решения этой технической проблемы предлагается способ пассивной однопозиционной угломерно-доплеровской локации (УДЛ) перемещающихся в пространстве радиоизлучающих объектов, при котором:
применяют для приема радиосигналов цифровую антенную решетку (ЦАР) или антенную решетку с цифровой обработкой сигналов,
формируют в пространстве, используя на раскрыве антенной решетки весовую функцию Хэмминга, моноимпульсную группу лучей с общим фазовым центром и пеленгационные характеристики с рабочими зонами ΔβПХ по азимуту и ΔεПХ по углу места, линейные на всей ширине МГЛ за счет специально выбранных углов смещения лучей βсм и εсм,
разбивают заданную область обзора пространства на участки размером ΔβПХ по азимуту и ΔεПХ по углу места и, последовательно устанавливая равносигнальное направление МГЛ в центры этих участков, осуществляют обзор упомянутой области,
принимают сигналы радиоизлучающих объектов в течение интервала наблюдения на каждом участке разбиения в заданном диапазоне частот, при появлении упомянутых сигналов констатируют обнаружение всей совокупности объектов в упомянутой области обзора и определяют параметры их сигналов - ширину и среднюю частоту спектра, а также вид модуляции,
описывают пространственное положение РИО, перемещающихся в пространстве равномерно и прямолинейно по траекториям с произвольными углами пикирования (кабрирования), текущими значениями угловых координат (азимута βТ и угла места εТ), векторов наклонных дальностей DT, абсолютных значений векторов скорости V и величин курсовых углов γk между векторами скоростей и наклонных дальностей,
измеряют и запоминают для каждого из обнаруженных объектов значения отсчетов βm, εm угловых координат m-го объекта, вычисляемых относительно равносигнальных направлений, как
βm=βPCH+Δβm, εm=εPCH+Δεm,
где
и - сигналы угловых рассогласований с выходов угловых дискриминаторов длят m-го объекта;
и - значения коэффициентов линейных членов разложений пеленгационных характеристик в ряды Маклорена по координатам
β, ε при выбранных значениях смещений βсм и εсм лучей от равносигнальных направлений,
селектируют, используя данные об измеренных параметрах сигналов и угловых координатах, N объектов (из совокупности М), избранных для автосопровождения,
сглаживают, для снижения шума, значения измеренных угловых координат каждого объекта с помощью фильтров автосопровождения, представляя их в виде усредненных зависимостей где - номер наблюдаемого объекта,
формируют для приема сигналов избранных объектов N одиночных лучей, наведение которых по угловым координатам осуществляется управляющими сигналами, сформированными на основании данных об угловых координатах сопровождаемых радиоизлучающих объектов,
параллельно принимают по N лучам и обрабатывают сигналы радиоизлучающих объектов, восстанавливают, зная вид модуляции, несущие частоты ƒHn принятых сигналов, измеряют и запоминают значения их отсчетов, сглаживают и представляют результаты в виде усредненных зависимостей
интерполируют усредненные угловые зависимости а также усредненную зависимость получая непрерывные функции β(t), ε(t) и ƒH (t), причем здесь и далее индекс n наблюдаемого объекта не указывается - расчет проводят для каждого из N объектов.
Согласно изобретению, в заявленном способе:
используют для оценки параметров движения объектов в пространстве наклонные плоскости 0A1Ak, образованные лучами OAk, участками A1Ak траекторий, где А1, А2, … Ak, … АК - точки на траектории движения РИО, в которых он находится в равноотстоящие моменты времени t1, t2, … tK, и лежащую вне траектории точку наблюдения, находящуюся в начале 0 системы координат Oxyz, при этом величины модулей векторов наклонных дальностей DT совпадают с длиной лучей OAk, векторы скоростей V направлены вдоль участков A1Ak траекторий, углы между лучами OAk и отрезками A1Ak являются курсовыми углами γk, а в качестве аналогов УК объектов используют углы ck,1 между векторами наклонных дальностей 0А1 и текущими значениями наклонных дальностей 0Ak, вычисляют величины углов ck,1, каждый из которых является гипотенузой сферического прямоугольного треугольника с катетами Δβk,1, Δεk,1 и равен угловому размеру проекции на небесную сферу пути объекта за время Δtk,1=tk-tl, в соответствии с формулой
где - номера точек А1, А2, … Ak на траектории объекта в моменты времени t=t2, t3, … tk;
Δβk,i=(βk-β1)⋅cos[min(εk, ε1)];
Δεk,1=εk-ε1;
βk=β(tk)
εk=ε(tk),
извлекают из зависимости ƒH(t) в моменты времени t1, t2, … tk значения ƒHk, вследствие эффекта Доплера равные
где ƒH0 - значение несущей частоты сигнала наблюдаемого объекта в состоянии покоя;
ƒДk - доплеровский сдвиг несущей частоты;
λ - длина волны сигнала объекта,
и определяют их приращения на интервалах Δt2,1 и Δt3,1, равные
вычисляют величину отношения приращений несущей, получая уравнение относительно курсового угла γ1, решая которое определяют его предварительное значение
где
и предварительное значение модуля вектора скорости объекта
где с=299792458 м/с - скорость распространения электромагнитных волн,
рассчитывают на основе полученных оценок предварительное значение несущей частоты сигнала объекта, условно находящегося в покое, как
вычисляют уточненное значение ƒH0 несущей частоты сигнала РИО, находящегося в покое, как частоту колебаний цифрового генератора, управляемого сигналом автоподстройки, формируемым в результате сравнения приращений частот Δƒk,k-1=ƒk-ƒk-1 и
определяют в моменты времени tk и запоминают совместно со значениями углов ck+1,k доплеровские сдвиги частот сигналов ƒДk=ƒk-ƒH0 объекта, извлекают из памяти значения доплеровских сдвигов частоты ƒД1 и ƒД2, а также угла с2,1,
вычисляют отношение доплеровских сдвигов
и получают уравнение относительно наклонного курсового угла γ1, решая которое определяют значение
повторяют расчеты значения ctg γ1 для Р моментов времени tk и определяют
где k=2, 3, … Р, …, K,
вычисляют усредненное значение величины
а также усредненное значение пространственного курсового угла
и текущие значения курсовых углов
определяют, используя найденное усредненное значение курсового угла , величину модуля скорости радиоизлучающего объекта как
и длину пути, пройденного объектом между точками траектории A1 и Ak
где k=2, 3, …, K,
определяют пространственное местоположение объекта точками пересечения на наклонных плоскостях 0A1Ak лучей, исходящих из начала координат под углами ck,1 относительно луча 0А1, и окружностей с центрами хордами которых являются отрезки пути Sk,1, а радиусы равны
фиксируют центры упомянутых окружностей как точки на концах лучей длиной Rk, проведенных из начала координат под углами ψk относительно луча 0А1 и равных
вычисляют значение наклонной дальности в случае нахождения объекта в точке А1
значения наклонных дальностей при нахождении объекта в точках Ak траектории
а также значения модуля скорости радиоизлучающего объекта при нахождении его в точках Ak траектории
осуществляют построение траекторий объектов, используя измеренные и рассчитанные значения их угловых координат, наклонных дальностей, курсовых углов и скоростей перемещения,
определяют величину разности |V|k-|V|1=Δ|V|k,1 и производят сравнение полученной величины с пороговым значением
в случае, когда Δ|V|k,1>|V|n, констатируют начало маневра объекта, и для дальнейшего построения его траектории на следующем участке ее кусочно-линейной аппроксимации повторяют расчеты курсовых углов, скоростей и дальностей по вышеприведенным формулам.
Техническим результатом, достигаемым в результате создания предлагаемого изобретения, является возможность однопозиционного измерения направлений, скоростей и траекторий движения РИО, перемещающихся в пространстве равномерно прямолинейно в пределах контролируемого сектора с произвольными курсовыми углами и углами пикирования (кабрирования).
Предлагаемое изобретение не известно в современной радиотехнике, а также не известны источники информации, содержащие сведения об аналогичных технических решениях, имеющих признаки, сходные с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, а также имеющих свойства, совпадающие со свойствами заявляемого решения, поэтому можно считать, что оно обладает существенными отличиями, вытекает из них неочевидным образом и, следовательно, соответствует критериям «новизна» и «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется следующими фигурами:
фигура 1 - геометрии задачи в пространстве с использованием сферической системы координат;
фигура 2 - геометрии задачи на вспомогательной наклонной плоскости;
фигура 3 - схема электрическая структурная системы, реализующей предложенный способ;
фигура 4 - графики зависимостей погрешности определения пространственного курсового угла от величины этого угла;
фигура 5 - графики зависимостей погрешности определения скорости РИО от величины пространственного курсового угла;
фигура 6 - графики зависимостей погрешности определения наклонной дальности от величины угла на наклонных плоскостях 0A1Ak.
При реализации предложенного способа выполняется следующая последовательность операций.
1. Применяют для приема радиосигналов ЦАР или антенную решетку с цифровой обработкой сигналов.
2. Формируют в пространстве, используя на раскрыве антенной решетки весовую функцию W(x, у) Хэмминга, моноимпульсную группу лучей с общим фазовым центром и ПХ с рабочими зонами ΔβПХ по азимуту и ΔεПХ по углу места, линейные на всей ширине моноимпульсной группы лучей за счет специально выбранных в соответствии с методом, изложенным в [3], углов смещения лучей βсм и εсм.
3. Разбивают заданную область обзора пространства (телесный угол) на участки размером ΔβПХ по азимуту и ΔεПХ по углу места и, последовательно устанавливая РСН моноимпульсной группы лучей в центры этих участков, осуществляют обзор упомянутой области.
4. Принимают сигналы РИО в течение интервала наблюдения на каждом участке разбиения в заданном диапазоне частот, при появлении упомянутых сигналов констатируют обнаружение всей совокупности объектов в упомянутой области обзора и определяют параметры их сигналов - ширину и среднюю частоту спектра, а также вид модуляции.
5. Описывают пространственное положение РИО, перемещающихся в пространстве равномерно и прямолинейно по траекториям с произвольными углами пикирования (кабрирования), текущими значениями угловых координат (азимута βТ и угла места εТ), векторов наклонных дальностей DT, абсолютных значений векторов скорости V и величин курсовых углов γk между векторами скоростей и векторами наклонных дальностей (фиг. 1).
6. Измеряют и запоминают для каждого из обнаруженных объектов значения отсчетов βm, εm угловых координат m-го объекта, вычисляемых относительно равносигнальных направлений, как
где
- сигналы угловых рассогласований с выходов угловых дискриминаторов для m-го объекта;
- значения коэффициентов линейных членов разложений пеленгационных характеристик в ряды Маклорена по координатам β, ε при выбранных значениях смещений βсм и εсм лучей от равносигнальных направлений.
7. Селектируют, используя данные об измеренных параметрах сигналов и угловых координатах, N объектов (из совокупности М), избранных для автосопровождения.
8. Сглаживают значения измеренных УК каждого объекта с помощью фильтров автосопровождения, представляя их в виде усредненных зависимостей где - номер наблюдаемого объекта.
9. Для приема сигналов избранных объектов формируют в пространстве дополнительно N одиночных лучей, наведение которых по угловым координатам осуществляется управляющими сигналами, сформированными на основании данных об УК сопровождаемых РИО.
10. Параллельно принимают по N лучам и обрабатывают сигналы РИО, восстанавливают, зная вид модуляции, несущие частоты ƒHn принятых сигналов, измеряют и запоминают значения их отсчетов, сглаживают и представляют результаты в виде усредненных зависимостей
11. Интерполируют усредненные угловые зависимости а также усредненную зависимость получая непрерывные функции β(t), ε(t) и ƒH(t) причем здесь и далее индекс n наблюдаемого объекта не указывается - расчет проводят для каждого из N объектов.
12. Используют для оценки параметров движения объектов в пространстве наклонные плоскости 0A1Ak, образованные лучами OAk, участками A1Ak траекторий, где А1, А2, … Ak, … АК - точки на траектории движения РИО, в которых он находится в равноотстоящие моменты времени t1, t2, … tK, и лежащую вне траектории точку наблюдения, находящуюся в начале 0 системы координат 0xyz, при этом величины модулей векторов наклонных дальностей DT совпадают с длиной лучей OAk, векторы скоростей V направлены вдоль участков A1Ak траекторий, углы между лучами OAk и отрезками A1Ak являются курсовыми углами γk, а в качестве аналогов УК объектов используют углы ck,1 между векторами наклонных дальностей 0A1 и текущими значениями наклонных дальностей 0Ak (фиг. 2).
13. Вычисляют величины углов ck,1, каждый из которых является гипотенузой сферического прямоугольного треугольника с катетами Δβk,1, Δεk,1 и равен угловому размеру проекции на небесную сферу пути объекта за время Δtk,1=tk-t1, в соответствии с формулой
где - номера точек А1, А2, … Ak на траектории объекта в моменты времени t=t2, t3, … tk,
Δβk,1=(βk-β1)⋅cos[min(εk, ε1)];
Δεk,1=εk-ε1;
βk=β(tk);
εk=ε(tk).
14. Извлекают из зависимости ƒH(t) в моменты времени t1, t2, … tk значения ƒHk, вследствие эффекта Доплера равные
где ƒH0 - значение несущей частоты сигнала наблюдаемого объекта в состоянии покоя;
ƒДk - доплеровский сдвиг несущей частоты;
λ - длина волны сигнала объекта,
и определяют их приращения на интервалах Δt2,1 и Δt3,1, равные
15. Вычисляют величину отношения приращений несущей, получая уравнение относительно курсового угла γ1, решая которое определяют его предварительное значение
где
и предварительное значение модуля вектора скорости объекта
где с=299792458 м/с - скорость распространения электромагнитных волн.
16. Рассчитывают на основе полученных оценок предварительное значение несущей частоты сигнала объекта, условно находящегося в покое, как
17. Вычисляют уточненное значение ƒH0 несущей частоты сигнала РИО, находящегося в покое, как частоту колебаний цифрового генератора, управляемого сигналом автоподстройки, формируемым в результате сравнения приращений частот Δƒk,k-1=ƒk-ƒk-1 и
18. Определяют в моменты времени tk и запоминают совместно со значениями углов ck+1,k доплеровские сдвиги частот сигналов ƒДк=ƒk-ƒH0 радиоизлучающего объекта, извлекают из памяти значения доплеровских сдвигов частоты ƒД1 и ƒД2, а также угла с2,1.
19. Вычисляют отношение доплеровских сдвигов
и получают уравнение относительно наклонного курсового угла γ1, решая которое определяют значение
20. Повторяют расчеты ctg γ1 для Р моментов времени tk и определяют
где k=2, 3, … Р, … K,
вычисляют усредненное значение величины
а также усредненное значение пространственного курсового угла
и текущие значения курсовых углов
21. Определяют, используя найденное усредненное значение курсового угла величину модуля скорости РИО как
и длину пути, пройденного объектом между точками траектории А1 и Ak
где k=2, 3, … K.
22. Определяют пространственное местоположение объекта точками пересечения на наклонных плоскостях 0A1Ak лучей, исходящих из начала координат под углами ck,1 относительно луча 0А1, и окружностей с центрами хордами которых являются отрезки пути Sk,1, а радиусы равны
и фиксируют центры упомянутых окружностей как точки на концах лучей длиной Rk, проведенных из начала координат под углами ψk относительно луча 0А1 (фиг. 2), равных
23. Вычисляют значение наклонной дальности в случае нахождения объекта в точке А1
значения наклонных дальностей при нахождении объекта в точках Ak траектории
а также значения модуля скорости РИО при нахождении его в точках Ak траектории
24. Осуществляют построение траекторий объектов, используя измеренные и рассчитанные значения их угловых координат, наклонных дальностей, курсовых углов и скоростей перемещения.
25. Определяют величину разности |V|k-|V|1=Δ|V|k,1 и производят сравнение полученной величины с пороговым значением
26. В случае, когда Δ|V|k,1>|V|n, констатируют начало маневра объекта, и для дальнейшего построения его траектории на следующем участке ее кусочно-линейной аппроксимации повторяют расчеты курсовых углов, скоростей и дальностей по вышеприведенным формулам.
После этого осуществляют построение траектории РИО в пространстве на всем интервале наблюдения, используя измеренные и рассчитанные значения УК, дальности, скорости и курсовых углов, при необходимости осуществляя пересчет координат в цилиндрическую или декартовую систему.
Так как вышеприведенные операции угломерно-доплеровского способа локации реализуются в процессе перемещения РИО относительно неподвижного пассивного измерителя, то этот способ является инверсно-кинематическим, величина пути Sk,1 - псевдобазой, а лучи 0Ak и окружности с центрами - линиями положения.
Примером реализации предложенного способа является пассивная однопозиционная угломерно-доплеровская РЛС, структурная схема которой приведена на фиг. 3, где приняты следующие обозначения:
1 - антенное полотно цифровой антенной решетки (АП ЦАР), каналы которого содержат антенные элементы, малошумящие усилители (МШУ) и АЦП;
2 - блок умножителей и маршрутизатор потока данных (БУМПД);
3 - диаграммообразующее устройство пеленгатора (ДОУ Пл);
4 - блок обнаружения и измерения параметров сигналов (БОИПС);
5 - устройство управления (УУ);
6 - устройство запоминания отсчетов весовой функции (УЗОВФ);
7 - вычислитель пеленгационной характеристики (ВПХ);
8 - вычислитель оптимального угла смещения максимумов ДН от РСН и коэффициентов разложения функции, описывающей ПХ (ВУСКР);
91, …, 9N - блоки автосопровождения по угловым координатам (БАСУК);
101, …, 10N - диаграммообразующие устройства каналов приема сигналов (ДОУ Пр);
111, …, 11N - устройства приема и восстановления несущих частот (УПВН);
121, …, 12N - вычислители приращений несущих частот (ВПНЧ);
131, …, 13N - вычислители углов на наклонных плоскостях (ВУНП);
14 - устройство синхронизации (УС);
151, … 15N - вычислители оценочных значений курсовых углов, скоростей и несущих частот (ВОКУСНЧ);
161, …, 16N - вычислители уточненных значений несущих частот (ВУЗНЧ);
171, …, 17N - вычислители доплеровских сдвигов несущих частот (ВДСНЧ);
181, …, 18N - вычислители усредненных значений курсовых углов (ВУЗКУ);
191, … 19N - вычислители скоростей и наклонных дальностей (ВСД);
20 - построитель траекторий (ПТ).
Здесь использованы сокращения: ВМ - вид модуляции, ИД - исходные данные, КУ - команда управления, ПД - поток данных, СУ - сигнал управления, Тр - траектории, УК -угловые координаты.
Пассивная однопозиционная угломерно-доплеровская РЛС содержит (фиг. 2) АП ЦАР 1, в которое входят антенные элементы, МШУ и АЦП, и соединенный с ним линиями передачи 1…G БУМПД 2. Первый выход БУМПД 2 подключен к ДОУ Пл 3 (вход ПД), первый (суммарный) выход которого соединен со входом БОИПС 4, выход которого подключен к первому входу УУ 5. К шестому входу УУ 5 подключен первый выход УЗОВФ 6, подключенный также к первому входу ВПХ 7. Одиннадцатый выход УУ 5 соединен со входом УЗОВФ 6, а двенадцатый выход - с третьим входом ВПХ 7. Второй выход УЗОВФ 6 соединен со вторым входом ВПХ 7, выход которого соединен со входом ВУСКР 8, а выход ВУСКР 8 подключен к седьмому входу УУ 5.
Второй выход ДОУ Пл 3 (разностный) соединен со вторым входом УУ 5, шестой и седьмой выходы которого подключены ко входам соответственно БАСУК 9N и БАСУК 91. Первый выход УУ 5 соединен с отдельным управляющим входом БУМПД 2, а второй и третий выходы УУ 5 - соответственно с первым и вторым отдельными входами ДОУ Пл 3. Четвертый выход УУ 5 подключен к отдельному входу ДОУ Пр 10N, а десятый выход УУ 5 - к отдельному входу ДОУ Пр 101. Входы ПД устройств от ДОУ Пр 101 по ДОУ Пр 10N соединены соответственно с выходами от второго по N-го БУМПД 2, а выходы ДОУ Пр 101 и ДОУ Пр 10N - с первыми входами соответственно УПВН 111 и УПВН 11N, ко вторым входам которых подключен пятый выход УУ 5.
Выход БАСУК 91 подключен к первому входу ВУНП 131 и третьему входу УУ 5, а выход БАСУК 9N - к первому входу ВУНП 13N и четвертому входу УУ 5. Восьмой выход УУ 5 соединен со входом УС 14, девятый выход УУ 5 - с третьим входом ПТ 20, а пятый вход УУ 5 - с выходом ПТ 20.
В состав РЛС введены вновь ВОКУСНЧ 151 … ВОКУСНЧ 15N, ВУЗНЧ 161… ВУЗНЧ 16N, ВДСНЧ 171 … ВДСНЧ 17N, ВУЗКУ 181 … ВУЗКУ 18N и ВСД 191 … ВСД 19N.
Выход УПВН 111 подключен к первому входу ВПНЧ 121 и третьему входу ВДСНЧ 171, а выход УПВН 11N - к первому входу ВПНЧ 12N и третьему входу ВДСНЧ 17N. Выход ВПНЧ 121 подключен к первому входу ВОКУСНЧ 151, а выход ВПНЧ 12N - к первому входу ВОКУСНЧ 15N. Выход ВУНП 131 подключен к третьему входу ВОКУСНЧ 151, а выход ВУНП 13N - к третьему входу ВОКУСНЧ 15N. Выход УС 14 соединен со вторыми входами ВПНЧ 121, … ВПНЧ 12N, ВУНП 131 … ВУНП 13N, ВОКУСНЧ 151 … ВОКУСНЧ 15N, ВУЗНЧ 161 … ВУЗНЧ 16N, ВДСНЧ 171… ВДСНЧ 17N, ВУЗКУ 181 … ВУЗКУ 18N, ВСД 191 … ВСД 19N и ПТ 20. При этом выход ВОКУСНЧ 151 … ВОКУСНЧ 15N подключен к первому входу соответственно ВУЗНЧ 161… ВУЗНЧ 16N, а выход ВУЗНЧ 161… ВУЗНЧ 16N - к первому входу ВДСНЧ 171 … ВДСНЧ 17N и третьему входу ВСД 191… ВСД 19N.
Выход ВДСНЧ 171 … ВДСНЧ 17N подключен к первому входу соответственно ВУЗКУ 181 … ВУЗКУ 18N, а выход ВУЗКУ 181 … ВУЗКУ 18N - к первому входу ВСД 191 … ВСД 19N и ПТ20 (входы 1-1 … 1-N). Выход ВСД 191 … ВСД 19N также подключен к ПТ 20 (входы 1 … N).
Выходом системы является тринадцатый выход УУ 5.
РЛС работает следующим образом. После включения электропитания антенные элементы цифровой антенной решетки из состава АП ЦАР 1 принимают радиосигналы РИО, приходящие из заданной области обзора пространства (телесного угла), которые далее усиливаются, преобразуются на промежуточную частоту и подвергаются аналого-цифровому преобразованию. С выходов АП ЦАР 1 отсчеты смеси сигналов РИО и шумов поступают на входы блока умножителей и маршрутизатор потока данных БУМПД 2, где осуществляется их весовая обработка путем умножения на отсчеты функции W(x, у) Хэмминга, которые поступают в БУМПД 2 с первого выхода устройства управления УУ 5. Эти отсчеты извлекаются из УЗОВФ 6 (выход 1) по команде, поступающей в УЗОВФ 6 из УУ 5 (выход 11).
С выходов шины БУМПД 2 потоки данных поступают на диаграммообразующее устройство пеленгатора ДОУ Пл 3 и на диаграммообразующие устройства каналов приема сигналов ДОУ Пр 101…ДОУ Пр 10N. В ДОУ Пл 3 формируют моноимпульсную группу лучей с общим фазовым центром, состоящую из двух пар смещенных на углы βсм и εсм парциальных лучей в азимутальной и угломестной плоскостях и суммарного луча. Углы βсм и εсм определяются путем предварительного моделирования процесса приема и обработки сигналов амплитудного суммарно-разностного пеленгатора, с использованием задаваемых параметров ЦАР, в ВПХ 7 и ВУСКР 8, откуда они поступают на седьмой вход УУ 5. После этого в ВПХ 7 и ВУСКР 8 производится расчет рабочих зон ΔβПХ по азимуту и ΔεПХ по углу места, в пределах которых обеспечивается линейность пеленгационных характеристик с ошибкой, не превышающей 0,01 ширины ДН по уровню половинной мощности, и коэффициентов линейных частей разложений ПХ в ряды Маклорена.
В устройстве управления УУ 5 формируются сигналы управления СУ и наборы фазовых распределений W, использование которых позволяет с помощью ДОУ Пл 3 осуществить обзор заданной области пространства за счет последовательной установки РСН МГЛ в центры рабочих зон ΔβПХ и ΔεПХ. В процессе обзора принимают сигналы РИО по суммарному каналу, и в БОИПС 4 производят спектральный анализ заданного диапазона частот, обнаружение всей совокупности М сигналов РИО и измерение в течение интервала наблюдения на каждом участке разбиения их параметров: значений средних частот спектра, ширины спектров и видов модуляции сигналов. В ДОУ Пл 3 для каждого из обнаруженных сигналов осуществляют определение значений отсчетов относительно РСН угловых координат Δβm и Δεm путем решения линейных уравнений
и
где - сигналы угловых рассогласований с выходов угловых дискриминаторов.
Полученные данные передают в УУ 5, где на их основе селектируют N объектов (из совокупности М), избранных для автосопровождения, и вычисляют значения их УК в виде сумм
βтек n(ti)=βPCH n +Δβn
εтек n(ti)=εPCH n+Δεn,
где - номер наблюдаемого объекта.
Полученные значения угловых координат сглаживаются в блоках автосопровождения по угловым координатам БАСУК 91 … БАСУК 9N, а затем вновь поступают в УУ 5, где по их усредненным значениям формируются наборы фазовых распределений полей в раскрыве ЦАР, которые используются в диаграммообразующих устройствах каналов приема сигналов ДОУ Пр 101 … ДОУ Пр 10N для формирования N одиночных ДН приема сигналов выбранных объектов. Отсчеты смеси сигналов РИО и шумов с выходов ДОУ Пр 101 … ДОУ Пр 10N поступают в устройства приема и восстановления несущих частот УПВН 111 … УПВН 11N, в которых осуществляют их согласованную с видом спектра фильтрацию и восстанавливают на основе известного вида модуляции, а затем фильтруют с помощью систем фазовой автоподстройки частоты их несущие частоты, образуя усредненные зависимости
Далее, считая движение сопровождаемых объектов на интервале времени Δtk,1=tk-t1 равномерно-прямолинейным со всеми возможными курсовыми углами и углами пикирования (кабрирования), для каждого РИО в вычислителях углов на наклонных плоскостях ВУНП 131 … ВУНП 13N определяются, под управлением устройства синхронизации УС 14, с использованием формулы (3), углы ck,1, каждый из которых является гипотенузой сферического прямоугольного треугольника с катетами Δβk,1 и Δεk,1 равен угловому размеру проекции на небесную сферу пути объекта за время Δtk,l=tk-t1, а в вычислителях приращений несущих частот ВПНЧ 121 … ВПНЧ 12N - значения на тех же интервалах времени приращений несущих ΔƒHk,1 по формулам (5,6), обусловленные эффектом Доплера.
Результаты расчетов величин углов ck,1 и приращений несущих ΔƒHk,1 поступают в ВОКУСНЧ 151 … ВОКУСНЧ 15N, в которых, в соответствии с формулами (7-9), осуществляются расчеты предварительных значений курсовых углов модулей векторов скоростей |V|П объектов и предварительных значений несущих частот сигналов РИО, находящихся в покое. С использованием значений в ВУЗНЧ 161 … ВУЗНЧ 16N рассчитываются уточненные значения ƒH0 несущих частот сигналов РИО, находящихся в покое. В ВДСНЧ 171 … ВДСНЧ 17N и ВУЗКУ 181 … ВУЗКУ 18N определяются, в соответствии с формулами (10-15), величины усредненных значений пространственных курсовых углов и значения текущих курсовых углов γk. Далее в ВСД 191 … ВСД 19N с использованием значений ΔƒД, определяются значения модулей скоростей |V|k и наклонных дальностей Dk при нахождении объектов в точках Ak их траекторий, определяют величины разности |V|k-|V|1=Δ|V|k,1, производят их сравнение с пороговыми значениями Δ|V|n и в случае, когда Δ|V|k,1>|V|n, констатируют начало маневра объекта.
После этого в ПТ 20 осуществляют построение траекторий РИО в течение всего времени наблюдения, используя измеренные и рассчитанные значения УК, скоростей и курсовых углов, а в случае обнаружения маневра объекта осуществляют повторные расчеты по вышеприведенным формулам. Результаты выдаются потребителям через УУ 5.
Реализация предложенной РЛС на базе имеющихся заделов по созданию ЦАР и устройств цифровой обработки сигналов не встретит существенных трудностей.
Оценку точности измерения параметров движения РИО предложенным способом УДЛ в зависимости от погрешностей измерения первичных параметров - угловых координат объектов и доплеровских сдвигов частоты излучаемых ими сигналов - произведем на основании теоремы о линеаризации функции нескольких случайных аргументов, считая, что указанные погрешности подчиняются нормальному закону распределения и являются некоррелированными.
Методы цифровой обработки сигналов позволяют производить измерения их частотных и временных параметров с относительной погрешностью не хуже 10-5…10-7, в то время как относительные погрешности измерения УК даже при использовании антенных систем с большой апертурой находятся в пределах 10-2…10-4. Поэтому основной вклад в ошибки измерения параметров движения РИО вносят погрешности измерения их УК. Так как пересчеты УК РИО в углы ck,1 на наклонной плоскости 0А1АК не вносят ошибок, то оценки погрешностей измерения параметров движения РИО по предложенному способу УДЛ будем искать в функциональной зависимости от углов ck,1 на наклонной плоскости, что эквивалентно реальному расчету параметров движения объекта в пространстве.
В предложенном способе УДЛ усредненное значение пространственного курсового угла при нахождении объекта в точке А1 (см. фиг. 1) определяется выражением (14) и составляет
в котором К-тое значение котангенса угла γ1 связано со значениями углов ck+1,1 на наклонной плоскости и доплеровских сдвигов частоты формулой (12), а индекс К определяет номер измерений параметров угла ck+1,1 на наклонной плоскости и частоты ƒДK+1.
В соответствии с вышеизложенными положениями величина среднеквадратического отклонения угла γ1 от среднего значения определяется как
где - среднеквадратическая погрешность измерения угла сК+1,1.
Выполняя операции дифференцирования и преобразования, получаем
или
При cos cK+l,1≈1,0 формула (24) преобразуется к виду
а при числе членов ряда р≤10 и - к виду
Вычисляя частные суммы SP членов ряда находим результирующее аналитическое выражение для определения среднеквадратического отклонения (СКО) усредненного значения курсового угла
где SP - частные суммы членов ряда при (их величины приведены в табл. 1).
Графики зависимостей относительной СКО измерения курсового угла РИО от его величины при =0,1 град., sin с2,1=0,1, S1=1 и S10=0,3 представлены на фиг. 4.
В предложенном способе значение модуля вектора скорости на основании (16) определено как
Используя вышеизложенную методику, получим СКО значения ошибки вычисления модуля скорости в виде
а его относительное значение
Формула (28) получена в результате подстановки в выражение (27) соотношений (17) и (26).
Графики зависимостей СКО измерения скорости РИО от величины его курсового угла при =0,1 град., sin с2,1=0,1, S1=1 и S10=0,3 представлены на фиг. 5.
В предложенном способе текущее и экстраполированное значения наклонных дальностей между пассивной РЛС и РИО, находящегося в точках АК, определено соотношением
В соответствии с вышеизложенной методикой среднеквадратическое значение ошибки измерения наклонных дальностей равно
а его относительное значение может быть определено формулой
Графики зависимостей относительной СКО измерения дальности в функции от величины угла ck,1 при , равных 2 и 6 угловым минутам соответственно, представлены на фиг. 6.
В результате вышеизложенных операций получены аналитические выражения, позволяющие оценивать точностные характеристики предложенного способа пассивной однопозиционной угломерно-доплеровской локации. Анализ этих аналитических выражений показал, что в случае высокоточных измерений доплеровских сдвигов частоты излучаемых РИО сигналов, величины относительных СКО вычисления пространственных курсовых углов и скоростей движения РИО определяются точностью измерения их угловых координат, зависят от направления движения РИО и в рабочем секторе наклонных курсовых углов (3-85) угловых градусов, при ошибках измерения угловых координат σk,1<2 угловых минут, не превышают относительных значений а величины относительных СКО измерения наклонных дальностей РИО - РЛС определяются величиной используемого угла ck,1 и при его изменении в пределах (5-25) градусов не превосходят величин (0,3-1,9)×10-2 при ошибке измерения УК менее 6 угловых минут и (1,0-6,2)×10-3 при ошибке измерения УК менее 2 угловых минут.
Предложенный способ локации и реализующая его однопозиционная пассивная РЛС надежно функционируют в условиях приема флюктуирующих сигналов при достаточном отношении сигнал/шум (порядка 12-15 дБ), так как флюктуации влияют лишь на характеристики обнаружения и точность измерения энергетических параметров.
Реализация способа и устройства на его основе не встречает затруднений при современном уровне развития радиотехники и устройств цифровой обработки сигналов. Возможность реализации предложенного способа обеспечивает ему критерий «промышленная применимость».
Использование предложенного способа, по сравнению с прототипом, обеспечивает следующие технические эффекты:
- возможность измерения по единому алгоритму направлений движения, скоростей и траекторий РИО, перемещающихся в пространстве в произвольных направлениях с переменной высотой полета;
- работоспособность способа и устройства при приеме сложных частотно-фазомодулированных сигналов;
- возможность измерения пространственных курсовых углов и скоростей РИО с относительными погрешностями, не превышающими 5,2×10-3, и, как следствие этого, возможность селекции объектов по совокупности параметров «угловые координаты - скорость»;
- возможность измерения наклонных дальностей РИО - РЛС с относительными погрешностями, не более (0,3-1,9)×l0-2, что в 17 раз лучше, чем у прототипа, у которого они составляют (5-35)×10-2.