ИЗМЕРИТЕЛЬ ПУТЕВОЙ СКОРОСТИ НЕМАНЕВРИРУЮЩЕЙ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ЦЕЛИ ПО ВЫБОРКЕ ПРОИЗВЕДЕНИЙ ДАЛЬНОСТИ НА РАДИАЛЬНУЮ СКОРОСТЬ

Полезная модель относится к области радиолокации и может быть использована преимущественно в наземных радиолокационных станциях (РЛС) с большими ошибками измерения азимута, угла места и дальности для определения путевой скорости (модуля вектора путевой скорости) неманеврирующей аэродинамической цели (АЦ).
Известны способы и устройства измерения путевой скорости, в которых сначала определяют скорости изменения прямоугольных декартовых координат  и  затем вычисляют путевую скорость по формуле:
[1, С 314].
Известны устройства определения скорости изменения прямоугольных декартовых координат  и  с помощью цифрового нерекурсивного фильтра (ЦНРФ) путем оптимального взвешенного суммирования фиксированной выборки значений этих координат [1, С. 300-304].
Известны устройства определения скорости изменения прямоугольных декартовых координат  и  с помощью α, β фильтра путем последовательного оптимального сглаживания выборки нарастающего объема значений этих координат [1, С. 321-322].
Основным недостатком этих устройств является низкая точность определения путевой скорости неманеврирующей АЦ в РЛС с грубыми измерениями азимута и угла места.
Известны способ и устройство радиолокационного определения путевой скорости неманеврирующей воздушной цели, в котором путевую скорость определяют по фиксированной выборке значений квадратов дальности [2].
0
В ЦНРФ этого устройства формируют фиксированную выборку из N значений квадратов дальности и определяют оценку второго приращения квадрата дальности за обзор  путем оптимального взвешенного суммирования N значений квадратов дальности. При этом весовые коэффициенты оценки второго приращения  могут быть рассчитаны заранее по формуле:  Далее вычисляют квадратный корень из полученной оценки. Полученный результат делят на период обзора Т и получают сглаженное значение путевой скорости неманеврирующей АЦ.
r
β
Достоинство способа. При высокоточных измерениях дальности (среднеквадратические ошибки (СКО) σ≤25 м) точность определения путевой скорости в РЛС с грубыми измерениями азимута (СКО σ≥1°…3°) повышается в несколько раз по сравнению со способами оценивания по выборкам декартовых координат.
Недостаток способа. Необходимость высокоточного измерения дальности, что проблематично реализовать в РЛС с небольшой шириной полосы пропускания приемного устройства, например, в загоризонтных РЛС поверхностной волны декаметрового диапазона волн [3, С. 455-457].
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявленной полезной модели являются способ радиолокационного определения путевой скорости неманеврирующей аэродинамической цели по выборке произведений дальности на радиальную скорость и устройство для его реализации [4].
Сущность прототипа поясняется схемой, приведенной в фиг. 1. Устройство-прототип содержит последовательно соединенные умножитель (блок 1), блок определения первого приращения произведения дальности на радиальную скорость (блок 2), являющийся цифровым нерекурсивным фильтром, делитель на период обзора РЛС (блок 3) и вычислитель квадратного корня (блок 4), выход которого является выходом устройства-прототипа.
В умножителе (блок 1) перемножают входные сигналы, то есть данные измерений дальности и радиальной скорости. В запоминающем устройстве (блок 2.1) ЦНРФ формируют фиксированную выборку из N произведений дальности на радиальную скорость. Эти произведения дальности на радиальную скорость умножают на весовые коэффициенты в блоке 2.2 реализации весовой функции. При этом весовые коэффициенты оценки первого приращения  вычисляют по формуле:  где i - порядковый номер измерения в выборке [5, С. 151, формула 4.27].
0
На выходе сумматора (блок 2.3) получают оценку первого приращения  путем сложения взвешенных значений произведений дальности на радиальную скорость. Далее в блоке 3 делят эту оценку на период обзора РЛС Т и получают значение квадрата путевой скорости. В блоке 4 из результата деления вычисляют квадратный корень и получают оценку путевой скорости.
Объем фиксированной выборки N в ЦНРФ зависит от количества устройств задержки на период обзора (ЛЗ) в запоминающем устройстве 2.1 и умножителей в блоке 2.2 реализации весовой функции. ЦНРФ может быть реализован как в цифровом, так и в аналоговом виде [1, С. 303-304].
Достоинство прототипа: устранено влияние ошибок измерения угловых координат и снижено влияние ошибок измерения дальности на точность оценивания путевой скорости.
Недостатки прототипа: необходимость хранения всех N значений дальности и радиальной скорости фиксированной выборки и расчета всех N весовых коэффициентов. При одновременном обслуживании большого числа целей и при больших интервалах наблюдения это приводит к существенному повышению требований к емкости запоминающих устройств и быстродействию аппаратуры.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение точности определения путевой скорости АЦ и уменьшение объема хранимых предыдущих измерений дальности и радиальной скорости.
Указанный технический результат достигается тем, что оценку первого приращения произведения дальности на радиальную скорость за период обзора РЛС определяют с помощью α, β фильтра.
Принцип работы заявленного измерителя путевой скорости поясняется структурной схемой, приведенной в фиг. 2.
Измеритель путевой скорости неманеврирующей аэродинамической цели по выборке произведений дальности на радиальную скорость содержит так же, как прототип, последовательно соединенные умножитель (блок 1), блок 2 определения первого приращения произведения дальности на радиальную скорость, делитель (блок 3) и вычислитель квадратного корня (блок 4), выход которого является выходом заявленного измерителя. В отличие от прототипа, согласно полезной модели блок определения первого приращения произведения дальности на радиальную скорость (блок 2) является ∝, β фильтром.
Для определения первого приращения произведения дальности на радиальную скорость в ∝, β фильтре по первым двум значениям произведений дальности на радиальную скорость  и  в первых двух обзорах в блоке 2.4 определяют начальное значение произведения дальности на радиальную скорость , а в блоке 2.3 начальное значение первого приращения произведения дальности на радиальную скорость  В блоках 2.2 и 2.5 задают начальные значения коэффициентов сглаживания ∝=1, β=1. Далее во всех последующих обзорах (n=3, 5, … N) значения коэффициентов сглаживания вычисляют по формулам  и  где n - номер обзора, или задают некоторые фиксированные значения этих коэффициентов. В блоке 2.8 определяют экстраполированное значение произведения дальности на радиальную скорость для n-го обзора путем суммирования предыдущих, полученных в (n-1)-м обзоре, сглаженных значений произведения дальности на радиальную скорость и сглаженного значения первого приращения произведения дальности на радиальную скорость. В блоке 2.1 определяют сигнал ошибки между текущим значением произведения дальности на радиальную скорость и его экстраполированным значением. В блоке 2.9 определяют текущие сглаженные значения произведения дальности на радиальную скорость путем суммирования экстраполированного значения произведения дальности на радиальную скорость и взвешенного коэффициентом сглаживания ос сигнала ошибки. В итоге в блоке 2.6 определяют текущие сглаженные значения первого приращения произведения дальности на радиальную скорость путем суммирования (n-1) сглаженного значения первого приращения произведения дальности на радиальную скорость и взвешенного коэффициентом сглаживания β сигнала ошибки. [1, С. 319-322].
1
2
3
4
1
3
4
4
2
3
2
1
2
Основными элементами блока 2, то есть ∝, β фильтра, являются сумматоры Σ(2.1), Σ(2.6), Σ(2.8) и Σ(2.9), которые выполняют операции алгебраического суммирования сигналов, представленных в цифровом виде. Первый сумматор Σ вычисляет сигнал ошибки Δ по разности последнего значения произведения измеренных значений дальности на измеренные значения радиальной скорости  и экстраполированного значения произведения  вычисленного в третьем сумматоре Σ. Сигнал ошибки, умноженный в блоке 2.2 на коэффициент усиления фильтра ∝, подается на 2-й вход четвертого сумматора Σ, где суммируется с экстраполированным значением произведения  В итоге на выходе сумматора Σ получают оценку произведения  которую задерживают на период обзора в линии задержки ЛЗ (2.10) и подают на 2-й вход 3-го сумматора Σ. Сигнал ошибки Δ, умноженный на коэффициент усиления фильтра β, подают также на 1-й вход второго сумматора Σ(2-6), на 2-й вход которого подают с выхода первой линии задержки ЛЗ значение оценки первого приращения произведения  в предыдущем обзоре. В итоге на выходе второго сумматора Σполучают сглаженное значение (оценку) первого приращения произведения дальности на радиальную скорость  в последнем обзоре, то есть в реальном масштабе времени.
Как видно из схемы, для определения путевой скорости, в отличие от прототипа, используются только результаты последнего измерения дальности и радиальной скорость и оценка произведения  полученная в предыдущем обзоре. Поэтому, по сравнению с прототипом, существенно снижаются требования к емкости запоминающих устройств и быстродействию аппаратуры.
Для доказательства выигрыша в точности определения путевой скорости сравним значения среднеквадратических ошибок (СКО) заявляемого измерителя, его прототипа и аналогов.
В заявляемом измерителе и его прототипе значения СКО определения оценки путевой скорости вычисляются по формулам:
где  - дальность и радиальная скорость АЦ в середине интервала наблюдения;
- относительные СКО оценивания первого приращения.
Как видно из формул (1) и (2), точности определения путевой скорости отличаются только значениями относительных СКО оценивания первого приращения в ∝, β фильтре и в ЦНРФ, которые зависят только от объема N выборок измерений дальности и радиальной скорости. Поэтому выигрыш в точности равен отношению этих относительных СКО  Как видно из табл. 1, выигрыш в точности достигает значений 1,4…1,56 при объемах выборок от пяти до пятнадцати произведений дальности на радиальную скорость.
м
с
r
β
0
ср
Например, СКО определения путевой скорости АЦ, летящей с постоянными путевой скоростью V=250 / и курсовым параметром 100 км, при сопровождении ее РЛС метрового диапазона волн «Резонанс» (, σ=300 м, σ=1,5°) в течение минуты (N=7, Т=10 с) при r=150 км, и  [7, С. 357]:
м
с
- в заявляемом измерителе - 6 /;
м
с
- в прототипе - 8,9 /;
м
с
- в аналоге по выборке квадратов дальности - 359 /;
м
с
- в аналоге по выборкам прямоугольных координат - 49,5 /.
r
В приведенном примере относительно большие ошибки измерения дальности (σ=300 м) уменьшили точность определения путевой скорости примерно на 5% в заявляемом измерителе и его прототипе. В аналогах измерение скорости становится практически невозможным.
Таким образом, за счет замены в заявляемом измерителе цифрового нерекурсивного фильтра ∝, β фильтром достигнут заявленный технический результат: повышение точности определения путевой скорости неманеврирующей АЦ в среднем в полтора раза и уменьшение объема хранимых предыдущих измерений дальности и радиальной скорости.
Список использованных источников:
1. Кузьмин С.З. Цифровая обработка радиолокационной информации. М: «Советское радио», 1967, 400 с.
2. Патент на полезную модель №152617 «Устройство радиолокационного определения путевой скорости неманеврирующей воздушной цели».
3. Фабрицио Джузеппе А. Высокочастотный загоризонтный радар: основополагающие принципы, обработка сигналов и практическое применение. - М.: ТЕХНОСФЕРА, 2018. - 936 с.
4. Патент на изобретение №2644588 «Способ радиолокационного определения путевой скорости неманеврирующей аэродинамической цели по выборке произведений дальности на радиальную скорость и устройство для его реализации».
5. Кузьмин С.З. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информации. М.: «Радио и связь», 1986, 352 с.
6. Справочник по радиолокации / Под ред. М.И. Сколника. Книга 1. М.: «ТЕХНОСФЕРА», 2015, 672 с.
7. Вооружение ПВО и РЭС России. Альманах. М.: Издательство НО «Лига содействия оборонным предприятиям», 2011, 504 с.