способ определения параметров движения объекта локации

Формула изобретения

1. Способ определения параметров движения объекта локации, включающий одновременное излучение, с заданным периодом, активным контрольным пунктом пачки импульсных сигналов с различной скоростью распространения, прием отраженных от объекта локации импульсов пачки, определение расстояния до объекта локации по измеренному времени запаздывания эхо-сигнала при его приеме относительно момента излучения пачки и определение радиальной скорости объекта, отличающийся тем, что при приеме отраженных от объекта локации импульсов пачки дополнительно измеряют величину разности времен запаздывания более быстрого, первого, и следующего за ним менее быстрого, второго, эхо-сигналов пачки и рассчитывают изменение расстояния до объекта между моментами контактов более быстрого, первого, и следующего за ним менее быстрого, второго, излученных импульсов пачки с объектом локации, по этим величинам определяют его радиальную скорость на данном участке движения, затем таким же способом определяют радиальную скорость движения объекта локации между моментами его контакта с вышеназванным вторым и следующим за ним третьим излученными импульсами пачки, по разности измеренных радиальных скоростей определяют радиальное ускорение движения объекта, после этого проводят оценку допустимых параметров относительного движения активного контрольного пункта и объекта локации и формируют командные сигналы на изменение числа импульсов в излучаемой пачке.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при оценке определенных величин расстояния, скорости и ускорения как нежелательных параметров относительного движения активного контрольного пункта и объекта локации, дополнительно формируют командные сигналы для управления движением объекта локации или активного контрольного пункта.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области локации и навигации, а именно к импульсным методам определения координат и параметров движения объекта локации, и может быть использовано в локационных системах для определения радиальной скорости и ускорения относительного движения объекта, например, с целью предупреждения столкновений объекта локации и активного контрольного пункта.

Известен [1, стр. 10] импульсный способ определения удаленности морских судов от радиоакустического маяка, который одновременно излучает 2 импульсных сигнала с разными скоростями распространения: звуковой сигнал (в воде) и радиосигнал или звуковой сигнал (в воздухе, над поверхностью воды). Скорости распространения звукового сигнала в воде (около 1,5 км/с) в 5 раз выше, чем в воздухе, над поверхностью воды. Скорость распространения радиосигнала намного выше как в воздухе (около 300 тыс. км/с), так и в воде (около 225 тыс. км/с). По разности между временем прихода излученных сигналов к точке приема (морскому судну) и по разности известных скоростей распространения сигналов для двух сред (вода, воздух) определяют расстояние между радиоакустическим маяком и судном, а точнее между точками излучения и приема.

Известен [1, стр. 16] импульсный способ определения дальности до объекта локации, основанный на измерении времени запаздывания эхо-сигнала относительно момента излучения зондирующего импульса активным контрольным пунктом и определении величины расстояния до объекта (дистанции до цели) по формуле

r = 0,5ct_з,

где r - дальность до объекта локации;

c - скорость распространения импульса в среде;

t_з - время запаздывания эхо-сигнала относительно момента излучения зондирующего импульса.

Однако названные способы обеспечивают определение только дальности до объекта локации и не дают возможности определить другие параметры движения объекта, а именно: радиальную скорость объекта и его ускорение, что существенно сужает функциональные возможности способа.

Известен также импульсный способ измерения радиальной скорости объекта локации в системах со сверхсканированием, включающий излучение пачки импульсов с заданным периодом, прием отраженных импульсов, измерение промежутков времени между началом сканирования луча антенны на прием и окончанием действия i-го принятого отраженного импульса пачки и формирование сигнала, пропорционального величине радиальной скорости объекта в соответствии с заданным выражением [2].

Данный импульсный способ обеспечивает определение радиальной скорости движения объекта при сверхбыстром сканировании с учетом ее тангенциальной составляющей.

Однако, вследствие зависимости интенсивности регистрируемых отраженных сигналов от угла поворота антенны данный способ обусловливает усложненный алгоритм вычисления радиальной скорости, а при движении объекта по одной прямой с измерителем такой способ требует формирования другого пропорционального радиальной скорости сигнала и другого алгоритма ее определения, что приводит к усложнению определения последней и сужению функциональных возможностей способа.

Известен [3] выбранный в качестве прототипа заявляемого способа определения параметров движения объекта локации способ измерения радиальной скорости объекта, включающий излучение активным контрольным пунктом пачки импульсов с заданным периодом T₀, прием отраженных от объекта импульсов пачки с периодом T_v, определение расстояния до объекта локации по времени запаздывания эхо-сигнала относительно момента начала излучения пачки импульсов и определение радиальной скорости путем формирования сигнала, пропорционального величине радиальной скорости объекта в соответствии с выражением

V_р = c(T₀-T_v)/2T₀,

где V_р - радиальная скорость объекта локации;

c - скорость распространения импульса в среде;

T₀ - период излучения пачки импульсов;

T_v - период прихода пачки отраженных импульсов.

Недостатками этого известного способа-прототипа являются низкая точность определения параметров движения объекта локации: расстояния и скорости, обусловленная приблизительным алгоритмом их определения по указанной формуле, а также невозможность определения данным способом радиального ускорения движения объекта, приводящая к сужению функциональных возможностей способа. Кроме того, в данном способе для измерения радиальной скорости объекта локации посылку пачки импульсов с последующей регистрацией эхо-сигнала необходимо проводить не менее двух раз подряд, чтобы измерить время запаздывания эхо-сигналов T₀-T_v, что приводит к увеличению длительности определения радиальной скорости объекта локации и сужает функциональные возможности способа.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности определения параметров движения объекта за счет расчета этих параметров по реальным физическим величинам, а также расширение функциональных возможностей способа за счет увеличения быстроты измерений параметров и дополнительного определения радиального ускорения.

Технический результат достигается тем, что в способе определения параметров движения объекта локации, включающем одновременное излучение с заданным периодом активным контрольным пунктом пачки импульсов с различной скоростью распространения, прием отраженных от объекта локации импульсов пачки, определение расстояния до объекта локации по измеренному времени запаздывания эхо-сигнала при его приеме относительно момента излучения пачки и определение радиальной скорости объекта, согласно изобретению, при приеме отраженных от объекта локации импульсов пачки дополнительно измеряют величину разности времен запаздывания более быстрого, первого, и следующего за ним менее быстрого, второго, эхо-сигналов пачки и рассчитывают изменение расстояния до объекта между моментами контактов более быстрого, первого, и следующего за ним менее быстрого, второго, излученных импульсов пачки с объектом локации, по этим величинам определяют его радиальную скорость на данном участке движения, затем таким же способом определяют радиальную скорость движения объекта локации между моментами его контакта с вышеназванным вторым и следующим за ним третьим излученными импульсами пачки, по разности измеренных радиальных скоростей определяют радиальное ускорение движения объекта, после этого проводят оценку допустимых параметров относительного движения активного контрольного пункта и объекта локации и формируют командные сигналы на изменение числа импульсов в излучаемой пачке.

При этом при оценке определенных величин расстояния, скорости и ускорения как нежелательных параметров относительного движения активного контрольного пункта и объекта локации могут дополнительно формировать командные сигналы для управления движением объекта локации или активного контрольного пункта.

Дополнительное измерение при приеме отраженных импульсов указанных временных промежутков и расчет изменения указанного расстояния позволяет определить радиальную скорость по реальным физическим величинам, что исключает необходимость в аппроксимированном ее расчете и повышает точность ее определения по сравнению с прототипом.

Определение радиальной скорости по указанным величинам позволяет увеличить быстроту ее определения по сравнению с прототипом вследствие уменьшения длительности процедуры измерения времени запаздывания эхо-сигналов.

Дополнительное определение указанной радиальной скорости и ее изменения за указанный промежуток времени позволяет также определить радиальное ускорение. Все это позволяет расширить функциональные возможности способа по сравнению с прототипом.

Осуществление последующей оценки допустимых параметров относительного движения активного контрольного пункта и объекта локации и формирования командных сигналов на изменение числа импульсов в пачке позволяет, наряду с определением этих величин, производить излучение пачки с заданным числом импульсов, в зависимости от определяемого параметра, что также обеспечивает расширение функциональных возможностей способа по сравнению с прототипом.

Дополнительное формирование командных сигналов для управления движением объекта локации или активного контрольного пункта при оценке определенных параметров как "нежелательных" позволяет изменять эти параметры до требуемых величин, например, с целью избежать столкновений или аварийных ситуаций, что также расширяет функциональные возможности данного способа по сравнению с прототипом.

Сравнение заявляемого способа с прототипом позволило установить, что способ отличается операциями приема отраженных импульсов, расчетом и оценкой параметров движения объекта локации, и сделать вывод, что изобретение соответствует критерию "новизна".

При изучении других известных решений в данной области техники признаки, идентичные признакам, отличающим заявляемое изобретение от прототипа, выявлены не были, и поэтому оно соответствует критерию "изобретательский уровень".

Применение заявляемого изобретения в локационных системах обнаружения для определения радиальной скорости и ускорения объекта локации обеспечивает ему критерий "промышленная применимость".

На чертеже представлена временная диаграмма одномоментного излучения трех волновых сигналов (C₁, C₂ и C₃) с различной скоростью распространения (соответственно, V₁, V₂ = V₁/n и V₃ = V₁/m) и последующего приема соответствующих эхо-сигналов (Э₁, Э₂ и Э₃):

а) при неизменном расстоянии от активного контрольного пункта до объекта локации

T₁, T₂ и T₃ - моменты приема эхо-сигналов Э₁, Э₂ и Э₃;

б) при удалении объекта локации от активного контрольного пункта

T₂ и T₃ - смещение момента приема эхо-сигналов Э₂ и Э₃, вызванное изменением расстояния от объекта локации до активного контрольного пункта;

в) при приближении объекта локации к активному контрольному пункту.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Одновременно излучают с заданным периодом пачку импульсных волновых сигналов, различающихся по скорости распространения. Первоначально свободное окружающее пространство зондируют пачкой с одиночным импульсным сигналом до момента обнаружения объекта локации и измерения расстояния S до него по измеренному времени задержки T эхо-сигнала (отраженного сигнала) при его приеме относительно момента излучения пачки импульсов. При этом момент излучения пачки принимают за начало отсчета времени прохождения сигналов до объекта локации и обратно.

При появлении цели в окружающем пространстве формируют командные сигналы на изменение числа импульсов в излучаемой пачке, которое изменяют до двух - для измерения радиальной скорости объекта и до трех - для измерения радиального ускорения.

При приеме отраженных импульсов пачки дополнительно измеряют величину разности времен запаздывания более быстрого, первого, и следующего за ним менее быстрого, второго, эхо-сигналов пачки и рассчитывают изменение расстояния до объекта между моментами контактов более быстрого, первого, и следующего за ним менее быстрого, второго, излученных импульсов пачки с объектом локации, по этим величинам определяют его радиальную скорость на данном участке движения, затем таким же способом определяют радиальную скорость движения объекта локации между моментами его контакта с вышеназванным вторым и следующим за ним третьим излученными импульсами пачки, по разности измеренных радиальных скоростей определяют радиальное ускорение движения объекта, после этого проводят оценку допустимых параметров относительного движения активного контрольного пункта и объекта локации. При удалении объекта за пределы досягаемости локацией, уменьшают количество импульсов в излучаемой пачке до одного, пока не будет обнаружена следующая цель (объект). При оценке определенных величин расстояния, скорости и ускорения как нежелательных параметров относительного движения активного контрольного пункта и объекта локации дополнительно формируют командные сигналы для управления движением объекта локации или активного контрольного пункта или формируют командные сигналы для изменения периода излучаемой пачки.

При таком определении параметров движения объекта достаточно посылки всего одной пачки импульсов по направлению к объекту для обеспечения необходимой скорости процедуры. При этом одна пачка импульсов обеспечивает неоднократное измерение расстояния до объекта локации.

Пример.

Радар излучает с периодом, равным T₀, одновременно пачку импульсных волновых сигналов, например 3 волновых сигнала (C₁, C₂ и C₃), с различной скоростью распространения: V₁, V₂ = V₁/n и V₃ = V₁/m. При этом излучается один радиосигнал в воде, второй радиосигнал - в воздухе, над поверхностью воды, и один звуковой сигнал - в воде. Момент излучения радаром пачки сигналов принимают за начало отсчета времени прохождения сигналов до цели (объекта локации) и обратно.

Если расстояние от активного контрольного пункта до объекта локации не изменяется (чертеж, a), то самый быстрый сигнал C₁ пачки после отражения от цели вернется к приемнику сигналов через время T₁, второй (более медленный, C₂) - через время T₂, а третий (самый медленный, C₃) - через время T₃. При этом все три сигнала пройдут один и тот же путь 2S₁, где S₁ - расстояние до цели.

Так как 2S₁ = V₁T₁, 2S₁ = V₂T₂, 2S₁ = V₃T₃ и поэтому V₁T₁ = V₂T₂ = V₃T₃, то справедливо: T₂/T₁ = V₁/V₂ и T₃/T₁ = V₁/V₃. В нашем примере T₂ = nT₁, T₃ = mT₁ и T₂/T₃ = n/m. Совпадение расчетного и экспериментального соотношений величин T₂ и T₃ указывает на то, что расстояние от радара до цели от момента контакта цели с сигналом C₁ до момента контакта с сигналом C₃ не изменилось.

Если расстояние до цели изменяется, то самый быстрый сигнал C₁ пачки достигнет цель на расстоянии до нее S₁, второй (более медленный) - на расстоянии S₂ = S₁ + S_1,2, а третий (самый медленный) - на расстоянии S₃ = S₁ + S_1,3. Самый быстрый сигнал C₁ пачки после отражения от цели вернется к приемнику сигналов через время T₁, второй (более медленный, C₂) - через время T₂ + T₂, а третий (самый медленный, C₃) - через время T₃ + T₃ (чертеж, б - удаление цели, чертеж, в - приближение цели).

По сравнению с сигналом C₁ длина пути сигнала C₂ будет отличаться на величину S_1,2 = v_1,2t_1,2, где v_1,2 - относительная средняя скорость движения цели (а t_1,2 - время) между моментами контактов цели с сигналами C₁ и C₂. При этом t_1,2 = 0,5(T₂ + T₂ - T₁).

По сравнению с сигналом C₁ длина пути сигнала C₃ будет отличаться на величину S_1,3 = v_1,3t_1,3, где v_1,3 - относительная средняя скорость движения цели (а t_1,3 - время) между моментами контактов цели с сигналами C₁ и C₃. При этом t_1,3 = 0,5(T₃ + T₃ - T₁).

По сравнению с сигналом C₂ длина пути сигнала C₃ будет отличаться на величину S_2,3 = v_2,3t_2,3, где v_2,3 - относительная средняя скорость движения цели (а t_2,3 - время) между моментами контактов цели с сигналами C₁ и C₂. При этом t_2,3 = 0,5(T₃ + T₃ - T₂- T₂).

По измеренным величинам времени возвращения посланных сигналов пачки: T₁, (T₂ + T₂) и (T₃ + T₃); рассчитывают расстояние до цели в различные моменты времени, скорость и ускорение относительного движения цели:

S₁ = V₁T₁; S₂ = V₂(T₂ + T₂); S₃ = V₃(T₃ + T₃);

T₂ = T₁V₁/V₂ и T₃ = T₁V₁/V₃;

S_1,2 = S₂ - S₁; S_2,3 = S₃ - S₂;

v_1,2 = 2S_1,2/(T₂ + T₂ - T₁); v_2,3 = 2S_2,3/(T₃ + T₃ - T₂ - T₂);

a_1,3 = 2(v_2,3 - v_1,2)/t_1,3 = (v_2,3 - v_1,2)/(T₃ + T₃ - T₁),

где a_1,3 - среднее радиальное ускорение относительного движения цели между моментами контактов цели с сигналами C₁ и C₃.

После аналогичного измерения среднего радиального ускорения a_1,3 со следующей пачкой импульсов, дополнительно рассчитывают среднее изменение его величины между моментами контактов цели с сигналом C₁ предыдущей пачки импульсов и сигналом C₃ последующей пачки импульсов.

Измерение ускорения возможно даже в том случае, если в излучаемой пачке содержится всего лишь два сигнала, с различной скоростью распространения. Но для этого необходимо излучить не менее двух пачек сигналов и затем рассчитать относительную радиальную скорость объекта локации вначале по результатам измерения эхо-сигналов для первой пачки сигналов, а затем для второй. После этого по разности измеренных скоростей можно рассчитать радиальное ускорение.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет по сравнению с прототипом повысить точность измерений параметров движения объекта за счет расчета параметров по реальным физическим величинам и оценки параметров по моментам времени, соответствующим его истинной дальности и скорости, а также расширение области его применения вследствие быстроты измерений параметров увеличения объема информации о движущемся объекте. Кроме того, заявляемое изобретение не требует дополнительной дорогостоящей аппаратуры для сравнительного частотного анализа излучаемого и отраженного сигналов.

Совместное определение не только расстояния до объекта, его радиальной скорости и радиального ускорения с его изменением позволяет быстро формировать соответствующие командные сигналы для управления движением активного транспортного средства (оснащенного излучателем) и объекта локации, например, для избежания столкновений с объектом локации.

Источники информации

1. Евтюхов А.П., Колесников А.Е., Корепин Е.А. и др. Справочник по гидроакустике. // 2-е издание. Л.: Судостроение, 1988 г.

2. Авторское свидетельство СССР N 1809399, S 01 S 1/14, 1993 г., БИ N 14.

3. Гинзбург В.М. Формирование и обработка изображений в реальном времени. Методы быстрого сканирования. // М.: Радио и связь, 1986 г., с. 34 - прототип.