НАЗЕМНО-КОСМИЧЕСКАЯ РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СИСТЕМА

Полезная модель относится к области радиолокации, конкретно к системам разнесенной радиолокации.
Известна наземно-космическая радиолокационная система (патент №36147, 2003), содержащая передатчик космического базирования и разнесенные приемные устройства, которые соединены с центральной станцией обработки через космическую линию связи. Разнесенные приемные устройства содержат последовательно соединенные антенну, цифровой радиоприемник и блок передачи радиолокационной информации.
Недостатком известного решения является ее техническая сложность, и низкая надежность, обусловленная наличием специальной системы связи (космической или ретрансляционной) между приемными устройствами и центральной станцией, а также сложность приемных устройств, каждое из которых содержит вычислитель и должно определять дальность до цели и направление на нее одновременно. Эти приемные устройства фактически являются отдельными радиолокаторами, работающими по сигналу радиоподсвета от спутника. Наличие вычислительных устройств на каждом приемном устройстве понижает надежность системы в целом.
В основу полезной модели положено объединение сети простейших радиолокационных приемников с сетью приемо-передающих устройств сотовой связи.
Технический результат предложенного решения заключается в упрощении радиолокационной системы при одновременном повышении надежности и точности определения местоположения цели.
Указанный технический результат достигается тем, что наземно-космическая радиолокационная система содержит передатчик космического или воздушного базирования и разнесенные радиолокационные приемные устройства. Разнесенные радиолокационные приемные устройства устанавливаются на тех же вышках, на которых установлены приемопередающие устройства сотовой связи и соединены через канал сотовой связи с узловыми станциями сотовой связи, каждая из которых содержит узловой вычислитель координат цели, соединенный по каналу сотовой связи с центральной станцией сотовой связи, на которой размещен центральный вычислитель координат цели, выход которого подключен к центру управления наземно-космической системой, который через станцию управления спутником подключен к передатчику космического или воздушного базирования.
Радиолокационное приемное устройство содержит две антенны, одна из которых предназначена для приема прямого сигнала передатчика космического или воздушного базирования, и другая - для приема сигнала отраженного от цели, соединенные соответственно с цифровыми радиоприемниками для приема прямого и отраженного сигналов, которые соединены с измерителем параметров сигнала, отраженного от цели относительно параметров сигнала прямого.
Это позволяет решить одновременно две задачи: во-первых, с помощью минимум трех ненаправленных приемников дистанционно точно определить координаты цели в треугольнике вышек сотовой связи, а во-вторых, снять проблему создания специальной системы космической связи между радиолокационными приемниками и центральной станцией за счет использования каналов этой же сотовой сети связи. При этом передатчики располагаются на одном или нескольких космических аппаратах или воздушных летно-подъемных средствах (аэростатах, дирижаблях и др.). Передатчик работает в нескольких диапазонах электромагнитных волн.
На фиг.1 представлена функциональная схема наземно-космической радиолокационной системы
На фиг.2 - представлена схема взаимного размещения приемников на вышках сотовой связи и радиолокационной цели
На фиг.3 - представлены линии положения цели относительно трех приемников на вышках сотовой связи
На фиг.4 - представлено размещение цели между зонами действия соседних узловых станций сотовой связи.
Наземно-космическая радиолокационная система содержит передатчик 1 космического или воздушного базирования, разнесенные радиолокационные приемные устройства 2, размещенные на вышках сотовой связи и соединенные через канал сотовой связи 3 с узловыми станциями сотовой связи 4 и 5, каждый из которых содержит узловой вычислитель 6 координат цели, соединенный по каналу сотовой связи с центральной станцией сотовой связи 7, на которой размещается центральный вычислитель 8 координат цели. Выход вычислителя 8 подключен к центру управления наземно-космической системой 9, который через станцию управления спутником 10 подключен к передатчику 1. Разнесенные радиолокационные приемные устройства 2 содержат две антенны: одна для приема прямого сигнала передатчика космического или воздушного базирования, и другая - для приема сигнала отраженного от цели, которые соединены соответственно с цифровыми радиоприемниками для приема прямого и отраженного сигналов, которые соединены с измерителем параметров сигнала, отраженного от цели (времени запаздывания и доплеровского смещения частоты) относительно параметров сигнала прямого. Измерители параметров сигнала соединены через сотовые каналы связи 3 с соответствующими узловыми вычислителями 6 узловых станций 4 и 5. Передатчик 1 оснащен передающим устройством 11, работающим в разных диапазонах, а также несколькими антеннами 12 для генерирования зондирующих сигналов.
Система работает следующим образом.
Передатчик 1 генерирует зондирующие сигналы (импульсные или сложные фазоманипулированные), облучающие заданную область околоземного воздушного пространства Земли. Эти сигналы напрямую принимаются на антенны прямого сигнала радиолокационных приемных устройств 2, размещенных на вышках сотовой связи (фиг.2) под номерами 4.1, 4.2 и 4.3 (или 5.1, 5.2 и 5.3 соответственно).
Сигналы передатчика, отраженные от цели, принимаются на антенны отраженного сигнала этих же приемных устройств 2, размещенных на соответствующих вышках 4.1, 4.2 и 4.3 (или 5.1, 5.2 и 5.3 соответственно). Далее в каждом приемном устройстве измеряется разность Δt времени прихода прямого сигнала и сигнала, отраженного от цели:
где С - скорость распространения радиоволн;
Ц
R - расстояние между космическим передатчиком и целью;
0
R - расстояние между приемным устройством (вышкой) и передатчиком космического базирования;
R - расстояние между целью и приемным устройством (вышкой).
Информация о разности времени прихода передается по сотовому каналу 3, имеющемуся на каждой вышке, на узловой вычислитель 6 узловой станции 4 или 5, где формируется и решается система трех квадратных уравнений относительно искомых координат цели:
где
C
C
C
X, Y, Z - текущие координаты передатчика космического или воздушного базирования (эфемериды);
i
i
i
X, Y, Z - координаты соответствующих вышек с приемными устройствами;
Ц
Ц
Ц
Х, Y, Z - искомые текущие координаты цели.
Ц
i
Ц
0i
Система уравнений (2) трудно обозрима и поэтому для пояснения принципа определения координат цели упростим ее. Положим, что цель низковысотная (Z=Z), высота передатчика космического базирования существенно больше высоты цели и он находится над головой, т.е. R=R
В этом случае система уравнений (2) приобретает вид:
Ц
Ц
Эта система представляет собой систему уравнений окружностей с центрами в точках размещения вышек и пересекающихся в точке размещения цели с координатами Х, Y (фиг.3)
Важно отметить, что система (3) избыточна, поэтому можно оставить любую пару уравнений, если есть дополнительная грубая информация о районе движения цели. Вместе с тем, любое избыточное измерение повышает точность определения координат.
i
Таким образом, измеряя лишь разность хода прямого и отраженного от цели сигнала Δt, можно весьма точно определить координаты цели в системе вышек сотовой связи
Что касается доплеровского сдвига, то при тех же условиях получаем систему уравнений:
gi
0
F=fi/C,
gi
где F - измеряемая в приемном устройстве 2 на каждой вышке разность доплеровских сдвигов прямого и отраженного сигналов,
0
f - несущая частота излучения передатчика,
Ri - радиальная скорость цели относительно каждой из трех вышек.
Ц
Ц
Ц
В системе уравнений (3) имеется три неизвестных координаты цели: Х, Y, Z. Поэтому количество измеряемых значений Δt должно быть как минимум три относительно трех вышек. При больших размерах цели, и соответственно, высоком уровне отраженного сигнала могут приниматься сигналы не только на ближайших вышках, но и на удаленных. Общее количество принимающих вышек возрастает вышек. Это повышает точность определения координат цели.
Результаты измерения доплеровского сдвига из приемных устройств 2 передаются по каналу 3 в узловой вычислитель 6.
Ц
Ц
gi
По результатам вычисления координат цели (Х, Y) и принятой информации о доплеровских сдвигах F в вычислителе 6 определяется текущий вектор скорости цели. Эта информация через центральную станцию сотовой связи напрямую передается в центр управления 9, где формируются сигналы управления передатчиком 1 и передаются через станцию управления спутником 10.
Ц
Ц
45
46
52
53
45
46
44
41
4
52
53
51
5
Возможна ситуация, когда цель пролетает между вышками, относящимися к разным узловым сотовым станциям и в рамках одной узловой станции определение координат цели затруднительно. Эта ситуация поясняется фиг.4, где флажками 4 и 5 обозначены две узловые станции, двойной нумерацией 4.1-4.6 и 5.1-5.6 - их вышки сотовой связи. Если цель Ц (Х, Y) находится между зонами двух узловых станций, как показано на фиг.4, то наиболее сильный отраженный сигнал будет для минимальных дальностей: R и R в системе вышек станции 4 и R и R в системе вышек станции 5. При таком составе измерений их лучше объединить в систему четырех уравнений в вычислителе 8 на центральной станции. В этом случае неполная информация с обеих соседних узловых станций передается в вычислитель 8 центральной станции сотовой связи 7, на которой решаются те же уравнения (2) (3) и (4) для соответствующих номеров вышек. Вычисленные текущие координаты цели и значение вектора скорости с вычислителей 6 и 8 по сотовому каналу передаются в центр управления системой 9, где отождествляются сигналы от воздушных целей и вырабатываются сигналы управления режимами работы передатчика 1 космического или воздушного базирования. При высоком уровне сигнала в нормальном режиме работают все вычислители 6 и 8, что повышает точность и надежность определения координат цели. Действительно, при хорошем сигнале в системе станции 4 возможны измерения расстояний до 5 станций: R, R, R, R и R, а в системе станции 5 - тоже 5 станций: R, R, R и R. Обработка избыточного количества измерений относительно 10 вышек позволяет повысить точность определения координат цели в 1,5-2 раза.
При обнаружении малоразмерной цели по команде станции управления спутником 10 передатчик переходит либо в режим высокопотенциального сопровождения цели при зауженной диаграмме направленности, либо переходит на другую несущую частоту в другом диапазоне волн. При этом по команде с передатчика все наземные приемники также переходят на другую несущую частоту.
В качестве носителей передатчиков зондирующего сигнала возможно использование геостационарных спутников, среднеорбитальных (типа «Глонасс»), а также низкоорбитальных спутников. Кроме того, возможно использование летно-подъемных средств типа аэростатов, дирижаблей и др.
В качестве сотовых систем возможно использование всех существующих систем: Мегафон, Билайн, МТС.
При существующих типах радионавигационных зондирующих сигналов, как импульсных, так и непрерывных сверхширокополосных ожидаемая погрешность определения координат в данной системе составляет 10-15 м., а по скорости - не более 5 см/с.
Предлагаемая система проще известной и обладает более высокой надежностью по двум причинам:
- приемники, размещенные на вышках проще и надежнее т.к. не содержат вычислителей;
- система связи не содержит специальных элементов систем космической связи или систем ретрансляции (специальных антенных систем и специальных передатчиков);
Кроме того, предлагаемая система обладает более высокой точностью определения координат цели при одинаковой с прототипом точности единичных измерений, т.к. при избыточном числе измерений расстояний до большего числа вышек (до 10) ошибка определения координат цели в результате совместной обработки всех измерений снижается в 1,5-2 раза.