Патент на изобретение №2390038

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ И НАПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ НОСИТЕЛЯ ОБЗОРНОЙ РЛС

(57) Реферат:

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано при создании многопозиционных пассивных радиолокационных станций (РЛС). Достигаемым техническим результатом изобретения является повышение точности и сокращение времени определения скорости и направления движения носителя обзорной РЛС в многопозиционной пассивной РЛС. Указанный результат достигается тем, что в j-м приемном пункте, где , jg, определяют пеленг на обзорную РЛС _j и частоту сигнала обзорной РЛС f_0j и передают их значения на ведущий приемный пункт, на ведущем приемном пункте определяют пеленг на обзорную РЛС _g и разность частот F_gj=f_0g-f_0j, где f_0g – частота сигнала обзорной РЛС, измеренная ведущим приемным пунктом, рассчитывают угол между вектором скорости носителя обзорной РЛС и линией, соединяющей носитель обзорной РЛС и j-й приемный пункт, а также скорость носителя обзорной РЛС, по определенным вычислительным формулам. 7 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к способам и технике пассивной радиолокации, и может быть использовано при создании многопозиционных пассивных РЛС.

Известны традиционные радиотехнические способы определения скорости носителя обзорной РЛС группировкой наземных приемных пунктов: триангуляционный (угломерный), разностно-дальномерный и их различные сочетания. Так, при триангуляционном способе [1] скорость носителя обзорной РЛС определяется как производная от расстояния, пройденного носителем обзорной РЛС за промежуток времени между несколькими оценками его местоположения. Данный способ отличается простотой реализации и минимально необходимым вычислительным ресурсом.

Разностно-дальномерный способ [2, стр.321-322], [3, стр.238] позволяет определить скорость носителя обзорной РЛС по результатам нескольких измерений разностей времени прихода сигналов обзорной РЛС на ведущий и ведомые приемные пункты.

Существенным недостатком способов-аналогов является необходимость завязки траектории движения носителя обзорной РЛС для последующей оценки его направления движения, что потребует значительного времени и многократных измерений его местоположения. Кроме того, при разностно-дальномерном способе оценивания скорости носителя при большой частоте следования импульсов обзорной РЛС появляется неоднозначность измерения его местоположения, которую устранить практически невозможно, а также имеются ограничения на максимальное расстояние между приемными пунктами, так как они должны одновременно находиться в створе диаграммы направленности антенны обзорной РЛС.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ определения скорости и направления движения носителя обзорной РЛС многопозиционной пассивной радиолокационной станцией (МПРЛС), описанный в [3, стр.382-387].

Сущность способа-прототипа поясняется фиг.1, где представлено взаимное расположение МПРЛС и носителя обзорной РЛС на плоскости. На фиг.1 обозначены: и V_rj – вектор скорости носителя обзорной РЛС и его радиальная скорость относительно j-го приемного пункта (ПП), где ; R_gj – расстояние между ведущим (g-м) и j-м ПП, которое известно и постоянно, , gj; 1_gj, 2_gj – углы пересечения линий положения g-го и j-го ПП в точке истинного положения носителя обзорной РЛС при первой и второй оценке его местоположения; D1_g, D1_j и D2_g, D2_j – дальности от g-го и j-го ПП до носителя обзорной РЛС соответственно при первой и второй оценке его местоположения; – расстояние, которое преодолевает носитель обзорной РЛС за время

Т_пер – время перемещения носителя обзорной РЛС из одного элемента разрешения по угловой координате g-го ПП в другой элемент разрешения; _ППg – ширина диаграммы направленности (ШДН) антенны g-го ПП; V – тангенциальная скорость носителя обзорной РЛС, максимальная относительно одного из ПП, например g-го ПП; , и , – средние значения пеленгов на носитель обзорной РЛС, определенные g-м и j-м ПП соответственно при первой и второй оценке местоположения носителя обзорной РЛС.

Определение скорости и направления движения носителя обзорной РЛС в способе-прототипе основано на выполнении следующих операций (фиг.2):

1. Прием m пачек радиоимпульсов от обзорной РЛС j-м ПП в течение времени нахождения носителя обзорной РЛС в луче его диаграммы направленности

где A_mj(t) – функция изменения огибающей m-й пачки радиоимпульсов, принятой j-м ПП; S(t) – функция модуляции единичного радиоимпульса длительностью _u; T_u – период следования импульсов в пачке; _nm(t) – закон изменения фазы единичного радиоимпульса в m-й пачке; f₀ – частота зондирующего сигнала обзорной РЛС;

₀ – длина волны зондирующего сигнала обзорной РЛС; – количество радиоимпульсов в пачке, обусловленное ШДН антенны, частотой следования импульсов и скоростью обзора пространства РЛС.

2. Измерение j-м ПП пеленга на работающую обзорную РЛС 1_jm по каждой m-й принятой пачке импульсов обзорной РЛС и получение усредненного значения пеленга на обзорную РЛС

3. Передача усредненного значения пеленга на ведущий ПП.

4. Расчет значения угла пересечения линий положения g-го и j-го ПП в точке истинного положения носителя обзорной РЛС

5. Расчет значения дальности от носителя обзорной РЛС до ведущего ПП [4, стр.150]

6. Повторение операций п.п.1-5 при перемещении носителя обзорной РЛС в соседний элемент разрешения по угловой координате (луч диаграммы направленности) j-го ПП с целью определения второго среднего значения дальности от носителя обзорной РЛС до ведущего ПП

7. Расчет значения скорости носителя обзорной РЛС относительно ведущего ПП

Точность определения скорости носителя обзорной РЛС способом-прототипом определяется следующим выражением [5, стр.278]

где

– среднеквадратические ошибки (СКО) определения точек пересечения линий положения носителя обзорной РЛС g-го и j-го ПП при первой и второй оценке его местоположения соответственно; z – количество оценок местоположения носителя обзорной РЛС; _D1g=D1_g1g, _D1j=D1_j1j, _D2g=D2_g2g, _D2j=D2_j2j [7, стр.234] – СКО определения линий положения g-го и j-го ПП при первой и второй оценке местоположения носителя обзорной РЛС соответственно; , , , – СКО определения пеленгов на обзорную РЛС g-м и j-м ПП при первой и второй оценке его местоположения соответственно, определяемые по формуле [2, стр.186]

где q_g, q_j – отношения сигнал/шум по мощности для соответствующего ПП.

Значения q_g, q_j определяются по формуле [6, стр.118]

где [6, стр.236] энергия сигнала РЛС на входе соответствующих ПП, Р_и – импульсная мощность обзорной РЛС; – длительность пачки радиоимпульсов обзорной РЛС;

_РЛС – ШДН антенны обзорной РЛС; Т_обз – время обзора пространства РЛС; G_РЛС – коэффициент усиления антенны обзорной РЛС; G_БЛg, G_БЛj – коэффициенты, характеризующие уровень боковых лепестков диаграммы направленности антенны обзорной РЛС в направлении на соответствующий ПП; – скважность радиоимпульсов, излучаемых обзорной РЛС; N₀=k_бT°K_ш [6, стр.246] – спектральная плотность шума на входе g-го и j-го ПП, k_б=1,38·10^-23 [Дж/град] – постоянная Больцмана, T°=300К -абсолютная температура в градусах Кельвина, К_ш – коэффициент шума приемных устройств g-го и j-го ПП; – коэффициент, характеризующий потери энергии излученного сигнала РЛС в антенно-фидерном тракте ПП.

К недостаткам способа-прототипа относятся:

– низкая точность определения результирующей скорости носителя обзорной РЛС при малом количестве z;

– большое время, затрачиваемое на оценку направления движения носителя обзорной РЛС.

Техническим результатом изобретения является повышение точности и сокращение времени определения скорости и направления движения носителя обзорной РЛС в многопозиционной пассивной РЛС.

Указанный технический результат достигается тем, что в j-м приемном пункте определяют пеленг на обзорную РЛС _j и частоту сигнала обзорной РЛС f_0j и передают их значения на ведущий приемный пункт, на ведущем приемном пункте определяют пеленг на обзорную РЛС _g и разность частот F_gj=f_0g-f_0j, где f_0g – частота сигнала обзорной РЛС, измеренная ведущим приемным пунктом, рассчитывают угол между вектором скорости носителя обзорной РЛС и линией, соединяющей носитель обзорной РЛС и j-й приемный пункт по формуле

где – угол между вектором скорости носителя обзорной РЛС и линией, соединяющей носитель обзорной РЛС и g-й приемный пункт; _gj=_g–_j – угол пересечения линий положения g-го и j-го приемных пунктов в точке истинного положения носителя обзорной РЛС;

_g(j+1)=_g–_j+1 – угол пересечения линий положения g-го и j+1-го приемных пунктов в точке истинного положения носителя обзорной РЛС; знак «+» принимается, если j-й приемный пункт находится слева от g-го приемного пункта, знак «-» выбирается, если j-й приемный пункт находится справа от g-го приемного пункта; а скорость носителя обзорной РЛС определяют по формуле

Сущность изобретения поясняется фиг.3, где представлено взаимное расположение приемных пунктов и носителя обзорной РЛС на плоскости для случая J=3.

На фиг.2 обозначены:

R₃₁ и R₃₂ – расстояния между ПП, которые известны и постоянны;

– вектор скорости носителя обзорной РЛС и радиальные скорости относительно соответствующего ПП;

₁, ₂ и ₃ – углы между вектором скорости носителя обзорной РЛС и линиями, соединяющими носитель обзорной РЛС с соответствующим ПП;

₁, ₂, ₃ – пеленги на обзорную РЛС, определенные соответствующими ПП;

₃₁, ₃₂ – углы пересечения линий положения ПП3, ПП1 и ПП3, ПП2 соответственно в точке истинного положения носителя обзорной РЛС.

В качестве ведущего ПП назначен ПП3. Принято, что носитель обзорной РЛС движется прямолинейно и равномерно относительно МПРЛС.

В предлагаемом способе выполняется следующая последовательность операций (фиг.4):

1. Прием первой пачки радиоимпульсов (1) от обзорной РЛС каждым ПП.

2. Определение каждым ПП пеленгов на работающую обзорную РЛС ₁, ₂, ₃ и несущей частоты обзорной РЛС f₀₁, f₀₂, f₀₃.

3. Передача значений пеленгов ₁, ₂ и несущих частот сигнала обзорной РЛС f₀₁, f₀₂ на ПП3.

4. Определение на ПП3 значений углов пересечения линий положения ПП1, ПП3 и ПП2, ПП3 в точке истинного положения носителя обзорной РЛС

5. Определение на ПП3 значений разностей частот сигнала (1) F₃₁=f₀₃-f₀₁ и F₃₂=f₀₃-f₀₂.

6. Расчет на ПП3 значений углов ₁, ₂ и ₃

7. Определение на ПП3 скорости носителя обзорной РЛС

и усреднение полученных оценок

Таким образом, в предлагаемом способе определения скорости и направления движения носителя обзорной РЛС новыми существенными признаками изобретения являются:

1. Оценка несущих частот сигналов обзорной РЛС в каждом ПП.

2. Вычисление на ведущем ПП по первой пачке радиоимпульсов значений разностей частот сигнала обзорной РЛС.

3. Расчет углов ₁, ₂ и ₃ (12)-(13) и оценка скорости носителя обзорной РЛС (14)-(15).

На фиг.5 представлен вариант построения МПРЛС, состоящей из J ПП, в которой реализован предлагаемый способ определения скорости и направления движения обзорной РЛС. Каждый ПП состоит из однотипного приемного устройства (ПрУ), в котором определяются несущая частота f₀₁f_0J и пеленг на обзорную РЛС _1J. Ведущий ПП (g-й ПП), кроме того, включает в себя: вычитающие устройства 1.11.j, осуществляющие вычисление значений F_g1F_gJ и _g1g_J, два делителя 2; J-1 блоков вычисления скорости носителя обзорной РЛС (БВСН РЛС 1БВСН РЛС J-1); J-1 блоков вычисления направления движения носителя обзорной РЛС (углов между вектором скорости носителя обзорной РЛС и линией, соединяющей носитель обзорной РЛС и соответствующий ПП _1J БВНД РЛС 1БВНД РЛС J-1) и сумматор 5, реализующие вычисления по формулам (12)-(13) и (14)-(15).

Каждый БВСН РЛС включает в себя следующие устройства: три вычислителя синуса 3.g, 3.j, 3.j+1, осуществляющие определение синуса углов _g, _j и _j+1; два вычитающих устройства 1.g и 1.j; два делителя 2.j и 2.j+1 и два умножителя 7.j и 7.j+1.

Каждый БВНД РЛС включает в себя: три вычитающих устройства 1.g, 1.j, 1.j+1; два делителя 2.j; два вычислителя синуса 3.j и 3.j+1, осуществляющие вычисление синусов углов _gj и _g(j+1), два вычислителя косинуса 4.j, 4.j+1, осуществляющие вычисление косинусов углов _gj и _g(j+1); три сумматора 5.g, 5.j. 5.j+1; вычислитель арктангенса 6.j; два умножителя 7.j, 7.j+1 и две схемы выбора знака 8.j.

Порядок определения скорости и направления движения носителя обзорной РЛС в предлагаемой МПРЛС заключается в следующем.

Сигнал обзорной РЛС поступает на вход всех приемных пунктов МПРЛС. В ПрУ каждого ПП вычисляются пеленги на обзорную РЛС _1J и значения несущей частоты f₀₁f_0J. Полученные значения пеленгов и несущих частот сигнала обзорной РЛС передаются на g-й ПП.

На ведущем ПП полученные значения пеленгов и несущих частот поступают на первые входы соответствующих устройств 1.11.J. На их вторые входы подаются значения f_0g и _g. В результате на выходах устройств 1.11.J формируются значения F_g1F_gJ и _g1gJ. Значение f_0g также подается на вход устройства 2, на второй вход которого поступает постоянное значение скорости света (с). В результате на выходе устройства 2 формируется значение ₀.

Значения F_g1F_gJ и _g1gJ поступают на соответствующие блоки вычисления направления движения носителя обзорной РЛС, где проводятся следующие операции.

В блоках 3.13.J и 4.14.J вычисляются значения синусов и косинусов углов _g1gJ соответственно. Далее в устройствах 1.j и 1.j+1 проводятся операции вычитания постоянного значения «1» из полученных значений косинусов углов _gj и _g(j+1). Полученные разности подаются на входы устройств 7.j, на вторые входы которых подается результат вычислений в блоке 2.j. С выходов устройств 7.j полученные произведения подаются на сумматоры 5.j, выходы которых подключены к устройству 2.j. Результат деления поступает на устройство 6.j, на выходе которого формируется значение угла _g.

Значение угла _g подается на вход устройств 5.j и 1.j. На вторые входы устройств подаются значения углов _gj и _g(j+1) с выходов устройств 8.j. Значение угла _gj или _g(j+1) поступает на выход соответствующего устройства 8.j только при наличии разрешающего сигнала определенного уровня «Л» или «П» (сигнал о местоположении соответствующего ПП слева или справа от ведущего ПП)

В итоге на выходе устройства 5.j формируется значение угла _j или _j+1, на выходе устройства 1.j – значение угла _j+1 или _j.

В результате вычислений на выходах БВНД РЛС формируются значения углов

_1J, которые характеризуют положение носителя обзорной РЛС относительно каждого ПП МПРЛС.

Значения углов _g, _j и _j+1 поступают на устройства 3.j соответствующих БВСН РЛС. С выходов устройств 3.j значения синусов углов _g, _j и _j+1 поступают на устройства 1.j. Полученные разности синусов поступают на устройства 2.j, на вторые входы которых поступают значения F_gj и F_g(j+1). Результаты деления подаются на устройства 7.j, на вторые входы которых подается значение ₀ с выхода устройства 2. С выходов устройств 7.j значения скорости носителя обзорной РЛС и поступают на устройство 5. Сумма всех значений полученная во всех БВСН РЛС, с выхода устройства 5 поступает на вход устройства 2, на второй вход которого подается постоянное значение J-1. В результате на выходе устройства 2 формируется значение скорости носителя обзорной РЛС .

Все устройства, входящие в состав ведущего ПП и имеющие одинаковый номер, аналогичны по составу и принципу работы. Конструкция устройств 17 основана на использовании известных аналоговых и цифровых элементов и технических трудностей в реализации не представляет. Схема выбора знака 8 может состоять из мультиплексора с одним управляемым входом.

Оценка реализуемости и эффективности предлагаемого способа определения скорости и направления движения обзорной РЛС проводилась методом математического моделирования на ЭВМ. Операции 1-4 (фиг.4) известны, их реализация аналогична прототипу, а операции 5-7 были реализованы программно в среде MathCAD.

В результате моделирования была оценена точность определения скорости и направления движения носителя обзорной РЛС предлагаемым способом и степень влияния на нее величин, входящих в выражения (12)-(15).

В качестве исходных данных было принято, что носитель обзорной РЛС движется прямолинейно и равномерно относительно МПРЛС со скоростью ; значение Р_и=10³ Вт; длительность импульса _и=10^-6 с; период следования Т_и=10^-3 с, следовательно, Q=10³; ₀=0,03 м, значение _РЛС в азимутальной и угломестной плоскости составляет 3°, тогда G_РЛС=4000; Т_обз=5 с, тогда _пачки=42·10^-3 с; дальность от ведущего ПП до носителя обзорной РЛС D3 принимала значения 50, 100 и 150 км; расстояния R₃₁=R₃₂=20 км; значение _ПП в азимутальной и угломестной плоскости составляет 1,5°.

Были заданы 10000 реализаций углов пересечения линий положения ₃₁ и ₃₂ в точке истинного положения носителя обзорной РЛС и разностей частот сигнала обзорной РЛС F₃₁, F₃₂, распределенных по нормальному закону с математическим ожиданием ₃₁=₃–₁, ₃₂=₃–₂, , соответственно,

где V_r31=V_r3-V_r1, V_r32=V_r3-V_r2 и дисперсией, определяемой выражениями

где , , определяются по формуле (7); , , – СКО определения частоты сигнала обзорной РЛС соответствующим ПП, вычисляемая по формулам [2, стр.185]:

где q₁, q₂, q₃ – отношения сигнал/шум по мощности соответствующего ПП, определяемые по формуле (8).

Подставляя полученные в (7), (8) и (18) значения в (16) и (17) и проведя нелинейные преобразования сформированных случайных последовательностей были получены значения математического ожидания и дисперсии оценки скорости носителя обзорной РЛС . При заданных дальностях D₃, равных 50, 100 и 150 км, значения составили 2,963, 3,471 и 3,929 м/с соответственно. Полученные значения были сопоставлены с потенциальной точностью оценки скорости движения носителя обзорной РЛС, определяемой по формуле [4, стр.140]

На фиг.6 представлены зависимости от времени наблюдения носителя обзорной РЛС t=zT_пер для способа-прототипа. На фиг.7 представлены зависимости потенциальной от времени t_п=m·_пачки для заданных условий и значения , полученные в предлагаемом способе при значениях D3=50, 100 и 150 км. Из анализа графических зависимостей видно, что СКО определения скорости носителя обзорной РЛС в предлагаемом способе в отличие от прототипа практически не зависит от дальности до него.

Результаты сравнительного анализа точностей оценки скорости носителя обзорной РЛС способом-прототипом и предлагаемым способом для приведенных выше условий представлены в таблице.

Как видно из таблицы, в способе-прототипе для достижения точности определения скорости носителя обзорной РЛС, полученной в предлагаемом способе, необходимо выполнить не менее 6 оценок местоположения носителя обзорной РЛС, что составит в зависимости от дальности до носителя обзорной РЛС более 25 с. Следовательно, выигрыш по времени, возникающий в результате применения предлагаемого способа, составляет более 590 раз и возможен при приеме одной пачки импульсов от обзорной РЛС.

Таким образом, введение новых существенных признаков позволяет в МПРЛС достичь более высокой точности определения скорости и направления движения носителя обзорной РЛС при меньшем времени наблюдения по сравнению с прототипом.

Источники информации

1. Мамошин В.Р. Патент РФ 2279105 от 02.08.2004 г. на изобретение «Комплексный способ определения координат и параметров траекторного движения авиационно-космических объектов, наблюдаемых группировкой станций слежения». БИ 18 от 27.06.2006 г.

2. Смирнов Ю.А. Радиотехническая разведка. – М.: Воениздат, 2001. – 456 с.

3. Черняк B.C. Многопозиционная радиолокация. – М.: Радио и связь, 1993. – 416 с.

4. Караваев В.В., Сазонов В.В. Статистическая теория пассивной локации. – М.: Радио и связь, 1987. – 240 с.

5. Сосулин Ю.Г. Теоретические основы радиолокации и радионавигации: Учеб. пособие для вузов – М.: Радио и связь, 1992. – 304 с.

6. Ширман Я.Д. Теоретические основы радиолокации: Учеб. пособие для вузов. – М.: Сов. радио, 1970. – 560 с.

7. Казаринов Ю.М. Радиотехнические системы. Учеб. для вузов. – М.: Высшая школа. 1990. – 496 с.

Формула изобретения

Способ определения скорости и направления движения носителя обзорной РЛС, основанный на использовании многопозиционной пассивной РЛС, включающей J3 приемных пунктов, g-й из которых, где , является ведущим, отличающийся тем, что в j-м приемном пункте, где , jg, определяют пеленг на обзорную РЛС _j и частоту сигнала обзорной РЛС f_0j и передают их значения на ведущий приемный пункт, на ведущем приемном пункте определяют пеленг на обзорную РЛС
_k и разность частот F_gj=f_0g-f_0j, где f_0g – частота сигнала обзорной РЛС, измеренная ведущим приемным пунктом, рассчитывают угол между вектором скорости носителя обзорной РЛС и линией, соединяющей носитель обзорной РЛС и j-й приемный пункт по формуле
,
где – угол между вектором скорости носителя обзорной РЛС и линией, соединяющей носитель обзорной РЛС и g-й приемный пункт; _gj=_g–_j – угол пересечения линий положения g-го и j-го приемных пунктов в точке истинного положения носителя обзорной РЛС;
_g(j+1)=_g–_j+1 – угол пересечения линий положения g-го и (j+1)-го приемных пунктов в точке истинного положения носителя обзорной РЛС; знак «+» принимают, если j-й приемный пункт находится слева от g-го приемного пункта, знак «-» выбирают, если j-й приемный пункт находится справа от g-го приемного пункта; а скорость носителя обзорной РЛС определяют по формуле

где ₀ – длина волны зондирующего сигнала обзорной РЛС.

РИСУНКИ