Способ определения параметров движения воздушного объекта динамической системой радиотехнического контроля - RU2660160C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к области пассивной радиолокации и может быть использовано в динамической системе радиотехнического контроля для определения параметров движения воздушного объекта, имеющего на борту источник радиоизлучения (ИРИ).

Достигаемым техническим результатом изобретения является увеличение количества (повышение полноты) определяемых параметров движения воздушного объекта на борту которого находится ИРИ: местоположение в пространстве, курс, тангаж и действительная скорость. Технический результат достигается за счет возможности четырех БЛА-датчиков занимать различные эшелоны высот в заданных районах барражирования, обеспечивая тем самым возможность разностно-дальномерным способом определять местоположение воздушного объекта-носителя ИРИ в пространстве, обеспечения компенсации движения БЛА-датчиков, определения по соответствующим формулам курса (α_рез.), тангажа (β_рез.) и действительной скорости (V) движения воздушного объекта. При использовании бортовым ИРИ импульсных сигналов с линейной частотной модуляцией помимо полноты, повышается точность измерения параметров движения за счет использования в качестве информативного параметра значение скорости изменения частоты внутри ЛЧМ импульса.

Известен способ определения путевой скорости объекта (см. Пат. РФ №2273033, опуб. 27.03.2006). Способ заключается в том, что измеряют частоту Доплера отраженных от движущейся цели сигналов в наземной РЛС f_ДРЛС, причем измеряют частоту Доплера f_ДR отраженных сигналов в дополнительной приемной позиции, разнесенной в пространстве относительно наземной РЛС на базовое расстояние R_B, угол θ между направлениями «дополнительная приемная позиция R - цель Ц» и «дополнительная приемная позиция R - РЛС», угол между направлениями «РЛС-цель Ц» и «РЛС - дополнительная приемная позиция R», вычисляют бистатический угол β=180°-(θ+γ), при этом путевую скорость полета определяют как

где λ - рабочая длина волны, используемая в наземной РЛС; f_ДРЛС - частота Доплера, измеряемая в наземной РЛС; f_ДR - частота Доплера, измеряемая в дополнительной приемной позиции R; β - бистатический угол между направлениями «дополнительная приемная позиция R - цель Ц» и «РЛС-цель Ц», а частота Доплера, измеряемая в дополнительной приемной позиции R, определяется как

где α - угол между вектором скорости V и линией визирования цели со стороны приемной позиции R.

Известен способ определения нерадиальной проекции скорости движущейся цели (см. Пат. РФ №2367974). Известный способ заключается в том, что с помощью двух передающих антенн, размещенных в разных точках пространства, движущаяся цель облучается двумя совмещенными по времени зондирующими сигналами с несущими частотами f₁ и f₂, отраженные от цели сигналы F₁ и F₂ принимаются приемником, определяется разность ΔF_СИГН=F₁-F₂, определяется величина V_D по формуле:

где с - скорость света; r₁⁰ и r₂⁰ - единичные векторы, направленные на цель из точек расположения соответственно первой и второй приемной передающих антенн; V_D - проекция скорости цели V на направление вектора D.

Рассмотренные способы ориентированы на применение в активных радиотехнических средствах, в которых информацию об исследуемом объекте несет их собственный зондирующий сигнал, отраженный от этого объекта (сигнал вторичного излучения), следовательно, их применение в пассивных системах радиотехнического контроля, в которых отсутствует априорная информация о принимаемом сигнале, невозможно.

Известен способ определения координат движущегося ИРИ с неизвестными параметрами и устройство для его осуществления (см. Пат. РФ №2234712, 2004 г.), основанный на последовательном ряде измерений угловых координат движущегося ИРИ, измерение частоты излучения, принятого двумя приемниками, антенны которых движутся относительно с известными, но различными радиальными скоростями, расчете по результату измерений радиальной скорости ИРИ в каждый момент измерений, а начиная с третьего измерения, дальности до ИРИ.

Данный способ позволяет определить только радиальную составляющую скорости движения ИРИ, а не путевую скорость и направление движения.

Известен разностно-дальномерный способ определения местоположения ИРИ, где в каждой паре позиций измеряют разность доплеровских сдвигов частоты, которая пропорциональна скорости изменения разностей дальностей, путем измерения смещения центральной частоты взаимно-корреляционной функции принятых сигналов (Черняк B.C. многопозиционная радиолокация. - М.: Радио и связь, 1993 г., стр. 319).

Способ не позволяет определять направление движения ИРИ, а также не учитывает движение приемных позиций, в случае их конструктивного размещения на борту беспилотного летательного аппарата самолетного типа.

В качестве близкого по сущности технического решения известен способ определения местоположения источника радиоизлучения (см. Пат. РФ 2526094, опубл. 20.04.2014 г.), сущность которого заключается в предварительной доставке в предполагаемый район нахождения ИРИ БЛА-датчиков (не менее четырех). Каждый из БЛА-датчиков состоит из блока навигационно-временного обеспечения, ненаправленной антенны, панорамного приемника и приемопередатчика. В качестве средства доставки и обслуживания БЛА-датчиков, а также для ретрансляции координатной информации, поступающей с них и передачи команд управления с наземного пункта управления и обработки (НПУО), используется беспилотный или пилотируемый летательный аппарат (ЛА) среднего класса (ЛА-ретранслятор). После доставки в предполагаемый район нахождения источников радиоизлучения, по командам с наземного пункта управления и обработки, БЛА-датчики распределяют в пространстве. Совокупность БЛА-датчиков и ЛА-ретранслятор формально образуют в пространстве многопозиционную систему радиоконтроля. По сигналам блока навигационно-временного обеспечения определяются координаты в пространстве каждого БЛА-датчика и осуществляется их высокоточная привязка к собственной системе координат разностно-дальномерной системы и к единому времени, для этого информация о координатах периферийных БЛА-датчиков в сформированной РДС передается на центральный БЛА-датчик. Каждый БЛА-датчик, имеющий панорамный приемник, осуществляет поиск сигналов ИРИ в заданном частотном диапазоне. При обнаружении сигнала ИРИ осуществляется его оцифровка и передача с помощью передающего устройства приемопередатчика на центральный БЛА-датчик. На центральном БЛА-датчике по поступившим данным осуществляется определение местоположения ИРИ.

Способ позволяет повысить точность местоопределения ИРИ, функционирующих в труднодоступной местности за счет возможности обеспечения оптимального геометрического фактора и снижения динамичности системы при применении БЛА типа «мультикоптер», путем распределения БЛА-датчиков в пространстве. Недостатками данного способа является невозможность, в случае перемещающегося ИРИ, одновременно с определением местоположения определять параметры его движения.

В качестве наиболее близкого аналога - прототипа известен способ определения параметров движения источника радиоизлучения (см. Пат. РФ №2380723, от 27.01.2010 г.), основанный на триангуляционном способе определения местоположения ИРИ путем измерения угловых направлений на ИРИ (пеленгов) - α₁, α₂, α₃ из трех приемно-пеленгаторных пунктов, разнесенных друг от друга на расстояние, называемое базой, дополнительно одновременно в соответствующих приемно-пеленгаторных пунктах измеряют частоты принимаемого сигнала ИРИ - f₁, f₂, f₃, вычисляют промежуточные значения направления движения ИРИ по формуле

и скорости движения ИРИ - по формулам

определяют однозначные значения направления движения ИРИ

и модуля скорости движения ИРИ

В способе носителем информации о скорости перемещения ИРИ является несущая частота принимаемого сигнала - f.

Способ ориентирован на стационарные условия размещения приемно-пеленгаторных пунктов и не позволяет учитывать движение приемных позиций, в случае их конструктивного размещения на борту подвижного объекта, такого как БЛА самолетного типа, что существенно ограничивает мобильность. Способ позволяет определить направление движения ИРИ только на плоскости, т.е. учитывает только азимутальное направление движения (курс полета, α), и не позволяет определять параметры движения ИРИ в пространстве, в частности, высоту ИРИ и тангаж (β) движения. Следовательно, в случае набора или снижения высоты ИРИ (β≠0), значение скорости, получаемое в результате реализации данного способа, будет иметь отличия от его действительного значения.

Таким образом, целью изобретения является увеличение количества (повышение полноты) определяемых параметров движения воздушного объекта, на борту которого находится ИРИ: местоположение в пространстве, курс (α), тангаж (β) и действительная скорость (V).

Технический результат достигается тем, что, как и при использовании известного способа (см. Пат. РФ 2526094, опубл. 20.04.2014 г.) осуществляется предварительное размещение в предполагаемом географическом районе полета обнаруживаемого воздушного объекта-носителя ИРИ, недоступном для наземных средств радиотехнического контроля четырех датчиков на беспилотных летательных аппаратах самолетного типа (фиг. 1, электронный ресурс - www.bp-la.ru/bpla-orlan-10/ (дата обращения: 20.05.17 г.)) (далее БЛА-датчик) с удаленно размещенным наземным пунктом управления и обработки (НПУО), которые формально образуют в пространстве многопозиционную динамическую систему радиотехнического контроля (фиг. 2). На фиг. 2 приняты следующие обозначения: 1 - БЛА-датчики; 2 - наземный пункт управления и обработки (НПУО); 3 - воздушный объект - носитель ИРИ; 4,5 - труднодоступные районы, ограничивающие зону применения наземных средств радиотехнического контроля. Для обеспечения корректной работы разностно-дальномерного способа местоопределения ИРИ в пространстве, оператор НПУО определяет для каждого БЛА-датчика район барражирования и эшелон занимаемых высот. По сигналам блока навигационно-временного обеспечения в режиме реального времени определяются координаты, направление движения и действительная скорость каждого БЛА-датчика, осуществляется передача этой информации на НПУО, где выполняется высокоточная привязка к собственной системе координат. Каждый БЛА-датчик, имеющий панорамный приемник, по команде с НПУО, осуществляет поиск сигналов ИРИ воздушного объекта в заданном частотном диапазоне. При обнаружении сигнала ИРИ с помощью блока НВО определяют время прихода сигнала (t), с помощью панорамного приемника, определяется средняя частота спектра принимаемого сигнала (ƒ), в случае обнаружения импульсного сигнала с внутриимпульсной линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), при помощи устройства определения скорости изменения частоты внутри ЛЧМ импульса, определяется скорость линейного изменения его частоты (γ).

Устройство определения скорости изменения частоты внутри ЛЧМ импульса, на борту БЛА-датчика, работает следующим образом [Обнаружение и анализ широкополосных сигналов при радиотехническом мониторинге. Давыдов С.И. Л.: ВИКА. 1969. 223 с.].

Принятый ЛЧМ импульс U_n(t) поступает через полосовой фильтр на вход перемножителя, на вход которого поступает тот же импульс, но задержанный в линии задержки на τ₃(τ₃

На выходе интегратора, на вход которого подключен перемножитель, формируется сигнал с частотой биений ƒ_б, которая прямо пропорционально зависит от скорости изменения частоты ЛЧМ импульса и от времени задержки автокоррелятора:

Через измеренную частоту биений находят скорость изменения частоты внутри ЛЧМ импульса по формуле:

С помощью приемопередатчика на НПУО передают полученные данные от каждого БЛА-датчика.

На НПУО определяют местоположение ИРИ в пространстве за счет использования корреляционного метода, основанного на измерении временных задержек. Для этого на НПУО сравнивают время прихода сигнала на каждый БЛА-датчик, поочередно выбирая в качестве опорного все БЛА-датчики, реализуя таким образом разностно-дальномерную систему местоопределения (РДС МО) в пространстве, что позволяет построить четыре поверхности положения (двуполостные гиперболоиды) [Введение в теорию определения местоположения объектов радиотехническими методами. А.Г. Сайбель, СПб., Тип. ВИКУ, 2000 г., стр. 18-21.], точка их пересечения и будет являться местоположением воздушного объекта-носителя ИРИ.

Полученные на НПУО от четырех разнесенных в пространстве БЛА-датчиков данные о средней частоте спектра принимаемого сигнала ИРИ, а в случае импульсного ЛЧМ сигнала - скорости изменения частоты внутри ЛЧМ импульса, используются для оценивания доплеровского смещения.

Доплеровское смещение несущей частоты сигнала ИРИ, образуется как результат проекции вектора скорости ИРИ на линию, соединяющую его с приемной позицией, и определяется формулой:

где ƒ_нес. - несущая частота сигнала ИРИ, V - скалярное значение скорости ИРИ, θ - угол между прямой соединяющую ИРИ и приемную позицию и вектором скорости ИРИ, V_r=V⋅cos(θ) - радиальная скорость ИРИ относительно приемной позиции.

Известно, что мгновенная частота внутри ЛЧМ импульса изменяется во времени по закону:

где ƒ_нес. - несущая частота, τ_u - длительность импульса, γ - скорость линейного изменения частоты внутри зондирующего ЛЧМ импульса.

Скорость линейного изменения частоты внутри зондирующего ЛЧМ импульса рассчитывается по формуле:

где ƒ_∂ - девиация частоты, ƒ_max, ƒ_min - максимальное и минимальное значение частоты импульса соответственно.

При движении воздушного объекта излученный ИРИ сигнал с ЛЧМ на приемной позиции будет иметь Доплеровское смещение всех спектральных составляющих импульса, которое пропорционально радиальной скорости ИРИ относительно приемной позиции [Теоретические основы радиолокации. Под ред. Я.Д. Ширмана, М., издательство «Советское радио», 1970 г.].

Следовательно, значение частот ƒ_max и ƒ_min изменяется на величину

где Δƒ_∂ - девиация частоты с учетом Доплеровского смещения, V_r - радиальная скорость ИРИ.

Изменение масштаба спектра, в соответствии с теоремой об изменении масштаба, вызывает соответствующее изменение масштаба времени [Радиолокационные сигналы и их обработка. М.В. Свистов, М., издательство «Советское радио», 1977, стр. 62-63.]. Поэтому если длительность ЛЧМ радиоимпульса, излучаемого ИРИ сигнала равна τ, то длительность импульса за счет эффекта Доплера изменится на величину:

Таким образом, при сближении ИРИ и приемной позиции расширяется спектр и уменьшается длительность импульса принимаемого сигнала. При удалении ИРИ от приемной позиции спектр сужается и увеличивается длительность импульса принимаемого сигнала.

Отклонение скорости линейного изменения частоты внутри ЛЧМ импульса при сближении (удалении) ИРИ от приемной позиции будет определяться по формуле:

Соответственно скорость линейного изменения частоты внутри принятого на приемной позиции ЛЧМ импульса (γ_{принятого}):

где Δγ - величина отклонения скорости изменения частоты внутри ЛЧМ импульса, эквивалентная значению радиальной скорости между движущимся воздушным объектом, на борту которого расположена ИРИ, и приемной позицией, знаки +/- выбираются исходя из приближения/удаления ИРИ от приемной позиции, соответственно.

Исходя из формул (4) и (10), можно сделать вывод, что в сравнении с параметром ƒ_н (несущая частота сигнала) параметр γ обладает более высокой чувствительностью к эффекту Доплера, при условии (ƒ_неc.≈ƒ_∂).

Способ поясняется иллюстрациями, на которых представлено:

фиг. 3 - схематичное представление процедуры расчета радиальной скорости БЛА-датчиков относительно воздушного объекта-носителя ИРИ (θ - проекционный угол вектора скорости БЛА-датчика на линию, проходящую через точки, характеризующие местоположение БЛА-датчика и воздушного объекта);

фиг. 4 - схематичное представление процедуры расчета вектора скорости воздушного объекта-носителя ИРИ (α - курс, β - тангаж).

Все углы в системе отсчитываются относительно одного направления (выбираемого произвольно на НПУО). В заявленном способе в качестве приемных позиций используются БЛА-датчики самолетного типа, каждый из которых перемещается с заданной на НПУО скоростью, направлением движения и на определенной высоте. При определении параметров движения воздушного объекта необходимо компенсировать доплеровские смещения, связанные с движением БЛА-датчиков. С этой целью, после определения местоположения воздушного объекта в пространстве, на НПУО определяют радиальную скорость каждого БЛА-датчика относительно этого объекта (фиг. 3). Для этого строят прямые, проходящие через точки 1, 2, 3, 4 (фиг. 3), характеризующие местоположение БЛА-датчиков, и через точку 5, полученную в результате пересечения поверхностей положения РДС (двуполостных гиперболоидов) и характеризующую местоположение воздушного объекта-носителя ИРИ. Далее из точек 1, 2, 3, 4 строят вектора скоростей БЛА-датчиков, получают проекционные углы этих векторов с соответствующими прямыми 15, 25, 35, 45 - θ₁, θ₂, θ₃, θ₄. Радиальную скорость БЛА-датчика относительно воздушного объекта находят по формуле:

где V_{(БЛА-датчика)} - значение действительной скорости БЛА-датчика, θ - проекционный угол вектора скорости БЛА-датчика на линию, проходящую через точки, характеризующие местоположение БЛА-датчика и воздушного объекта.

Производят математический расчет значений Доплеровского смещения несущей частоты принимаемого сигнала, а в случае импульсного сигнала с ЛЧМ скорости изменения частоты внутри ЛЧМ импульса, вызванного движением БЛА-датчиков, и осуществляют их компенсацию по формулам:

где ƒ_комп. - несущая частота принятого сигнала с учетом компенсации движения приемной позиции - БЛА-датчика, γ_комп. - скорость изменения частоты внутри ЛЧМ-импульса с учетом компенсации движения приемной позиции - БЛА-датчика, знак +/- выбирают в зависимости от удаления/приближения БЛА-датчика к воздушному объекту, соответственно.

Произведя компенсацию движения БЛА-датчиков выражают проекционные углы вектора скорости воздушного объекта-носителя ИРИ на соответствующие прямые 15, 25, 35, 45 через α₁, α₂, α₃, α₄, β₁, β₂, β₃, β₄, α, β, получают систему из четырех уравнений с четырьмя неизвестными α (курс), β (тангаж), V (действительная скорость), ƒ_нес..

и α, β, V, γ для импульсного сигнала с внутриимпульсной ЛЧМ

Последовательно решают систему уравнений (15) относительно V, α и β получают формулы для нахождения соответствующих величин.

Выражают из первого уравнения системы ƒ_нес.:

Выражение (17) подставляют во второе уравнение системы (15) и выражают V:

Выражение (18) подставляют в третье уравнение системы (15) и выражают α:

Выражение (19) подставляют в четвертое уравнение системы (15) и выражают β. В результате преобразований получают формулы для V, α и β по которым находят промежуточные значения, поскольку существует неоднозначность определения углов α, β и знака скорости V.

Однозначность значений параметров движения воздушного объекта-носителя ИРИ определяется с помощью формул:

где V_рез.∈{V₁₂, V₁₃, V₁₄, V₂₃, V₃₄, V₂₄};

n=6 при f_комп.1≠f_комп.2, f_комп.1≠f_комп.3, f_комп.1≠f_комп.4, f_комп.2≠f_комп.3, f_комп.2≠f_комп.4, f_комп.3≠f_комп.4.

В случае использования ИРИ импульсного сигнала с ЛЧМ параметр ƒ заменяется на γ, алгоритм расчета при этом остается неизменен.

В предлагаемом способе носителем информации о путевой скорости и направлении движения может является средняя частота спектра принимаемого сигнала (ƒ), а также скорость изменения частоты внутри ЛЧМ радиоимпульса принимаемого сигнала (γ), в случае приема импульсного сигнала с ЛЧМ. Параметр γ, исходя из формулы (10), более чувствителен к отклонениям, связанным с эффектом Доплера, по сравнению с аналогичными отклонениями несущей частоты, при условии (ƒ_нес.≈ƒ_∂). Кроме того, определение данного параметра производится после автокоррелятора, который в свою очередь, за счет реализации процедуры свертки, позволяет получить выигрыш в отношении сигнал/шум [Обнаружение и анализ широкополосных сигналов при радиотехническом мониторинге. Давыдов С.И., Л.: ВИКА. 1969. 223 с], что существенно уменьшает относительную погрешность измерений.

Сравнение предложенного технического решения с прототипом и аналогами позволяет сделать вывод, что оно соответствует критерию новизны и обладает существенными отличиями. Положительный эффект достигается за счет реализации на НПУО алгоритма расчета и последующей компенсации доплеровских смещений несущей частоты принимаемого сигнала ИРИ, а в случае импульсного сигнала с ЛЧМ скорости изменения частоты внутри ЛЧМ импульса, вызванных движением приемных позиций (БЛА-датчиков) динамической системы радиотехнического контроля, что позволяет осуществлять поиск и обнаружение воздушного объекта-носителя ИРИ над труднодоступной местностью. Кроме того, использование БЛА-датчиков предоставляет возможность размещать их на различных высотах, что позволяет определять местоположение ИРИ в пространстве, а за счет представленных в способе формул определять курс (α), тангаж (β) и действительную скорость (V) воздушного объекта-носителя ИРИ.

Список используемой литературы:

1. Черняк B.C. многопозиционная радиолокация. - М.: Радио и связь, 1993 г., стр. 319

2. Обнаружение и анализ широкополосных сигналов при радиотехническом мониторинге. Давыдов С.И., Л.: ВИКА. 1969. 223 с.

3. Введение в теорию определения местоположения объектов радиотехническими методами. А.Г. Сайбель, СПб., Тип. ВИКУ, 2000 г., стр. 18-21.

4. Теоретические основы радиолокации. Под ред. Я.Д. Ширмана, М., издательство «Советское радио», 1970 г.

5. Радиолокационные сигналы и их обработка. М.В. Свистов, М., издательство «Советское радио», 1977, стр. 62-63.

Реферат

Изобретение относится к области пассивной радиолокации и может быть использовано в динамической системе радиотехнического контроля для определения параметров движения воздушного объекта, имеющего на борту источник радиоизлучения (ИРИ). Достигаемый технический результат изобретения - увеличение количества (повышение полноты) определяемых параметров движения воздушного объекта, на борту которого находится ИРИ: местоположение в пространстве, курс, тангаж и действительная скорость. Технический результат достигается за счет использования четырех датчиков, конструктивно размещенных на борту четырех беспилотных летательных аппаратов (БЛА-датчиков), и возможности занимать ими различные эшелоны высот в заданных районах барражирования, обеспечивая тем самым возможность разностно-дальномерным способом определять местоположение воздушного объекта-носителя ИРИ в пространстве, обеспечения компенсации движения БЛА-датчиков, определения по соответствующим формулам курса (α), тангажа (β) и действительной скорости (V) движения воздушного объекта. При использовании бортовым ИРИ импульсных сигналов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) помимо полноты повышается точность измерения параметров движения за счет использования в качестве информативного параметра значения скорости изменения частоты внутри ЛЧМ импульса. 4 ил.

Формула