УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ ЦЕЛИ

Полезная модель относится к области радиолокации, в частности к устройствам для определения параметров движения цели в разнесенных радиолокационных системах.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является устройство для определения параметров движения цели [1], выбранное в качестве прототипа. Устройство-прототип содержит передающую позицию, состоящую из передатчика и передающей антенны, и, находящуюся в удаленной от нее точке, приемную позицию, состоящую из приемной антенны, двух цепей, включающих в себя последовательно соединенные приемник, детектор и фильтр нижних частот, при этом выходы фильтров нижних частот первой и второй цепей соединены соответственно с первым и вторым входами блока измерения направления прихода интерференционного сигнала, выход которого соединен с первым входом блока вычисления траекторных параметров, выход которого является выходом устройства, а также первого блока измерения доплеровской частоты, вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот первой цепи, а первый выход приемной антенны соединен с входом приемника первой цепи.
Недостатком устройства-прототипа является низкая точность определения параметров движения цели, обусловленная тем, что:
- на начальном этапе определения величины суммарной дальности экстраполяция доплеровской частоты  производится с ошибками, обусловленными переходными процессами в фильтре - экстраполяторе блока экстраполяции измеряемых параметров;
Σ
- экстраполяция доплеровской частоты  до момента пересечения целью линии базы производится в ряде случаев на значительное время, например, при полете цели под малыми углами к линии базы, что также приводит к росту ошибок измерения суммарной дальности R(t), а, следовательно, и к ошибкам определения наклонной дальности;
- при сопровождении маневрирующих целей экстраполяция доплеровской частоты  до момента пересечения целью линии базы осуществляется со значительными динамическими ошибками, поскольку отсутствует априорная информация об интенсивности маневра цели, а после пересечения целью линии базы интегрирование на длительное время также приводит к ошибкам определения дальности.
Σ
Технический результат - повышение точности определения параметров движения цели (дальности до цели относительно приемной позиции, ее прямоугольных координат и скорости их изменения) за счет исключения необходимости экстраполяции доплеровской частоты при измерении суммарной дальности, что обеспечивает на начальном этапе определения величины суммарной дальности R(t) исключение ошибок, обусловленных переходными процессами в фильтре - экстраполяторе доплеровской частоты  блока экстраполяции измеряемых параметров, и при сопровождении маневрирующих целей исключение динамических ошибок, что позволяет осуществлять измерение координат целей, совершающих сложные виды маневра в текущем времени, а также за счет измерения вектора скорости цели и его проекций в декартовой системе координат за один цикл обновления информации.
Сущность полезной модели заключается в следующем. Предлагаемое устройство для определения параметров движения цели содержит так же, как и прототип, передающую позицию, состоящую из передатчика и передающей антенны, и, находящуюся в удаленной от нее точке, приемную позицию, состоящую из приемной антенны, двух цепей, включающих в себя последовательно соединенные приемник, детектор и фильтр нижних частот, при этом выходы фильтров нижних частот первой и второй цепей соединены соответственно с первым и вторым входами блока измерения направления прихода интерференционного сигнала, выход которого соединен с первым входом блока вычисления траекторных параметров, выход которого является выходом устройства, а также первый блок измерения доплеровской частоты, вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот первой цепи, а первый выход приемной антенны соединен с входом приемника первой цепи. В отличие от прототипа, в предлагаемом устройстве передающая позиция дополнительно содержит последовательно соединенные второй передатчик и блок суммирования, второй вход которого соединен с выходом первого передатчика, а выход соединен с входом передающей антенны, приемная позиция дополнительно содержит блок разделения, вход которого соединен со вторым выходом приемной антенны, а его первый выход соединен с входом приемника второй цепи, третью цепь, состоящую из последовательно соединенных приемника, детектора и фильтра нижних частот, причем вход приемника третьей цепи соединен со вторым выходом блока разделения, последовательно соединенные измеритель разности фаз, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами фильтров нижних частот второй и третьей цепей, и блок оценки суммарной дальности, выход которого соединен со вторым входом блока вычисления траекторных параметров, последовательно соединенные второй блок измерения доплеровской частоты, вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот третьей цепи, и блок оценки скорости изменения направления прихода интерференционного сигнала, второй вход которого соединен с выходом блока измерения направления прихода интерференционного сигнала, третий вход которого соединен с выходом первого блока измерения доплеровской частоты, а выход подключен к третьему входу блока вычисления траекторных параметров, к четвертому входу которого подключен выход блока масштабирования, вход которого соединен с выходом первого блока измерения доплеровской частоты.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где
на фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства, где обозначено:
1 - первый передатчик (ПРД);
2 - передающая антенна;
3 - приемная антенна;
4-1, 4-2, 4-3 - первый, второй и третий приемники (ПРМ);
5-1, 5-2, 5-3 - первый, второй и третий детекторы;
6-1, 6-2, 6-3 - первый, второй и третий фильтр нижних частот (ФНЧ);
7 - блок измерения направления прихода интерференционного сигнала;
8 - блок вычисления траекторных параметров;
9 - блок измерения доплеровской частоты;
10 - второй передатчик;
11 - блок суммирования;
12 - блок разделения;
13 - измеритель разности фаз;
14 - блок оценки суммарной дальности;
15 - второй блок измерения доплеровской частоты;
16 - блок оценки скорости изменения направления прихода интерференционного сигнала;
17 - блок масштабирования.
На фиг.2 представлен рисунок, поясняющий геометрию принципа функционирования системы.
На фиг.3 приведены вид траекторий цели с различной интенсивностью маневра.
На фиг.4-9 представлены соответствующие графики, выполненные для примера по результатам моделирования траекторий целей с различной интенсивностью маневра.
Предлагаемое устройство для определения параметров движения объекта (см. фиг.1) содержит передающую позицию, состоящую из последовательно соединенных первого передатчика (ПРД) 1, блока суммирования 11, другой вход которого соединен с выходом второго ПРД 10, и передающей антенны 2, и, находящуюся в удаленной от нее точке, приемную позицию. Приемная позиция состоит из приемной антенны 3, трех цепей, включающих в себя последовательно соединенные ПРМ 4-1, 4-2, и 4-3, детекторы 5-1, 5-2, и 5-3 и ФНЧ 6-1, 6-2, и 6-3, при этом выходы ФНЧ 6-1 и 6-2 соединены соответственно с первым и вторым входами блока измерения направления прихода интерференционного сигнала 7, выход которого соединен с первым входом блока вычисления траекторных параметров 8, выход которого является выходом устройства, а также первого блока измерения доплеровской частоты 9, вход которого соединен с выходом ФНЧ первой цепи, блока разделения 12, вход которого соединен со вторым выходом приемной антенны 3, а его первый и второй выходы соединены с входами соответственно ПРМ 4-2 и 4-3, последовательно соединенных измерителя разности фаз 13, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами ФНЧ 6-2 и 6-3, и блока оценки суммарной дальности 14, выход которого соединен со вторым входом блока вычисления траекторных параметров 8, последовательно соединенных второго блока измерения доплеровской частоты 15, вход которого соединен с выходом ФНЧ 6-3, и блока оценки скорости изменения направления прихода интерференционного сигнала 16, второй вход которого соединен с выходом блока измерения направления прихода интерференционного сигнала 7, третий вход соединен с выходом первого блока измерения доплеровской частоты 9, а выход подключен к третьему входу блока вычисления траекторных параметров 8, к четвертому входу которого подключен выход блока масштабирования 17, вход которого соединен с выходом первого блока измерения доплеровской частоты 9. При этом приемная антенна 3 имеет два фазовых центра, разнесенных на расстояние d в плоскости пеленгации, а ее первый выход соединен с входом ПРМ 4-1.
Работоспособность устройства обеспечивается за счет применения в нем известных и новых блоков, реализация которых не требует дополнительного изобретательского творчества, например, блок суммирования 11 и блок разделения 12 могут быть выполнены в соответствии с [2, рис.11.22, стр.626 или рис.11.24, стр.627].
-6
-8
Для обеспечения требуемого частотного разноса, например на частоте 300 МГц, необходимо обеспечить долговременную стабильность частоты передающих устройств. Существующие термостабилизированные кварцевые генераторы обеспечивают относительную нестабильность частоты Δf=10-10, что соответствует величине от 3 до 300 Гц, что достаточно для реализации заданного метода.
пр
пр
RΣmax
12
пр
12
пр
Полоса пропускания Δf каждого ПРМ должна быть выбрана из условия Δf≥2F, а это налагает дополнительные ограничения на выбор диапазона разноса частот Δf. Разностная частота должна быть больше Δf, т.е.Δf≥Δf.
Работа предлагаемого устройства происходит следующим образом.
1
2
Предлагаемое устройство для определения параметров движения объекта содержит передающую позицию, и, находящуюся в удаленной от нее точке на расстояние L, приемную позицию. Зондирующие сигналы, которые генерируют первый 1 и второй 10 ПРД передающей позиции могут быть представлены в виде двух непрерывных колебаний с близкими первой f и второй f несущими частотами [3, стр.44]:
10
20
10
20
где: U, U - амплитуды сигналов ПРД 1 и 10 соответственно, φ, φ
1
2
- начальные фазы сигналов на первой f, и второй f несущих частотах соответственно.
1
Прямые сигналы, распространяющиеся вдоль лини базы L (фиг.2), прошедшие по линии: передающая позиция - приемная позиция, принятые первым и вторым фазовыми центрами антенны 3 приемной позиции и усиленные в ПРМ 4-1 и 4-2 на первой несущей частоте f, можно описать зависимостью:
2
и соответственно в ПРМ 4-3 на второй несущей частоте f зависимостью
1
2
где:  - время распространения прямого сигнала вдоль линии базы, α и α - случайные множители, учитывающие потери прямого сигнала на распространение и обработку в приемном тракте, с - скорость распространения сигнала.
Отраженный от цели сигнал, прошедший по линии: передающая позиция - цель - приемная позиция, запаздывает относительно зондирующего сигнала на время:
1
Отраженные от цели сигналы, принятые антенной 3 приемной позиции и усиленные в ПРМ 4-1 и 4-2 на частоте f с учетом сдвига по частоте за счет суммарной доплеровской частоты, можно записать как:
2
принятые антенной 3 приемной позиции и усиленные в ПРМ 4-3 сигналы на частоте f представим как:
ц1
ц2
1
2
Σ0
RΣ1
RΣ2
1
2
где: φ и φ - фазовые сдвиги сигналов, вызванные отражением от цели, b, b - случайные множители, учитывающие потери на распространение отраженных сигналов, обработку в приемном тракте и флуктуации при отражении от цели, R - начальная суммарная дальность, F F - суммарные доплеровские частоты на несущих частотах зондирования f и f соответственно.
RΣ
Суммарная доплеровская частота F связана со скоростью изменения суммарной дальности  соотношением:
а текущее значение суммарной дальности выражается зависимостью:
Σ0
где R - начальное значение суммарной дальности;
тогда выражения (5) и (6) можно представить в виде:
что, по сути, эквивалентно выражениям:
1
2
Разности фаз прямых и отраженных сигналов на первой f и второй f несущих частотах, возникающие в результате интерференционных биений между прямым и переотраженными сигналами, описываемых соответственно выражениями (3, 11) и (4, 12), усиливаются ПРМ 4-1, 4-2 и 4-3, детектируются детекторами 5-1, 5-2 и 5-3, выделяются в ФНЧ 6-1, 6-2 и 6-3, в результате чего образуются разности фаз прямых и отраженных сигналов на первой частоте:
и на второй частоте:
12
1-
2
1(2)
1
2
Разность Δφ=ΔφΔφ, равная разности фаз прямых и отраженных сигналов Δφ на частотах f, и f, определяемая измерителем разности фаз 13, описывается выражением:
12
1
2
ц12
ц1
2
1
2
где: Δf=f-f - разность несущих частот принятых сигналов, Δφ=φ-φц - разность фаз сигналов, отраженных от цели на первой f и второй f несущих частотах соответственно.
Для реализации зависимости (15) на первый и второй входы измерителя разности фаз 13 поступают сигналы с выходов ФНЧ 6-2 и 6-3 соответственно.
1
2
ц1
ц2
ц12
Поскольку несущие частоты, f и f близки друг к другу, то можно считать [4, стр.109] и [5 стр.176], что φ≈φ и Δφ=0.
Тогда, выражение (15) можно представить в виде:
Σ
12
1
2
12
1
2
Формулу для расчета значения суммарной дальности R в блоке оценки суммарной дальности 14 по измеренной величине разности фаз Δφ принятых сигналов на несущих частотах f и f, определяемой измерителем разности фаз 13, известной разности несущих частот сигналов Δf=f-f и известной величине базы L, можно определить в виде:
Σ
Среднеквадратическая ошибка измерения суммарной дальности Rопределяется путем линеаризации выражения (16) в окрестности истинных значений:
L
σ - среднеквадратическая ошибка измерения базы;
Δφ12
σ - среднеквадратическая ошибка измерения разности фаз сигналов;
Δf12
σ - среднеквадратическая ошибка, вызванная нестабильностью частот передающих устройств.
Учитывая, что однозначное измерение дальности может быть найдено при условии 0≤Δφ≤2π, выражение однозначного измерения дальности в бистатической локационной системе примет вид:
12
При базе между передающей и приемной позициями L=50 км, и Δf=10 кГц диапазон однозначного измерения дальности составляет от 50 до 80 км.
Оценка направления прихода интерференционного сигнала β определяется фазовым методом [5, стр.286] с использованием антенны приемной позиции с разнесенными фазовыми центрами на расстояние d в блоке измерения направления прихода интерференционного сигнала 7 по формуле:
RΣ1
RΣ2
Угловая скорость направления прихода интерференционного сигнала может быть определена в реальном времени без затрат времени на экстраполяцию параметров соответственно в процессе маневрирования цели, по измеренному значению доплеровской частоты F в первом блоке измерения доплеровской частоты 9, по измеренному значению доплеровской частоты F во втором блоке измерения доплеровской частоты 15 и измеренному значению направления прихода интерференционного сигнала β, вычисленному в блоке измерения направления прихода интерференционного сигнала 7. В блоке 16 измерения скорости изменения направления прихода интерференционного сигнала  цели формируется ее значение [4, стр.37] по формуле:
Учитывая, что суммарная доплеровская частота линейно связана со скоростью изменения суммарной дальностью соотношением:
где:  скорость изменения суммарной дальности, можно определить скорость изменейия суммарной дальности по формуле
RΣ1
т.е. путем масштабирования в блоке масштабирования 17 с коэффициентом λ, величины измеренного значения доплеровской частоты F, полученной в первом блоке измерения доплеровской частоты 9.
Σ
В блоке вычисления траекторных параметров 8, сначала определим дальность до цели относительно приемной позиции, при известных величинах базы L, суммарной дальности R, вычисленной в блоке оценки
суммарной дальности 14, и оценке направления прихода интерференционного сигнала β, определенной в блоке измерения направления прихода интерференционного сигнала 7, по формуле:
и далее определяем прямоугольные декартовы координаты цели по формулам (см. фиг.2)
или:
Σ
Продифференцировав (24) по времени, можно получить формулы для вычисления в блоке вычисления траекторных параметров 8 в текущем времени проекций вектора скорости цели на оси прямоугольной декартовой системы координат, при известных: величине базы L, оценках суммарной дальности R, скорости изменения суммарной дальности , направления прихода интерференционного сигнала β и скорости изменения направления прихода интерференционного сигнала  цели, полученных в соответствующих блоках оценок, в виде:
Зависимости (25) и (26) позволяют в текущем времени вычислять проекции вектора скорости цели на оси декартовой системы координат на основании произведенных первичных измерений и вычислений в соответствующих блоках устройства без процедуры вторичной обработки радиолокационной информации.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает в текущем времени вычисление координат и параметров движения цели без проведения экстраполяции доплеровской частоты до линии базы, что особенно важно при наблюдении за маневрирующей целью.
Технический результат от использования предлагаемого устройства оценивался путем математического моделирования.
Были приняты следующие исходные данные:
β
F
∆φ
база между РЛС L=50000, начальные условия местоположения цели Х-35000, Y=20000 м, Н=2000 м, скорость цели V=100 м/с., среднеквадратическая ошибка измерения азимута σ=0.1 град., среднеквадратическая ошибка определения доплеровской частоты σ=2 Гц, длина волны РЛС λ=0.85 м., среднеквадратическая ошибка измерения разности фаз σ=0.1 град.
На фиг.4 приведены зависимости значения среднеквадратической ошибки (СКО) определения дальности относительно приемной позиции в зависимости от местоположения цели в зоне обзора РЛС. Для предлагаемого устройства (кривая 1) и прототипа (кривые 2 и 3) при сглаживании параметров траектории в фильтре второго порядка, причем кривая 2 соответствует СКО для траектории 1 на фиг.3, а кривая 3 соответствует СКО для траектории 2 на фиг.3.
На фиг.5 приведены зависимости значения среднеквадратической ошибки (СКО) определения дальности относительно приемной позиции в зависимости от местоположения цели в зоне обзора РЛС. Для предлагаемого устройства (кривая 1) и прототипа (кривые 2 и 3) при сглаживании параметров траектории в фильтре третьего порядка, причем кривая 2 соответствует СКО для траектории 1 на фиг.3, а кривая 3 соответствует СКО для траектории 2 на фиг.3.
На фиг.6 приведены зависимости значения среднеквадратической ошибки (СКО) определения координаты Х в зависимости от местоположения цели в зоне обзора РЛС. Для предлагаемого устройства (кривая 1) и прототипа (кривые 2 и 3) при сглаживании параметров траектории в фильтре второго порядка, причем кривая 2 соответствует СКО для траектории 1 на фиг.3, а кривая 3 соответствует СКО для траектории 2 на фиг.3.
На фиг.7 приведены зависимости значения среднеквадратической ошибки (СКО) определения координаты Х в зависимости от местоположения цели в зоне обзора РЛС. Для предлагаемого устройства (кривая 1) и прототипа (кривые 2 и 3) при сглаживании параметров траектории в фильтре третьего порядка, причем кривая 2 соответствует СКО для траектории 1 на фиг.3, а кривая 3 соответствует СКО для траектории 2 на фиг.3.
На фиг.8 приведены зависимости значения среднеквадратической ошибки (СКО) определения координаты Y в зависимости от местоположения цели в зоне обзора РЛС. Для предлагаемого устройства (кривая 1) и прототипа (кривые 2 и 3) при сглаживании параметров траектории в фильтре второго порядка, причем кривая 2 соответствует СКО для траектории 1 на фиг.3, а кривая 3 соответствует СКО для траектории 2 на фиг.3.
На фиг.9 приведены зависимости значения среднеквадратической ошибки (СКО) определения координаты Y в зависимости от местоположения цели в зоне обзора РЛС. Для предлагаемого устройства (кривая 1) и прототипа (кривые 2 и 3) при сглаживании параметров траектории в фильтре третьего порядка, причем кривая 2 соответствует СКО для траектории 1 на фиг.3, а кривая 3 соответствует СКО для траектории 2 на фиг.3.
Из представленных графиков (фиг.4-9) видно, что выполнение в устройстве-прототипе экстраполяции суммарной доплеровской частоты, а, следовательно, и суммарной дальности на значительное количество тактов обновления информации, вносит существенную флюктуационную и динамическую ошибки, что приводит к увеличению ошибок определения наклонной дальности и прямоугольных координат цели.
Предлагаемое устройство для определения параметров движения цели в отличие от прототипа обеспечивает в текущем времени и с большей точностью определение параметров (дальности до цели, ее прямоугольных координат и скорости их изменения) объекта, особенно при совершении целью маневра.
Литература
1. Патент РФ №2124220, МПК G01S 13/06, 1998 - прототип.
2. Фельдштейн А.Л. и др. Справочник по элементам волноводной техники (Издание 2-е, переработанное и дополненное), М.: Советское радио, 1967, 652 с.
3. Вишин Г.М. Многочастотная радиолокация. М.: Воениздат, 1973, 92 с.
4. Васин В.В. и др. Радиолокационные устройства (теория и принципы построения), М.: Советское радио, 1970, 680 с.
5. Ширман Я.Д. Теоретические основы радиолокации. 1968 г.443 с.