РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ЦЕЛИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
RADAR TECHNIQUE FOR DETERMINING ANGULAR POSITION OF TARGET AND DEVICE FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к радиолокации, в частности к методам измерения углового положения цели в разнесенной радиолокации с обнаружением "на просвет", например, в наземно-космических радиолокационных комплексах.
Для определения местоположения цели необходимо знать ее угловое положение, т.е. угловые координаты, определение которых связано с определением направления прихода отраженного от цели сигнала (пеленгом).
Существуют различные способы определения направления прихода отраженного от цели сигнала. Наиболее распространенными являются амплитудный и фазовый методы. В моноимпульсной амплитудной системе с рядом парциальных каналов, перекрывающих сектор обзора по одной из угловых координат, направление на цель грубо определяется по номеру парциального канала, выходной сигнал которого имеет наибольшую амплитуду. Для уточнения и устранения неоднозначности используются значения амплитуд соседних каналов (Теоретические основы радиолокации. Под ред. Я.Д.Ширмана. М.: «Сов. Радио», 1970) [1].
В Евразийском патенте №007143, заявка №200401555 от 23.12.2004 г. «Бистатическая радиолокационная станция», авторы Бляхман А.Б., Самарин А.В. [2], определение направления прихода отраженного эхо-сигнала осуществляется относительно приемной, удаленной от передающей, позиции следующим образом. На передающей позиции в качестве источника зондирующего сигнала используются генератор непрерывного квазигармонического сигнала и слабонаправленная антенна, облучающая одновременно весь сектор существования просветного эффекта, а на приемной позиции - антенна с многолучевой диаграммой направленности (ДН), охватывающей весь сектор существования просветного эффекта. Центральный луч ДН приемной антенны своим максимумом направлен на антенну передающей позиции, а два других луча отклонены от центрального луча, перекрывая зону просветного эффекта. В приемных каналах, на выходе каждого из соответствующих приемников, появляются доплеровские биения частоты сигнала, возникающие при движении воздушных объектов в просветной зоне между передатчиком и приемником. Измерение азимута объекта производится по соотношению амплитуд в разных приемных каналах. В блоке измерения направления прихода эхо-сигнала осуществляется сравнение амплитуд сигналов соответствующих доплеровских фильтров разных приемных каналов, определение канала с наибольшим сигналом и канала с сигналом, по величине следующим за максимальным. Грубое значение азимута определяется номером приемного канала с наибольшим сигналом. Уточнение азимута производится моноимпульсным методом в соответствии с пеленгационной характеристикой приемной антенны по соотношению амплитуд доплеровских сигналов с наибольшей амплитудой и с амплитудой наибольшего «соседа».
Этот способ достаточно хорошо работает при относительно небольших расстояниях между передающей и приемной позициями, а именно, для комплексов наземного или воздушного базирования. Достаточно хорошо способ работает и для комплексов наземно-космического базирования, например, описанного в патенте «Наземно-космический радиолокационный комплекс» №2324951, заявка №2006100610 от 10.01.2006 г., авторы Бляхман А.Б., Самарин А.В. [3], при расположении передающей позиции на орбите космического аппарата и наземном базировании приемной позиции. Однако при этом возникают проблемы при создании орбитального передающего комплекса большой энергоемкости, так как это связано с необходимостью создания и выведения на орбиту источника энергии большой мощности длительного использования, обладающего большим весом.
При размещении приемной позиции на геостационарной или высокоэллиптической орбите, а передающего комплекса на земле, точностные характеристики измеряемых параметров движения объекта при использовании этого способа резко ухудшаются. В этом случае измерение углового положения цели затруднено тем, что вся зона обнаружения просветного комплекса, находящаяся у Земли, имеет угловой размер порядка нескольких градусов, до (5-6)°. Результаты измерения угловой координаты удаленной приемной позицией, являются малоинформативными так как при этом даже при значительном перемещении цели в пределах зоны обнаружения, угловые координаты цели относительно приемной позиции космического базирования, меняются незначительно, что приводит в итоге к низкой точности определения координат цели. Для точного измерения угловой координаты необходимо формировать узкие лучи диаграммы направленности антенны, что требует значительного увеличения апертуры антенны.
Технический результат изобретения - достижение однозначного и точного определения угловых координат цели за счет измерения угловых координат цели относительно наземной позиции в бистатической РЛС «на просвет» наземно-космического базирования с размещением передающей позиции на земле, а приемной - на борту КА.
Суть предлагаемого способа заключается в следующем. Передающая наземная позиция формирует N парциальных лучей с разными частотами, причем частоты излучения в каждом парциальном луче отличаются друг от друга на величину больше максимальной величины доплеровской частоты отраженного от цели сигнала. На приемной позиции формируется один «широкий» луч. Прямые сигналы парциальных лучей и сигналы, отраженные от цели, на приемной позиции отфильтровываются каждый в свой канал в соответствии с частотой излучаемых парциальных лучей. Определяется доплеровская частота принятых сигналов, а затем моноимпульсным методом по соотношению амплитуд сигналов в приемных парциальных каналах на одной и той же приведенной доплеровской частоте в соответствии с пеленгационной характеристикой передающей антенны определяется направление прихода сигнала с передающей позиции на цель. Поскольку пролет целей ожидается ближе к наземной передающей позиции, то измерения угловой координаты относительно нее будут более информативными, чем эти же измерения относительно удаленной приемной позиции. Следовательно, и точность определения угловых координат целей будет выше.
Устройство для реализации предлагаемого радиолокационного способа определения углового положения объекта отличается от известных устройств аналогичного назначения. Известные устройства для определения углового положения объектов в разнесенной радиолокации с обнаружением «на просвет» не позволяют осуществить предлагаемый способ.
Наиболее близким аналогом предлагаемого устройства является бистатическая РЛС, представленная в Евразийском патенте №007143 по заявке №200401555 от 23.12.2004 г. Эта РЛС состоит из передающей и удаленной от нее приемной позиций. Передающая позиция включает передатчик непрерывного квазигармонического сигнала и слабонаправленную антенну, облучающую одновременно весь спектр существования просветного эффекта. Антенна приемной позиции - многолучевая, с многолучевой диаграммой направленности (ДН), охватывающая весь сектор существования просветного эффекта. Центральный луч ДН приемной антенны своим максимумом направлен на антенну передающей позиции, а другие лучи отклонены от центрального луча, перекрывая зону просветного эффекта. Приемная антенна принимает прямой и отраженный от цели сигналы, которые поступают на N приемных каналов, состоящих из последовательно соединенных приемника, устройства режекции прямого сигнала передатчика и пассивных помех и блока измерения частоты Доплера. Выходы всех блоков измерения частоты Доплера соединены с входами блока измерения пеленга.
Измерение угловых координат объекта производится в блоке измерения пеленга по соотношению амплитуд в разных приемных каналах. В блоке осуществляется сравнение амплитуд сигналов соответствующих доплеровских фильтров, расположенных в блоках измерения доплеровской частоты, разных приемных каналов, определение канала с наибольшим сигналом и канала с сигналом, по величине следующим за максимальным. Грубое значение координат определяется номером приемного канала с наибольшим сигналом. Уточнение производится моноимпульсным методом в соответствии с пеленгационной характеристикой приемной антенны по соотношению амплитуд сигналов с наибольшей амплитудой и с амплитудой наибольшего «соседа».
Недостатком устройства-прототипа, как и аналогов предлагаемого способа, является малоинформативность результатов измерения угловой координаты удаленной приемной позицией, так как при этом даже при значительном перемещении цели в пределах зоны обнаружения, угловые координаты цели относительно приемной позиции космического базирования, меняются незначительно, что приводит в итоге к низкой точности определения координат цели. Для точного измерения угловой координаты необходимо формировать узкие лучи диаграммы направленности антенны, что требует значительного увеличения апертуры антенны.
На фиг.1 представлена функциональная схема устройства, реализующего заявляемый способ, и приняты следующие обозначения:
1 - передатчик;
2 - антенна передающей позиции;
3 - антенна приемной позиции;
4 - высокочастотный полосовой фильтр;
5 - приемник;
6 - устройство режекции прямого сигнала передатчика и пассивных помех;
7 - блок измерения доплеровской частоты;
8 - блок определения пеленга.
На фиг.2 представлена функциональная схема прототипа предлагаемого устройства.
2
На фиг.3 представлены соотношения между амплитудами сигналов в трех каналах приемной позиции при расположении цели под углом α относительно нормали к апертуре передающей антенны. При выбранном направлении на цель максимум наблюдается в луче, работающем на частоте f. При известной форме парциального луча (пеленгационной характеристике передающей антенны) по соотношению амплитуд сигналов в парциальных каналах приемника определяется направление прихода сигнала с передающей позиции на цель.
Устройство, реализующее заявляемый способ, состоит из наземной передающей позиции, относительно которой происходят измерения, и приемной позиции, расположенной на космическом носителе. Передающая позиция содержит многочастотный передатчик 1 и передающую антенну 2, формирующую N парциальных луча, каждый со своей несущей частотой. На приемной позиции формируется один «широкий» луч, который должен перекрывать зону пространства, облучаемую всеми лучами передатчика. Приемная антенна 3 широкополосная, ее полоса соответствует всему диапазону несущих частот передатчика. На входе приемника 5 стоят полосовые фильтры 4, полоса которых соответствует частотам сигналов, излучаемых передатчиком 1. Количество приемных каналов приемного устройства равно количеству парциальных каналов передающей позиции. Каждый приемный канал состоит из последовательно соединенных приемника 5, устройства режекции прямого сигнала передатчика и пассивных помех 6 и блока определения доплеровской частоты 7, содержащего n доплеровских фильтров. Выходы доплеровских фильтров каждого канала соединены с входами блока определения пеленга 8, блока определения углового положения цели.
Передающая антенна осуществляет излучение зондирующего сигнала, являющегося суммой сигналов, имеющих разные несущие частоты и разные углы распространения. Это соответствует наличию N парциальных лучей передающей антенны, облучающих весь сектор существования просветного эффекта. Способы формирования многочастотных многолучевых радиолокационных сигналов представлены в [4]. Частоты излучения парциальных лучей должны отличаться на величину, большую максимальной величины доплеровского сдвига частоты сигнала, отраженного от цели.
Сформированный на удаленной приемной позиции один «широкий» луч принимает прямые и отраженные от цели сигналы парциальных лучей передатчика. Сложение обеих компонент сигнала, прямого и отраженного, происходит в пространстве. На вход приемных каналов поступает суммарное колебание. Принятые эхо-сигналы отфильтровываются, каждый в свой приемный канал, частоты которых соответствуют частотам парциальных лучей передатчика. В каждом приемном канале выделяются доплеровские биения частоты сигнала, возникающие при движении объектов в просветной зоне между передатчиком и приемником, частота которых определяется в блоках измерения частоты Доплера. В устройствах режекции прямого сигнала и пассивных помех осуществляется подавление прямого сигнала передатчика и пассивных помех.
Определение угловых координат цели происходит путем сравнения амплитуды сигналов от одной и той же цели в разных приемных каналах. Сигналы от одной и той же цели в разных приемных каналах имеют доплеровский сдвиг по частоте, равный согласно [5]:
,
зависящий от несущей частоты сигнала в приемном канале, ,
где
i
λ - длина волны сигнала в i-м приемном канале;
i
f - несущая частота сигнала в i-м приемном канале;
с - скорость света;
1
2
R, R - соответственно дальность от передающей позиции до цели и от цели до приемной позиции.
Для одной и той же цели в каждый момент времени в разных приемных каналах произведение доплеровской частоты на длину волны сигнала в этом канале будет одинаково. Поэтому угловые координаты цели определяются путем сравнения амплитуды сигналов в разных приемных каналах на одной и той же «приведенной» к какому-либо каналу доплеровской частоте. Например, «приведенная» к первому приемному каналу доплеровская частота
В блоке определения пеленга осуществляется сравнение амплитуд сигналов, имеющих одинаковую «приведенную» доплеровскую частоту в разных приемных каналах, определение каналов с наибольшим сигналом и сигналом, по амплитуде следующим за ним.
Реализация многочастотного передающего поста, т.е. одновременное излучение N сигналов с различными несущими частотами и в разных направлениях может быть осуществлено несколькими способами.
Наиболее простым из них является способ, при котором многочастотный сигнал формируется группой передатчиков с различными несущими частотами, одновременно работающих на общую (с разными облучателями) или отдельные антенны.
Также одновременное излучение сигналов с различными несущими частотами может быть обеспечено при использовании в передающем устройстве в качестве задающего генератора многочастотного автогенератора.
В качестве передающей антенны с парциальными лучами можно использовать фазированную антенную решетку, каждый элемент которой излучает сигнал одновременно на частотах всех парциальных лучей. При этом для каждого луча будет свое амплитудно-фазовое распределение поля по элементам решетки.
Источники информации
1 Теоретические основы радиолокации. Под ред. Я.Д.Ширмана. М.: «Сов. Радио», 1970.
2. Бляхман А.Б., Самарин А.В. Бистатическая РЛС. Заявка №200401555 с приоритетом от 23.12.2004 г. Евразийский патент №007143.
3. Бляхман А.Б., Самарин А.В. Наземно-космичекий радиолокационный комплекс. Заявка на изобретение №2006100610/09 с приоритетом от 10.01.2006. Патент РФ №2324951.
4. Многочастотная радиолокация. Вишин Г.М. М. Военное изд. МО СССР, 1973.
5. Черняк B.C. Многопозиционная радиолокация. - М.: Радио и связь, 1993.