Способ обзорной активно-пассивной латерационной радиолокации воздушно-космических объектов - RU2713498C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в системах обзорной многопозиционной активно-пассивной радиолокации для высокоточного местоопределения лоцируемых воздушно-космических объектов (ВКО), определения их скоростей и траекторий движения в пространстве, для улучшения разрешающей способности по угловым координатам (УК).

В настоящее время основным источником информации о перемещении ВКО в пространстве являются радиолокационные системы (РЛС), позволяющие решать задачи обнаружения, определения местоположения и измерения параметров траекторий ВКО, а также распознавания их типов. Эти системы должны быть быстродействующими и высокоточными, так как современные ВКО могут перемещаться по сложным траекториям с большими (в том числе гиперзвуковыми) скоростями.

Наиболее распространенным типом РЛС для наблюдения за ВКО являются активные однопозиционные системы, измеряющие дальности и УК объектов, то есть РЛС угломерно-дальномерного типа. Необходимые точность измерения дальности и разрешающая способность по дальности в этих РЛС могут быть обеспечены путем использования широкополосных зондирующих сигналов с внутриимпульсной угловой модуляцией и сжатием импульсов при приеме. Необходимая точность измерения УК обеспечивается путем применения антенн РЛС с узкими диаграммами направленности (ДН), однако для этого требуются большие, зачастую трудно реализуемые антенны. Таким образом, точность местоопределения ВКО радиолокационными системами зависит, в основном, от точности измерения УК.

Высокая точность угловых измерений может быть обеспечена, как известно, моноимпульсным методом [1 - Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация - М.: Радио и связь, 1984. - 312 с.]. Высокое быстродействие РЛС достигается за счет использования обзорных режимов работы, позволяющих одновременно определить координаты всех ВКО, находящихся в общей зоне парциальных ДН. Задача повышения точности измерения УК и расширения рабочей зоны при однопозиционной обзорной моноимпульсной пеленгации и повышения скорости измерений УК решена в предложенном ранее способе [2 - патент 2583849, РФ, G01S 3/14, H01Q 25/02. 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. Заявл. 13.04.2015, опубл. 10.05.2016]. Этот способ и пеленгатор на его основе позволяют путем выбора угла разноса парциальных ДН и вида весовой функции (ВФ) сформировать пеленгационную характеристику (ПХ) устройства, практически линейную в рабочей зоне, равной раствору моноимпульсной группы лучей (МГЛ) по уровню половинной мощности и обеспечить моноимпульсное измерение УК с точностью не хуже 0,01 от величины этой зоны. Однако способ [2] не предназначен для определения параметров траекторий ВКО и скоростей их движения.

В типовых обзорных РЛС стробы сопровождения по дальности и углам существенно различаются - размер строба по дальности намного меньше размера строба по УК [3 - патент 2480782, РФ. Способ и устройство разрешения движущихся целей по угловым направлениям в обзорных РЛС / Ирхин В.И., Замятина И.Н. Заявл. 6.10.2011, опубл. 27.04.2013]. Для обеспечения же улучшенных характеристик РЛС разрешение по угловым координатам (в линейном измерении) должно быть близким к разрешению по дальности. Линейное разрешение, например, по азимуту составляет на дальности D величину

где,ϑ_0,5 - ширина ДН по уровню минус 3 дБ. При равномерном распределении поля по апертуре антенны ϑ_0,5=λ/d (d - азимутальный размер апертуры, λ - длина волны), тогда линейное разрешение то есть оно обратно пропорционально размеру апертуры. Поэтому очевидный путь улучшения разрешающей способности по УК (при неизменной длине волны) - увеличение размера апертуры антенны.

Существенное улучшение точности измерения местоположения ВКО возможно при использовании нескольких разнесенных в пространстве станций, объединенных с помощью системы ретрансляции данных в многопозиционную систему [4 - Кондратьев B.C., Котов А.Ф., Марков Л.Н. Многопозиционные радиотехнические системы. М.: Радио и связь, 1986, 264 с]. Кроме этого, многопозиционные системы позволяют измерять вектор скорости объекта, увеличить разрешающую способность и повысить защищенность от активных и пассивных помех. Поэтому они представляют интерес для решения рассматриваемых проблем.

Способ измерения координат с повышенной точностью с помощью многопозиционной РЛС известен, например, из патента [5 - Патент 2515571, РФ, G01S 13/46. Способ определения координат цели в трехпозиционной дальномерной радиолокационной системе / Машков Г.М., Борисов Е.Г. Заявлен 5.10.2012, опубликован 10.05.2014], который является аналогом заявляемого изобретения. Он позволяет, кроме координат, определять скорость цели и скорость ее изменения. Для этого излучение зондирующих и прием отраженных сигналов осуществляют на каждой позиции системы, там же измеряют дальности до цели и скорости изменения дальности. Измеряют две суммы дальностей от одной позиции до цели и от цели до двух других позиций, а также три попарные разности дальностей и скорости их изменения, по которым вычисляют уточненные значения дальности и скорости их изменения по приведенным формулам.

Однако в [5] не обеспечено определение направлений движения целей (объектов), углов пикирования (кабрирования), а также не строятся траектории их движения в пространстве. Также не рассмотрены способы улучшения разрешающей способности по УК, хотя улучшение разрешающей способности является важным направлением совершенствования РЛС, позволяющим осуществить селекцию элементов групповых объектов (ЭГО). Следовательно, улучшение точности определения координат и траекторий ВКО, а также их углового разрешения при локации в расширенной рабочей зоне, является актуальным.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ [6 - патент 2279105, РФ, G01S 13/42, G01S 13/72, G01S 17/42. Комплексный способ определения координат и параметров траекторного движения авиационно-космических объектов, наблюдаемых группировкой станций слежения / Мамошин В.Р. Заявл. 2.08.2004, опубл. 27.06.2006], принятый за прототип. В нем на взаимодействующих станциях синхронно измеряют координаты объектов и, используя известные базовые расстояния между станциями, определяют первичные параметры траекторного движения наблюдаемых объектов. Значения этих параметров по межстанционным дуплексным каналам транслируют на каждую станцию группировки, где избыточное количество алгоритмов локального комплексирования используют для получения дополнительной информации о параметрах траекторного движения объектов. После этого формируют сигналы управления дальномерными и угломерными каналами станций при вынужденном прерывании их нормального функционирования. Далее значения параметров передают на пункты контроля, где их представляют в единой земной базисной системе координат и после статистической обработки получают уточненные оценки параметров траекторного движения объектов.

К недостаткам прототипа [6] применительно к задаче определения координат, скоростей и траекторий движения в пространстве лоцируемых ВКО относятся:

- использование значений наклонных дальностей и пространственных составляющих скоростей объектов при расчете проекций координат на горизонтальной плоскости, что вносит дополнительные погрешности при построении траекторий движения объектов;

- излишние затраты времени на статистическую обработку избыточной неравноточной информации о параметрах движения ВКО.

Технических решений, устраняющих эти проблемы при высокоточном определении координат и траекторий перемещающихся в пространстве ВКО в расширенной рабочей зоне, авторами предлагаемого изобретения не обнаружено.

Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в создании РЛС, позволяющей достичь высокоточного местоопределения ВКО, определения их скоростей, пространственных курсовых углов и углов пикирования (кабрирования), а также траекторий движения в пространстве.

Для решения указанной технической проблемы предлагается способ обзорной активно-пассивной латерационной моноимпульсной радиолокации, при котором

образуют многопозиционную РЛС из трех активных трехкоординатных угломерно-дальномерных радиолокаторов (РЛ), размещенных на местности в точках, образующих равносторонний треугольник со сторонами, величины которых равны d, основание треугольника ориентировано по оси абсцисс прямоугольной системы координат 0xyz, а высота, равная

ориентирована по оси ординат этой системы координат и восстановлена из точки, соответствующей ее началу 0, в которой размещен центральный пункт управления (ЦПУ), соединенный с радиолокаторами системы дуплексными каналами информационной связи (КИС),

используют в радиолокаторах цифровые антенные решетки или антенные решетки с цифровой обработкой сигналов, применяя на их раскрывах весовые функции Хэмминга, формируют моноимпульсные группы лучей с общим фазовым центром и пеленгационные характеристики, при специальном выборе углов смещения лучей β_см и ε_см линейные в рабочих зонах Δβ_ПХ по азимуту и Δε_ПХ по углу места и перекрывающие всю ширину МГЛ,

разбивают заданную область обзора пространства (телесный угол) на участки размером Δβ_ПХ по азимуту и Δε_ПХ по углу места и, последовательно устанавливая равносигнальные направления моноимпульсных групп лучей радиолокаторов в центры этих участков, излучая зондирующие импульсы и принимая отраженные от лоцируемых воздушно-космических объектов сигналы в течение интервала наблюдения на каждом участке разбиения, осуществляют обзор упомянутой области, констатируя обнаружение в ней совокупности

объектов,

измеряют, с привязкой к системе единого времени, и запоминают для каждого из обнаруженных объектов значения отсчетов наклонных дальностей и угловых координат, вычисляемых относительно упомянутых равносигнальных направлений путем решения линейных пеленгационных уравнений,

выбирают из совокупности

наиболее динамичные объектов для определения их параметров движения и траекторий.

Согласно изобретению:

в данный момент времени используют в активном режиме лишь один из РЛ, а два других работают на прием, образуя с активным радиолокатором бистатические пары с базами d,

рассчитывают оценочные значения прямоугольных координат воздушно-космических объектов относительно точки стояния активного РЛ по измеренным значениям их сферических координат,

пересчитывают эти значения координат объектов к точке местонахождения ЦПУ,

рассчитывают оценочные значения угловых координат объектов относительно точек стояния радиолокаторов, работающих в пассивном режиме,

транслируют полученные значения угловых координат на пассивные РЛ, наводят их антенные системы на объекты,

принимают отраженные от объектов сигналы и транслируют их на ЦПУ, определяют суммарно-дальномерным методом наклонные дальности

относительно точек стояния радиолокаторов, где - точки нахождения ВКО на траектории,

рассчитывают уточненные прямоугольные координаты l-го объекта в точке

траектории по формулам

вычисляют уточненные прямоугольные координаты всех L объектов, запоминают их значения, повторяют расчеты прямоугольных координат точек

для моментов времени где и также запоминают их значения, определяют приращения прямоугольных координат за время T_обз=t_k+1-t_k,

используют уточненные значения координат для селекции отдельных объектов из состава групп,

вычисляют точные значения сферических координат объектов относительно точки нахождения ЦПУ,

наклонной дальности

азимута

и угла места

определяют приращения величин

за время обзора Т_обз заданного сектора пространства,

рассматривают пространственные перемещения объектов как их движение по вспомогательным наклонным плоскостям

образованным векторами наклонных дальностей и отрезками траекторий объектов, рассчитывают величины углов между векторами наклонных дальностей как длины гипотенуз сферических прямоугольных треугольников с катетами в виде

определяют расстояния, пройденные объектами за интервал времени Т_обз, как

и модули скоростей движения объектов

вычисляют значения пространственных курсовых углов лоцируемых объектов

а также текущие значения их углов пикирования (кабрирования)

периодически повторяя операции по обзору заданного сектора пространства, измерению первичных параметров (дальностей, угловых координат) и расчету параметров движения (векторов скорости и углов пикирования, кабрирования), строят криволинейные траектории движения лоцируемых объектов, аппроксимированные векторными отрезками

используют расчетные значения пространственных курсовых углов и скоростей движения объектов для определения высокоточных значений упрежденных на время

координат объектов.

Техническим результатом, достигаемым при использовании предлагаемого изобретения, является разработка операций предложенного способа многопозиционной активно-пассивной радиолокации, вывод математических соотношений, позволяющих определить значения модулей скорости движения ВКО, их пространственных курсовых углов и углов пикирования (кабрирования), а также определение структуры и порядка функционирования РЛС, реализующей предложенный способ. При использовании предложенного способа появляется возможность обнаружения маневров ВКО, использования устойчивых алгоритмов сопровождения маневрирующих объектов и построения траекторий их движения. Также эффективно решаются вопросы целераспределения, целеуказания и селекции отдельных объектов при их перемещении в составе групп.

Предлагаемое изобретение не известно в современной радиотехнике, а также не известны источники информации, содержащие сведения об аналогичных технических решениях, имеющих признаки, сходные с совокупностью признаков, отличающей 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 - геометрия задачи в прямоугольной системе координат;

фигура 2 - структурная схема системы, реализующей предложенный способ.

При реализации предложенного способа выполняется следующая последовательность операций.

1. Образуют многопозиционную РЛС из трех активных трехкоординатных угломерно-дальномерных РЛ, размещенных на местности в точках 1-3 (фигура 1), образующих равносторонний треугольник со сторонами, величины которых равны d, основание треугольника ориентировано по оси абсцисс прямоугольной системы координат 0xyz, а высота, равная

ориентирована по оси ординат этой системы координат и восстановлена из точки, соответствующей ее началу 0, в которой размещен ЦПУ, соединенный с радиолокаторами системы дуплексными КИС.

2. Используют в радиолокаторах цифровые антенные решетки или антенные решетки с цифровой обработкой сигналов, применяя на их раскрывах весовые функции Хэмминга, формируют моноимпульсные группы лучей с общим фазовым центром и пеленгационные характеристики, при специальном выборе углов смещения лучей β_см и ε_см линейные в рабочих зонах Δβ_ПХ по азимуту и Δε_ПХ по углу места и перекрывающие всю ширину МГЛ.

3. Разбивают заданную область обзора пространства (телесный угол) на участки размером Δβ_ПХ по азимуту и Δε_ПХ по углу места и, последовательно устанавливая равносигнальные направления моноимпульсных групп лучей радиолокаторов в центры этих участков, излучая зондирующие импульсы и принимая отраженные от лоцируемых воздушно-космических объектов сигналы в течение интервала наблюдения на каждом участке разбиения, осуществляют обзор упомянутой области, констатируя обнаружение в ней совокупности

объектов.

4. Измеряют, с привязкой к системе единого времени, и запоминают для каждого из обнаруженных объектов значения отсчетов наклонных дальностей и угловых координат, вычисляемых относительно упомянутых равносигнальных направлений путем решения линейных пеленгационных уравнений.

5. Выбирают из совокупности

наиболее динамичные объектов для определения их параметров движения и траекторий.

6. Используют в данный момент времени в активном режиме лишь один из РЛ, при этом два других работают на прием, образуя с активным РЛ бистатические пары с базами d.

7. Рассчитывают оценочные значения прямоугольных координат ВКО относительно точки стояния активного РЛ по измеренным значениям их сферических координат.

8. Пересчитывают эти значения координат объектов к точке местонахождения ЦПУ.

9. Рассчитывают оценочные значения угловых координат объектов относительно точек стояния радиолокаторов, работающих в пассивном режиме.

10. Транслируют полученные значения угловых координат на пассивные РЛ и наводят их антенные системы на объекты.

11. Принимают отраженные от объектов сигналы и транслируют их на ЦПУ, определяют суммарно-дальномерным методом наклонные дальности

относительно точек стояния радиолокаторов, где - точки нахождения ВКО на траектории.

12. Рассчитывают уточненные прямоугольные координаты l-го объекта в точке

траектории по формулам

13. Вычисляют уточненные прямоугольные координаты всех L объектов, запоминают их значения, повторяют расчеты прямоугольных координат точек

для моментов времени где и также запоминают их значения; определяют приращения прямоугольных координат за время обзора Т_о6з=t_k+1-t_k.

14. Используют уточненные значения координат для селекции отдельных объектов из состава групп.

15. Вычисляют точные значения:

сферических координат объектов относительно точки нахождения ЦПУ, наклонной дальности

азимута

и угла места

16. Определяют приращения величин

за время обзора Т_обз заданного сектора пространства.

17. Рассматривают пространственные перемещения объектов как их движение по вспомогательным наклонным плоскостям

образованным векторами наклонных дальностей и отрезками траекторий объектов, рассчитывают величины углов между векторами наклонных дальностей как длины гипотенуз сферических прямоугольных треугольников с катетами в виде

18. Определяют расстояния, пройденные объектами за интервал времени Т_обз, как

и модули скоростей движения объектов

19. Вычисляют значения пространственных курсовых углов лоцируемых объектов

а также текущие значения их углов пикирования (кабрирования)

20. Периодически повторяя операции по обзору заданного сектора пространства, измерению первичных параметров (дальностей, угловых координат) и расчету параметров движения (векторов скорости и углов пикирования, кабрирования), строят криволинейные траектории движения лоцируемых объектов, аппроксимированные векторными отрезками

21. Используют расчетные значения пространственных курсовых углов и скоростей движения объектов для определения высокоточных значений упрежденных на время

координат объектов.

Примером системы, реализующей предложенный способ, является трехпозиционная активно-пассивная радиолокационная система, структурная схема которой приведена на фигуре 2, где приняты следующие обозначения:

1 - радиолокатор 1 (РЛ1);

2 - радиолокатор 2 (РЛ2);

3 - радиолокатор 3 (РЛ3);

4 - центральный пункт управления (ЦПУ);

5 - передатчик (ПРД);

6 - блок делителей мощности (БДМ);

7 - блок приемо-передающих модулей (БППМ);

8 - антенная решетка (АР);

9 - синхронизатор (СХ);

10 - синтезатор частот (СЧ);

11 - устройство управления (УУ);

12 - устройство запоминания отсчетов весовой функции (УЗОВФ);

13 - вычислитель пеленгационных характеристик (ВПХ);

14 - вычислитель углов смещения максимумов ДН в МГЛ от РСН и коэффициентов разложения функции, описывающей ПХ (ВУСКР);

15 - блок умножителей и маршрутизатор потока данных (БУМПД);

16 - диаграммообразующее устройство (ДОУ);

17 - блок обнаружителей и измерителей дальностей (БОИД);

18 - блок измерителей угловых рассогласований (БИУР);

19 - приемо-передающее устройство обмена данными и ретрансляции сигналов (ППУОД);

19₁-19₄ - приемо-передающие устройства обмена данными и ретрансляции сигналов (ППУОД1-ППУОД4);

20 - устройство интерфейсное (УИ);

21 - блок формирования меток единого времени (БФМЕВ);

22 - блок анализа обстановки (БАО);

23 - блок вычислителя координат наведения (БВКН);

24 - блок вычислителя дальностей (БВД);

25 - блок вычислителя точных прямоугольных угловых координат (БВТПУК);

26 - блок селекции (БС);

27 - блок вычислителя точных сферических координат (БВТСК);

28 - блок вычислителя модулей скоростей, пространственных курсовых углов и углов пикирования (БВСКУ);

29 - блок вычислителя траекторий (БВТ);

30 - блок вычислителя прогнозируемых координат (БВПК);

На фигуре 2 использованы дополнительные сокращения:

ВС - вышестоящая система,

ИД - исходные данные,

КИС - канал информационной связи,

КУ - команда управления,

ПД - поток данных,

СГ - сигнал гетеродина,

СИ - синхроимпульс,

СП - сигнал передатчика.

Активно-пассивная РЛС содержит (фигура 2) РЛ1 1, РЛ2 2 и РЛ3 3, соединенные с ЦПУ 4 дуплексными КИС 1, КИС 2 и КИС 3, соответственно. В состав РЛ1 1 входит ПРД 5, выход которого подключен ко входу БДМ 6, выходы которого соединены с входами 1вх…Ωвх БППМ 7. Входы-выходы 1вв…Ωвв БППМ 7 соединены с одноименными входами-выходами АР 8, а выходы 1вых…Ωвых БППМ 7 подключены к сигнальным входам 1вх…Ωвх БУМПД 15.

Первый выход СХ 9 соединен со вторым входом ПРД 5, первый вход которого подключен к первому выходу СЧ 10, второй выход которого подключен к первому управляющему входу 1у БУМПД 15, а ко второму управляющему входу 2у БУМПД 15 подключен второй выход УУ 11, первый выход которого соединен со входом СЧ 10.

Третий выход СХ 9 соединен со вторым входом БОИД 17, а четвертый выход СХ 9 подключен ко второму входу ППУОД 19, к первому входу которого подключен восьмой выход УУ 11. Ко входу СХ 9 подключен пятый выход УУ 11, а второй выход СХ 9 соединен с третьим управляющим входом 3у БУМПД 15. Сигнальный выход БУМПД 15 подключен к сигнальному входу ДОУ 16, первый выход которого подключен к первому входу БОИД 17, а второй выход - ко входу БИУР 18, выход которого соединен с седьмым входом УУ 11. К шестому входу УУ 11 подключен выход БОИД 17. Третий выход УУ 11 соединен с первыми управляющими входами 1у БППМ 7 и ДОУ 16, а четвертый выход УУ 11 - со вторым управляющим входом 2у ДОУ 16. Девятый выход УУ 11 подключен к шестому входу ППУОД 19, пятый выход которого соединен с десятым входом УУ 11.

Одиннадцатый выход УУ 11 подключен ко входу УЗОВФ 12, первый выход которого подключен к первому входу ВПХ 13, а второй выход - к двенадцатому входу УУ 11. Тринадцатый выход УУ 11 подключен ко второму входу ВПХ 13, выход которого соединен со входом ВУСКР 14. Выход ВУСКР 14 подключен к четырнадцатому входу УУ 11.

Третий вход и четвертый выход ППУОД 19 дуплексным КИС1 соединены соответственно со вторым выходом и первым входом ППУОД2 19₂, входящего в состав ЦПУ 4.

Состав РЛ2 2 и РЛ3 3 аналогичен составу РЛ1 1. Их ППУОД (на фиг. 2 не показаны) дуплексными КИС2 и КИС3 так же соединены с ППУОД3 19₃ и ППУОД4 19₄, входящими в состав ЦПУ 4.

Третий вход и четвертый выход ППУОД2 19₂ подключены соответственно к четвертому выходу и третьему входу УИ 20, а третий вход и четвертый выход ППУОД3 19₃ - к шестому выходу и пятому входу УИ 20. Третий вход и четвертый выход ППУОД4 19₄ подключены соответственно к восьмому выходу и седьмому входу УИ 20, к девятому входу которого подключен выход БФМЕВ 21. Первый вход и второй выход УИ 20 подключены соответственно к четвертому выходу и третьему входу ППУОД1 19₁, первый выход и второй вход которого являются границей РЛС (соединяются с вышестоящей системой).

В состав РЛС введены вновь БАО 22, БВКН23, БВД 24, БВТПУК 25, БС 26, БВТСК 27, БВСКУ 28, БВТ 29 и БВПК 30. Первый вход и второй выход БАО 22 подключены соответственно к десятому выходу и одиннадцатому входу УИ 20, а первый вход и второй выход БВКН 23 - соответственно к двенадцатому выходу и тринадцатому входу УИ 20. Первый вход и второй выход БВД 24 подключены соответственно к четырнадцатому выходу и пятнадцатому входу УИ 20, а первый вход и второй выход БВТПУК 25 - соответственно к шестнадцатому выходу и семнадцатому входу УИ 20. Первый вход и второй выход БС 26 подключены соответственно к восемнадцатому выходу и девятнадцатому входу УИ 20, а первый вход и второй выход БВТСК 27 - соответственно к двадцатому выходу и двадцать первому входу УИ 20. Первый вход и второй выход БВСКУ 28 подключены соответственно к двадцать второму выходу и двадцать третьему входу УИ 20, а первый вход и второй выход БВТ 29 - соответственно к двадцать четвертому выходу и двадцать пятому входу УИ 20. При этом первый вход и второй выход БВПК 30 соединены соответственно с двадцать шестым выходом и двадцать седьмым входом УИ 20.

Активно-пассивная РЛС работает следующим образом.

После включения электропитания команда управления с первого выхода УУ 11 радиолокатора 1 подается на СЧ 10, где синтезируются сигнал передатчика, который с первого выхода СЧ 10 поступает на первый вход ПРД 5, и сигнал гетеродина, который со второго выхода СЧ 10 поступает на первый управляющий вход 1у БУМПД 15.

Со второго выхода УУ 11 подаются команды управления на второй управляющий вход 2у БУМПД 15. Также команды управления подаются с третьего выхода УУ 11 на первые управляющие входы 1у БППМ 7 и ДОУ 16.

Аналогичные операции, как и последующие, осуществляются в РЛ2 2 и РЛ3 3 с использованием объединяющих все радиолокаторы системы дуплексных КИС. Для этого с девятого выхода УУ 11 команды подаются на ППУОД 19, а затем по КИС1 на ППУОД2 192 и поступают через УИ 20, ППУОД3 19₃ и КИС2 - на РЛ2 2, а через УИ 20, ППУОД4 19₄ и КИС3-на РЛ3 3. Эти трехкоординатные угломерно-дальномерные РЛ1 1, РЛ2 2 и РЛ3 3 для осуществления локации ВКО размещены на местности так, что образуют равносторонний треугольник со сторонами, величины которых равны d, основание ориентировано по оси абсцисс, а высота, равная

ориентирована по оси ординат и восстановлена из точки, соответствующей началу общей системы координат 0xyz.

Геометрия задачи показана на фигуре 1, где в точках 1, 2, 3 находятся РЛ1, РЛ2 и РЛ3 соответственно, а в точке А₁ - лоцируемый объект, движущийся на рассматриваемом участке траектории прямолинейно и равномерно с произвольным углом пикирования/кабрирования на высоте Н над поверхностью земли, которая считается плоской. Если объект движется по криволинейной траектории, то осуществляется ее кусочно-линейная аппроксимация. ВКО перемещается в пространстве со скоростью V, являющейся модулем вектора скорости V.

В упомянутых радиолокаторах применяют цифровые антенные решетки или антенные решетки с цифровой обработкой сигналов и, используя на их раскрывах весовые функции Хэмминга, формируют в пространстве моноимпульсные группы лучей с общим фазовым центром. Выбирают специальные углы смещения β_см и ε_см максимумов ДН в МГЛ от РСН и направляют их с четвертого выхода УУ 11 на второй управляющий вход 2у ДОУ 16, обеспечивая линейность пеленгационных характеристик радиолокаторов в рабочих зонах Δβ_ПХ по азимуту и Δε_ПХ по углу места, перекрывающих всю ширину МГЛ. На этот же вход 2у направляют отсчеты ВФ и коэффициенты разложения функции, описывающей ПХ.

По командам с пятого выхода УУ 11, поступающим на вход СХ 9, с его первого выхода поступают на второй вход ПРД 5 синхроимпульсы, которые подаются также со второго выхода СХ 9 на третий управляющий вход 3у БУМПД 15, с третьего выхода СХ 9 на второй вход БОИД 17 и с четвертого выхода СХ 9 на второй вход ППУОД 19.

ПРД 5 генерирует зондирующие импульсы, которые подаются через БДМ 6 на входы 1_вх…Ω_вх БППМ 7, где эти импульсы усиливаются в канальных усилителях мощности и, после прохождения через канальные циркуляторы, с входов-выходов 1_вв…Ω_вв поступают в АР 8, антенные элементы которой излучают зондирующие импульсы в заданную область пространства.

Отраженные от лоцируемых ВКО сигналы принимают антенными элементами АР 8 и направляют в БППМ 7, каждый модуль которого содержит циркулятор, малошумящий усилитель (МШУ) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Со входа модуля сигнал через циркулятор поступает в канальный МШУ и далее преобразуется на промежуточную частоту, а затем подвергается аналого-цифровому преобразованию. С выходов 1_вых…Ω_вых БППМ 7 отсчеты смеси эхо-сигналов и шумов подаются на сигнальные входы 1_вх…Ω_вх БУМПД 15, где формируется соответствующий поток данных. Он с выхода БУМПД 15 направляется на сигнальный вход ДОУ 16, где осуществляется его весовая обработка путем умножения на отсчеты функции W(x, у) Хэмминга.

Отсчеты ВФ Хэмминга извлекаются из устройства УЗОВФ 12 по команде, поступающей с одиннадцатого выхода УУ 11, и подаются со второго выхода УЗОВФ 12 на двенадцатый вход УУ 11. На первый вход ВПХ 13 с первого выхода УЗОВФ 12 подаются отсчеты ВФ, а на второй вход - ИД с тринадцатого выхода УУ 11. Значения ПХ направляются с выхода ВПХ 13 на вход ВУСКР 14, где вычисляются углы смещения максимумов ДН в МГЛ от РСН, которые вместе с коэффициентами разложения функции, описывающей ПХ, подаются на четырнадцатый вход УУ 11.

В ДОУ 16 формируется моноимпульсная группа лучей с общим фазовым центром, состоящая из двух пар лучей, смещенных от РСН на углы

по азимуту и по углу места, обеспечивая в моноимпульсной РЛС линейные ПХ с размером Δβ_ПХ по азимуту и Δε_ПХ по углу места, соответственно.

При поступлении с первого выхода ДОУ 16 на первый вход БОИД 17 суммарного сигнала определяют, с учетом поступающего на второй вход синхроимпульсов с третьего выхода СХ 9, время запаздывания эхо-сигналов и дальности до лоцируемых объектов, после чего направляют эти данные с выхода БОИД 17 на шестой вход УУ 11.

Обзор пространства осуществляют за счет сканирования МГЛ, для чего разбивают заданную область обзора пространства на (I+1)×(K+1) участков с размером каждого Δβ_ПХвдоль азимутального и Δε_ПХ вдоль угломестного направлений. Затем последовательно устанавливая РСН моноимпульсной группы лучей в центры участков

где

- номера участков разбиения по азимуту и углу места соответственно, осуществляют дискретный обзор упомянутой области обзора. В течение интервала наблюдения Δt на каждом участке разбиения производят обнаружение всей совокупности лоцируемых объектов.

Со второго выхода ДОУ 16 значения углов отклонения от РСН подаются на вход БИУР 18, где вычисляются значения приращений азимутов и углов места, которые с выхода БИУР 18 поступают на седьмой вход УУ 11.

Измеряют с привязкой к системе единого времени с использованием данных БФМЕВ21 и запоминают для каждого из обнаруженных объектов значения отсчетов наклонных дальностей и угловых координат, вычисляемых относительно равносигнальных направлений путем решения соответствующих линейных уравнений с использованием коэффициентов линейных частей разложений пеленгационных характеристик в ряды Маклорена как функций углов β_см и ε_см.

При поступлении из УИ 20 сигналов в БАО 22 осуществляют их анализ и выбирают из совокупности

объектов наиболее динамичные для определения их параметров движения и траекторий. Используют в данный момент времени в активном режиме лишь один из РЛ, при этом два других работают на прием, образуя с активным РЛ бистатические пары с базами d. Результаты анализа подают в УИ 20 и используют в БВКН 23 для расчета оценочных значений прямоугольных координат ВКО относительно точки стояния активного РЛ по измеренным значениям их сферических координат.

Пересчитывают в БВКН 23 эти значения координат объектов к точке местонахождения центрального пункта управления и рассчитывают оценочные значения угловых координат целей относительно точек стояния радиолокаторов, работающих в пассивном режиме. Результаты направляют в УИ 20.

С использованием БВД 24 транслируют полученные значения угловых координат на пассивные радиолокаторы и наводят их антенные системы на объекты. Принимают отраженные от объектов сигналы и транслируют их на центральный пункт управления, где, для обеспечения необходимой разрешающей способности системы по угловым координатам, определяют суммарно-дальномерным методом наклонные дальности

относительно точек стояния радиолокаторов.

Так же с использованием БВТПУК 25 рассчитывают уточненные прямоугольные координаты

объекта в точке траектории по формулам

а затем вычисляют уточненные прямоугольные координаты всех L объектов, запоминают их значения, повторяют расчеты прямоугольных координат точек

для моментов времени где и также запоминают их значения.

Далее в БС 26 используют уточненные значения координат для селекции отдельных объектов из состава групп, а в БВТСК 27 вычисляют точные значения сферических координат объектов, в том числе, объектов из состава групп, относительно точки нахождения ЦПУ.

С использованием БВСКУ 28 определяют приращения

причем рассматривают пространственные перемещения объектов как их движение по вспомогательным наклонным плоскостям образованным векторами наклонных дальностей и отрезками траекторий объектов, рассчитывают величины углов между векторами наклонных дальностей, являющиеся аналогами угловых координат объектов, равные длинам гипотенуз сферических прямоугольных треугольников с катетами и соответствующие угловым размерам проекций на небесную сферу путей объектов, пройденных за интервалы времени как

и определяют расстояния, пройденные объектами за интервал времени

как

а модули скорости движения объектов как

В БВСКУ 28 также вычисляют значения пространственных курсовых углов лоцируемых объектов

и значения углов пикирования (кабрирования) объектов

В БВТ 29, периодически повторяя операции по обзору заданного сектора пространства, измерению первичных параметров (дальностей, угловых координат) и расчету параметров движения, строят криволинейные траектории движения лоцируемых объектов, аппроксимированные векторными отрезками

В БВПК 30 используют расчетные значения пространственных курсовых углов и скоростей движения объектов для определения высокоточных значений упрежденных на время

координат объектов.

Выходным устройством РЛС является ППУОД 1 19₁, служащее для использования через УИ 20 полученных значений и обмена данными с вышестоящей системой.

Предложенный способ на основе измерения наклонных дальностей R₁, R₂, R₃ со среднеквадратическими отклонениями (СКО) σ_R обеспечивает:

- высокоточное определение прямоугольных координат х_к, у_к, z_k ВКО в соответствии с формулами (1-3), СКО которых определяются соотношениями

где

- расчет сферических координат объектов относительно начала координат в соответствии с формулами (4-6), СКО которых определяются выражениями

где

где

- определение длины S_k путей, пройденных ВКО за время Т_обз, в соответствии с формулой (8), СКО которых определяется выражением

где

- расчет значений модулей векторов скорости ВКО в соответствии с формулой (9), СКО которых определяются выражением

- определение значений пространственных курсовых углов γ_k объектов в соответствии с формулой (10), СКО которых равно

где

В частном случае, когда R₁=R₂=R₃=100 км, ε=45 град, σ_R=3 м, i=4, V_R=200 м/c, Т_обз=10 сек, длина пройденного ВКО пути будет S_k=2×10³ м; σ_xk=σ_yk=σ_zk=σ_R0k=16,9 м;σ_Sk=12 м; σ_Vk=1,7 м/с; σ_γk=0,12 град.

При этом относительные величины СКО наклонных дальностей, модулей векторов скорости и пространственных курсовых углов составят:

Для комплексной оценки качества предложенного способа определим величину среднеквадратической погрешности местоопределения ВКО.

СКО пространственного местоопределения объекта при независимости результатов первичных измерений, как показано в [7 - Бакулев П.А. Радиолокационные системы. М: Радиотехника. 2007. 376 с.], равна

где ϕ₁ - угол между третьей поверхностью положения и линией положения на плоскости;

- СКО местоположения объекта на плоскости;

ϕ - угол пересечения линий положения (для дальномерного способа - окружностей) на плоскости;

K_ЛП1,2 - коэффициенты погрешности определения линий положения (для дальномерного способа K_ЛП=1);

- погрешности измерения дальностей.

Для предложенного латерационного способа имеем

а

где

R₀,β₀,ε₀ - сферические координаты ВКО с началом координат в точке 0.

В случае, когда i=4, σ_R=3 м, R₀=10⁵ м, β₀=30° и ϕ₁=30°, СКО определения пространственного местоположения объекта дальномерным способом равна 68 м.

Для защиты системы, реализующей предложенный способ, от шумовых помех входящие в ее состав радиолокаторы могут работать как одиночные угломерно-дальномерные станции, образовывать бистатические пары или работать как двухпозиционные пассивные угломерные станции.

При этом СКО определения пространственных положений объектов равны [7]:

- для угломерно-дальномерного режима работы радиолокаторов системы

где σ_УК - погрешность измерения угловых координат;

- для угломерного режима работы

В этих режимах работы СКО определения пространственных положений объектов существенно возрастают, измерения становятся неравноточными, а величины ошибок при k=4, σ_УК=0,1 град, R₀=10⁵ м, β₀=ε₀=30° равны соответственно 250 м и 2270 м.

В прототипе для обеспечения надежной работы группировки разнотипных станций осуществляется статистическая обработка данных, полученных от неравноточных измерителей первичных параметров, функционирующих в различных режимах: дальномерном, угломерно-дальномерном, угломерно-доплеровском и угломерном. В этом случае наиболее вероятными значениями измеряемых параметров являются их средневзвешенные значения;

W_i отдельных значений которых обратно пропорциональны квадратам соответствующих СКО. Дисперсия средневзвешенного значения определяется [8 - Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М., 1974. 832 с] по формуле:

Так, при использовании в составе системы трех станций (дальномерной, угломерно-дальномерной и угломерной), у которых σ_ПМО равны 68, 250 и 2270 м с весами измерений 9,99, 0,98 и 0,9, среднеквадратическая ошибка пространственного местоположения составит 790 м, что в 11,6 раза больше, чем СКО предложенной латерационной системы.

Реализация заявляемого способа не встречает затруднений при современном уровне развития радиотехники и устройств цифровой обработки сигналов. Возможность реализации предложенного способа обеспечивает ему критерий «промышленная применимость».

По сравнению с прототипом, использование операций предложенного способа обеспечивает:

- возможность высокоточного измерения прямоугольных координат ВКО и их наклонных дальностей относительно начала координат с относительными среднеквадратическими отклонениями

- определение модулей векторов скоростей объектов с относительными СКО

- возможность измерения пространственных курсовых углов ВКО с относительными среднеквадратическими отклонениями

- определение местоположения объектов с СКО, меньшей в 11,6 раз.

Все это дает возможность селекции отдельных элементов перемещающихся в пространстве групповых объектов и раздельного построения траекторий их движения.

Реферат

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в наземных системах обзорной радиолокации. Достигаемый технический результат – высокоточное определение координат и траекторий перемещающихся в пространстве воздушно-космических объектов (ВКО) в расширенной рабочей зоне. Технический результат достигается за счет разработки операций способа многопозиционной активно-пассивной радиолокации и вывода математических соотношений, позволяющих определить значения модулей скорости движения объектов, их пространственных курсовых углов и углов пикирования (кабрирования), а также за счет определения структуры и порядка функционирования РЛС, реализующей способ обзорной активно-пассивной латерационной радиолокации ВКО. 2 ил.

Формула