устройство для определения параметров движения цели

Формула изобретения

Устройство для определения параметров движения цели, содержащее передающую позицию и находящуюся в удаленной от нее точке приемную позицию, состоящую из антенны, соединенной с приемным устройством, выход которого соединен с входами блока измерения направления прихода интерференционного сигнала и входами блока измерения допплеровской частоты, блока определения поверхности положения, выход которого соединен с одним из входов блока вычисления траекторных параметров, другой вход которого соединен с выходами блока измерения направления прихода интерференционного сигнала, а выход является выходом всего устройства, отличающееся тем, что в него введены блок экстраполяции измеряемых параметров и блок вычисления момента времени пересечения целью линии базы, причем один из входов блока экстраполяции измеряемых параметров соединен с выходом блока измерения направления прихода интерференционного сигнала, а другой вход - с выходом блока измерения допплеровской частоты, выход блока экстраполяции измеряемых параметров соединен со входом блока вычисления момента времени пересечения целью линии базы и одним из входов блока определения поверхности положения, другой вход которого соединен с выходом блока вычисления момента времени пересечения целью линии базы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области радиолокации и, в частности, к методам восстановления траектории цели в разнесенной радиолокации.

Известны различные устройства для определения параметров движения объекта в разнесенной радиолокации. Одно из них может быть реализовано по способу, описанному в [1, с. 321]. Оно состоит из передатчика импульсного сигнала и в удаленной от него точке на расстоянии, равном длине линии базы (линии соединяющей фазовые центры передающей и приемной антенн), приемной позиции. Приемная позиция состоит из антенны, соединенный с приемным устройством, выход которого соединен со входами двух блоков: блока определения поверхности положения (поверхности равных фаз или суммарных дальностей, определяемых суммой дальностей от передатчика до цели и от цели до приемника) и блока определения угловых координат цели. Выходы блоков определения поверхности положения и определения угловых координат цели соединены с конечным блоком устройства - блоком определения траектории цели. Определение координат цели в данном устройстве производятся в конечном блоке устройства.

Координаты цели в данном устройстве находятся как точка пересечения линии, проведенной из приемной позиции под углами, измеряемыми в блоке определения угловых координат цели, с поверхностью положения цели. Поверхность положения цели определяется в блоке определения поверхности положения по измеряемой в нем разности времени запаздывания импульсного отраженного от цели и импульсного зондирующего сигналов.

Однако в зоне наличия просветного эффекта, то есть вблизи линии базы, эта разность мала и для ее определения требуется зондирование очень короткими импульсами. Это сильно усложняет генерацию, последующую обработку эхосигнала и защиту от пассивных помех. Кроме того, возникает проблема синхронизации приемной и передающей позиций, решение которой при значительном разнесении передающей и приемной позиций требует усложнения аппаратуры и увеличения ее стоимости.

Другое устройство может быть реализовано по способу, описанному в [2, с. 29-30] . Оно состоит из передатчика монохроматического сигнала и в удаленной от него точке на расстоянии, равном длине линии базы приемной позиции. Приемная позиция состоит из последовательно соединенных антенны, приемного устройства, детектора осуществляющего детектирование интерференционного сигнала биений, фильтра нижней частоты, блока определения моментов времени переходов напряжения через нуль и блока вычисления траекторных параметров.

Определение траекторных параметров цели в данном устройстве производится путем выделения детектированием из суммарного сигнала (суммируются прямой сигнал передатчика и сигнала вторичного излучения объекта) интерференционного сигнала биений, измерения моментов времени переходов его напряжения через нуль с последующим вычислением на основании сделанных измерений параметров траектории. В этом устройстве параметры траектории объекта - скорость его движения, курс, координата точки пересечения проекции его траектории с базовой линией - определяются по результатам измерений длительностей нескольких последовательных периодов интерференционного сигнала биений.

Недостатком устройств, реализованных по этому способу, является невысокая точность получаемых оценок и наличие неоднозначности определения этих параметров. Первое объясняется тем, что вблизи линии базы, где производятся измерения, поверхности положения (поверхности равных фаз или равных суммарных дальностей) представляют собой эллипсоиды, сильно вытянутые вдоль оси координат, параллельной линии базы. Наличие неоднозначности связано с симметрией эллипсоидов положения относительно перпендикулярной к линии базы плоскости, проведенной через ее середину. В связи с этим две различные траектории, симметричные относительно упомянутой плоскости, порождают одинаковые и неразличимые интерференционные сигналы биений.

Указанного недостатка лишены устройства, реализующие способ [3]. Устройство, реализующее этот способ, содержит передающую позицию, излучающую монохроматический сигнал, и в удаленной от нее точке приемную позицию, осуществляющую прием зондирующего сигнала и сигнала вторичного излучения объекта, выделение из них путем детектирования интерференционного сигнала биений (сигнала низкой частоты), измерение частоты этого сигнала, например, путем измерения моментов времени переходов его напряжения через нуль, одновременно осуществляющую измерение направления прихода интерференционного сигнала, например, моноимпульсным методом по соотношению амплитуд интерференционного сигнала в парциальных каналах, фазовым способом или сканированием луча антенны по максимуму значений огибающей сигнала на выходе фильтра низкой частоты [1, с. 274-310, 4 с. 388-406] и определение момента времени, когда частота этого сигнала равна нулю. По измеренным величинам параметры траектории определяют как координаты точки пересечения поверхности положения, определяемой по значениям частоты интерференционного сигнала и момента времени, когда частота этого сигнала равна нулю, и линии направления прихода интерференционного сигнала. Данное устройство взято в качестве прототипа.

Основным недостатком данного устройства является невозможность определения местоположения цели до пересечения ею линии базы. Это обусловлено невозможностью измерения момента времени, когда частота интерференционного сигнала биений равна нулю до пересечения целью линии базы, поскольку этот момент времени соответствует непосредственному нахождению цели на линии базы - частота интерференционного сигнала биений при нахождении цели на этой линии равна нулю [5, с. 200].

Предлагаемое устройство позволяет устранить этот недостаток. Это достигается тем, что в устройство, взятое в качестве прототипа, и содержащее передающую позицию и в удаленной от нее точке приемную позицию, состоящую из антенны, соединенной с приемным устройством (включающим в себя хотя бы один канал, состоящий из последовательного соединения приемника, детектора и фильтра низкой частоты), выход которого соединен со входами блока измерения доплеровской частоты и блока измерения направления прихода интерференционного сигнала; блока определения поверхности положения, выход которого соединен с конечным блоком устройства - блоком вычисления траекторных параметров, второй вход которого соединен с выходом блока измерения направления прихода интерференционного сигнала, введены два блока: блок экстраполяции измеряемых параметров и блок вычисления момента времени пересечения целью линии базы, при этом один из входов блока экстраполяции измеряемых параметров соединен с выходом блока измерения направления прихода интерференционного сигнала, второй вход блока экстраполяции измеряемых параметров - с выходом блока измерения допплеровской частоты, выход блока экстраполяции измеряемых параметров соединен со входом блока вычисления момента времени пересечения целью линии базы, один из входов блока определения поверхности положения соединен с выходом блока экстраполяции измеряемых параметров, второй вход блока определения поверхности положения - с выходом блока вычисления момента времени пересечения целью линии базы, и конечный блок вычисления траекторных параметров одним своим входом соединен с выходом блока определения поверхности положения, другим входом - с выходом блока измерения направления прихода интерференционного сигнала, при этом выходом всего устройства является выход блока вычисления траекторных параметров.

Применение новых блоков и связей позволило определять местоположение цели до пересечения ею линии базы. Это достигается за счет экстраполяции измеряемых функциональных зависимостей f_д(t) - частоты Допплера от времени и (t) - углового направления на цель от времени, и, тем самым, определения экстраполированного момента времени пересечения целью линии базы из условия равенства нулю экстраполированных функциональных зависимостей. Таким образом, используя несколько измеряемых значений f_д и , в отличие от устройства, принятого за прототип, в предлагаемом устройстве производится экстраполяция зависимостей f_д(t) и (t) по которым определяется момент времени пересечения целью линии базы до прихода к ней цели и во время нахождения ее в зоне режекции допплеровских фильтров. Пространственные координаты цели однозначно находятся как координаты точки пересечения поверхности положения и линии направления на цель из приемной позиции (линии пеленга).

Сравнение предложенного технического решения с другими известными из источников патентной и научно-технической документации показывает, что в них отсутствуют технические решения, позволяющие достигнуть поставленные в изобретении цели. Это дает основание сделать вывод о том, что предложенное техническое решение соответствует критерию изобретения "изобретательский уровень".

Изложенная сущность будет понятна из нижеприведенных графических материалов.

На фиг. 1 представлена функциональная схема заявляемого устройства, когда определение направления прихода интерференционного сигнала осуществляется моноимпульсным методом с двумя пространственными каналами. На рисунке введены обозначения:

1 - передающая позиция;

2 - антенна приемной позиции (в данном случае формирует два луча 2.1 и 2.2);

3 - приемник;

4 - детектор;

5 - ФНЧ;

6 - блок измерения направления прихода интерференционного сигнала ( );

7 - блок измерения допплеровской частоты (f_д);

8 - блок экстраполяции измеряемых параметров (зависимостей частоты Допплера и углового направления на цель от времени);

9 - блок вычисления момента времени пересечения целью линии базы;

10 - блок определения поверхности положения;

11 - блок вычисления траекторных параметров.

На фиг. 2 представлена функциональная схема устройства-прототипа с определением направления прихода интерференционного сигнала моноимпульсным методом с двумя пространственными каналами.

На фиг. 3 представлены основные геометрические соотношения для предлагаемого устройства, где обозначено:

1 - передающая позиция;

12 - приемная позиция;

r - расстояние от цели до антенны приемной позиции;

r₁ - расстояние от цели до антенны передающей позиции;

L - расстояние от передающей позиции 1 до приемной позиции 12.

На фиг. 4 приведены графики, иллюстрирующие результаты моделирования для квадратичной экстраполяции. По горизонтальной оси отложена координата "X" движения цели в относительных единицах к величине линии базы системы - расстоянию между передающей и приемной позиций. По вертикальной оси отложена координата "Y" движения цели, также в относительных единицах к величине базового расстояния системы. При этом считается, что передающая позиция расположена в точке с координатами (1.0;0.00), а приемная - в точке (0.0; 0.00). На фиг. 4а показана отдельная реализация траектории, построенная по измеренным значениям , f_д и вычисленным в устройстве расстоянии r (позиция 2). Позиция 1 - на фиг. 4а и фиг. 4б - истинная траектория движения цели в плоскости XOY. На фиг. 4б показаны границы областей среднеквадратических ошибок _г, рассчитанные по 50-ти независимым реализациям (позиция 2 на фиг. 4а входных данных.

Предлагаемое устройство с определением направления прихода интерференционного сигнала моноимпульсным методом с двумя пространственными каналами (см. фиг. 1) состоит из передающей позиции 1, и, в удаленной от источника излучения точке, приемной позиции. Приемная позиция, в свою очередь, состоит из антенны 2 приемной позиции, имеющей два выхода, каждый из которых соединен со входом последовательного соединения приемника 3, детектора 4 и ФНЧ 5. Выходы блоков ФНЧ 5 раздельно соединены с соответствующими входами блока 6 измерения направления прихода интерференционного сигнала и блока 7 измерения допплеровской частоты. Выход блока 7 измерения допплеровской частоты f_д соединен последовательно с блоками: блоком 8 экстраполяции измеряемых параметров, блоком 9 вычисления момента времени пересечения целью линии базы, блоком 10 определения поверхности положения и блоком 11 вычисления траекторных параметров. При этом выход блока 6 измерения направления прихода интерференционного сигнала соединен со вторым входом блока 8 экстраполяции измеряемых параметров и вторым входом блока 11 вычисления траекторных параметров, а выход блока 8 экстраполяции измеряемых параметров со вторым входом блока 10 определения поверхности положения. Выход блока 11 вычисления траекторных параметров является выходом всего устройства.

Блок 6 измерения направления прихода интерференционного сигнала - может быть выполнен в виде устройства, реализующего амплитудный моноимпульсный способ, кроме которого возможно использование других способов, например, фазового или сканирование лучом антенны [1, с. 274-310, 4, с. 388-406]. Блок 8 экстраполяции измеряемых параметров и блок 9 вычисления момента времени пересечения целью линии базы могут быть выполнены, например, аналогично блокам счетно-решающего устройства [1, с. 297-300] или спецвычислителя [5, с. 241].

Данный вариант устройства работает следующим образом. Допустим, что зондирующий сигнал непрерывный (немодулированный), а приемная антенна 2 имеет парциальные каналы в азимутальной плоскости 2.1 и 2.2 (фиг. 1). При этих условиях в устройстве обеспечивается возможность измерения двух параметров сигнала, отраженного от цели: допплеровской частоты - по частоте биений, образуемых при сложении отраженного сигнала от цели и прямого сигнала передатчика (эта операция осуществляется в блоке 7 измерения допплеровской частоты) и угловой координаты цели путем сравнения амплитуд биений с одинаковой частотой Допплера в парциальных каналах (блок 6 измерения направления прихода интерференционного сигнала).

Рассмотрим возможность определения по измеренным значениям частоты Допплера f_д(t) и угловой координаты цели (t) местоположения цели.

Известно [2, с. 30, 5, с. 199], что допплеровский сдвиг частоты (то есть частота интерференционного сигнала биений) эхосигнала на трассе передающая позиция- цель- приемная позиция описывается уравнением:

(1)

где

R(t) - суммарное расстояние передатчик- цель- приемник. Величина R определяет поверхность положения в пространстве [5, с. 199-200], которая представляет собой эллипсоид вращения с фокусами, расположенными в точках местоположения приемной и передающей антенн. В (1) - длина волны излучения, f_д(t) - допплеровский сдвиг частоты.

Интегрируя (1) на интервале (t₀, t), получим:

(2)

где

R₀ - начальное (в момент времени t₀ начальных траекторных измерений) значение R(t₀).

Если учесть, что в момент времени пересечения целью линии базы (t_п) значение R (t) известно точно и равно длине линии базы L, то для R₀ из (2) получим следующее значение:

(3)

Подставив (3) в (2), получим:

(4), (5)

Согласно выражениям (4), (5) при t t_п (после пересечения целью линии базы) оценку R(t) суммарной дальности можно найти интегрируя на интервале (t_п, t) оценку допплеровской частоты принимаемого сигнала. При t < t_п оценка на интервале (t, t_п) неизвестна.

Помимо этого при определении оценки с использованием выражений (4), (5) момент t_п пересечения целью линии базы точно неизвестен так как при = 0 допплеровский сдвиг частоты f_д=0 (это непосредственно следует из (1)) и сигналы целей не наблюдаются в некоторой области малых значений f_д (зоны режекции), в которой значения допплеровской частоты не превосходят ширины зоны режекции допплеровских частот приемного устройства. Зона режекции необходима для устранения отраженного сигнала от подстилающей поверхности и прямого сигнала передатчика.

Поэтому вместо t_п в выражениях (4), (5) необходимо использовать оценку момента пересечения целью линии базы, которую можно найти как решение одного из уравнений или где и экстраполированные на зону режекции оценки измеряемых координат.

Подстановка в уравнение:

(6)

оценки суммарной дальности из (4), (5), вычисленных с помощью экстраполированных оценок и оценки угловой координаты дает искомую оценку дальности до цели из приемной позиции

Рассмотрим кратко возможные алгоритмы экстраполяции, которые лежат в основе одного из вновь вводимых блоков - блока экстраполяции измеряемых параметров, осуществляющего экстраполяцию функциональных зависимостей частоты Допплера f_д и направления прихода интерференционного сигнала от времени.

Будем полагать, что данные измерений f_д и поступают с выходов блока 7 измерения допплеровской частоты и блока 6 измерения направления прихода интерференционного сигнала дискретно. Ошибки измерений будем считать независимыми. При полиномиальной модели измерения описываемых параметров экстраполированные зависимости будут представляться в виде:

a_kt^k + a_k-1t^k-1 + ... + a₀ (7)

c_kt^k + c_k-1t^k-1 + ... + c₀. (8)

Из уравнений (7) и (8) видно, что для получения функциональных зависимостей частоты Допплера и направления прихода интерференционного сигнала от времени необходимо вычислить по нескольким измерениям и f_д коэффициенты a_k и c_k.

В матричном виде, например уравнение (7) для нескольких измеренных значений , можно записать в виде:

(9)



где

k - порядок полиномиальной модели;

₀(t₀),₁(t₁), ... , _k(t_k) - величины измеряемых угловых координат в моменты времени t₀, t₁, ..., t_k.

Вычисление оптимальных коэффициентов в этой модели по критерию наименьших квадратов сводится к решению матричного уравнения:

(10)

Подробное вычисление оптимальных по критерию наименьших квадратов оценок коэффициентов полиномиальной модели подробно описано в [6, с. 238-251] для любого порядка k. Подставляя полученные значения коэффициентов в уравнения (7) и (8), получим функциональные зависимости на интервал времени, следующий за моментом времени последнего измерения входных данных.

Таким образом, в каждом из двух парциальных каналов, состоящих из последовательного соединения приемника 3, детектора 4, ФНЧ 5 происходит детектирование и выделение низкочастотного колебания из суммарного сигнала, образуемого за счет интерференции прямого сигнала передатчика 1 и сигнала, отраженного от цели. Далее с выхода параллельных каналов низкочастотное колебание поступает в блок 7 измерения допплеровской частоты и блок 6 измерения направления прихода интерференционного сигнала, в котором при рассматриваемом варианте реализации устройства угловая координата определяется путем сравнения амплитуд низкочастотного сигнала в каждом из парциальных каналов. На основе данных, получаемых из блока 6. измерения направления прихода интерференционного сигнала и блока 7 измерения допплеровской частоты, в блоке 8 экстраполяции измеряемых параметров происходит вычисление значений a_k, c_k по формулам из уравнений (7) и (8) и, таким образом, определение функциональных зависимостей . Полученная информация поступает в блок 9 вычисления момента времени пересечения целью линии базы (фиг. 1), где на основе зависимостей приближенно определяется экстраполированный момент времени пересечения целью линии базы до пролета целью этой линии. Полученные напряжения из блока 8 экстраполяции измеряемых параметров и блока 9 вычисления момента времени пересечения целью линии базы поступают на входы блока 10 определения поверхности положения, где по формулам (4) и (5) происходит определение поверхности положения. Далее на основе получаемых напряжений из блока 10 определения поверхности положения и блока 6 измерения направления прихода интерференционного сигнала в блоке 11 вычисления траекторных параметров происходит определение траекторных параметров цели.

Сущность изобретения останется неизменной при любой реализации блока измерения направления прихода интерференционного сигнала. Например, для расширения зоны пеленгации и увеличения точности измерения направления прихода интерференционного сигнала амплитудным моноимпульсным методом, рассмотренным ранее, возможно формирование более чем двух (см. фиг. 1, 2) пространственных каналов, каждый из которых состоит из последовательного соединения приемника 3, детектора 4, ФНЧ 5. При этом под выходом антенны следует понимать несколько выходов, каждый из которых соединен с последовательным соединением приемника 3, детектора 4, ФНЧ 5 (фиг. 1, 2). Каждый из выходов блоков ФНЧ соединен со входами блока измерения направления прихода интерференционного сигнала. Помимо этого измерение направления прихода интерференционного сигнала может производиться, например, фазовым способом или сканированием луча антенны по максимуму значений огибающей сигнала на выходе фильтра низкой частоты. Эти возможные варианты устройства на фигурах не показаны.

Эффективность предлагаемого устройства оценивалась путем математического моделирования.

При моделировании предлагалось, что параметры траектории вычислялись через 0.2 секунды по результатам усреднения четырех первичных параметров и f_д. .

Графики, иллюстрирующие результаты моделирования, показаны на фиг. 4. Сверху представлены отдельная реализация траектории по измеренным значениям и f_д и вычисленным в устройстве расстоянии r (позиция 2). Позиция 1 - на фиг. 4а и фиг. 4б - истинная траектория движения цели в плоскости XOY. На фиг. 4б показана граница области среднеквадратических ошибок координат _г, рассчитанные по 50-ти независимым реализациям (позиция 2 на фиг. 4а) входных данных. Пример, показанный на фиг. 4, соответствует условиям: длина волны излучения = 0.8 м, длина линии базы L=40 км, скорость цели V = 0.2 км/сек, среднеквадратическое отклонение измерения частоты _f= 2 Гц, среднеквадратическое отклонение измерения угла = 0.5^o. При построении траектории до пересечения линии базы была использована квадратичная экстраполяция измеряемых параметров.

Значения среднеквадратического отклонения измерения дальности составляет (в процентах к величине длины линии базы L) к моменту времени пересечения целью линии базы 5-10%, к моменту выхода цели из зоны видимости РЛС (зоны наличия просветного эффекта) 2-3%.

Результаты моделирования, выполненного при других условиях, показали, что при уменьшении дисперсий ошибок первичных измерений точности экстраполяции быстро возрастает, а среднеквадратических ошибок определения дальности уменьшается. При < 0,1 и ₁< 1Гц среднеквадратическая ошибка измерения дальности не превосходит 2-3% от длины линии базы до момента пересечения целью линии базы.

Моделирование показано, что предлагаемое устройство обладает возможностью определения местоположения цели как после так и до линии базы, и подтвердило эффективность работы предложенного устройства.

Работоспособность устройства обеспечивается за счет применения в нем известных и новых блоков, реализация которых не требует дополнительного изобретательского творчества.

Источники информации

1. Ширман Я.Д., Голиков В.Н., Бусыгин И.Н. и др. Под ред. Я.Д.Ширмана. Теоретические основы радиолокации. -М.: Сов. Радио, 1970.

2. Черняк В.С., Заславский Л.П., Осипов Л.В., Зарубежная радиоэлектроника. 1987, N 1, с. 29-30.

3. Бляхман А. Б., Самарин А.В. Радиолокационный способ определения параметров движения объекта. Заявка N 4541563, решение о выдаче А.С от 27.07.92.

4. Филькенштейн М.И. Основы радиолокации. -М.: Сов. Радио, 1973.

5. Справочник по радиолокации, т. 4. / Под ред. М.Сколника, -М.: Сов. Радио, 1978.

6. Сэйдж Э. , Мелс Дж. Теория оценивания и ее применение в связи и управления. - Связь, 1976.