СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ БОРТОВОЙ ПАССИВНОЙ СИСТЕМОЙ НАБЛЮДЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ДВИЖУЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА И ДАЛЬНОСТИ ДО НЕГО
METHOD OF MEASURING OBJECT MOTION AND RANGE THERETO WITH ONBOARD PASSIVE SURVEYING SYSTEM

Изобретение относится к пассивным бортовым системам наблюдения за движущимися объектами на поверхности. Такие системы принимают сигналы излучения в различных диапазонах частот: радиолокационном (радиолокационные станции - РЛС и тепловые РЛС - РТЛС), инфракрасном (сканеры), оптическом (матричные видеодатчики и видеокамеры).
При слежении за движущимися объектами на поверхности с помощью бортовых РТЛС или видеодатчиков возникает задача измерения пространственных перемещений контролируемого объекта на поверхности и дальности до него. Решение этой задачи актуально в связи с созданием пассивных систем сопровождения объектов с построением траекторий их движения.
Известен интерферометрический способ измерения угловой скорости одиночного воздушного объекта с помощью РТЛС [1, с.163-164], который может быть использован также для измерения перемещений объекта при выполнении следующих условий:
- известна дальность до объекта;
- наблюдается одиночный воздушный объект;
- на промежутке времени наблюдения дальность до объекта не меняется;
- объект проходит лепесток интерферометрической диаграммы направленности в известной плоскости.
Следовательно, для измерения перемещений объекта на поверхности в произвольном направлении при заранее не известной дальности такой способ не применим.
1
µ
1
µ
Наиболее близким по технической сущности является способ наблюдения за поверхностью и объектами на поверхности [2] на базе бортовой РЛС, применимый также для бортовых РТЛС, который основан на формировании матрицы A(i, j) двумерного амплитудного изображения поверхности в зоне обзора в i, j-x элементах дискретизации угла места и азимута в известном сечении (диапазоне) дальности с повышенным разрешением по угловым координатам. Способ позволяет в последовательности моментов времени наблюдения t, …, t формировать последовательность матриц A(i, j), …, A(i, j) изображения поверхности, в составе которых находится изображение объекта, подлежащего сопровождению. Однако применительно к пассивным системах наблюдения (тепловым и оптическим) такой способ обладает недостатком - он не позволяет измерить дальность до движущегося объекта на поверхности в этих системах и соответственно не дает возможность измерить пространственные перемещения объектов, что значительно затрудняет решение задачи сопровождения объектов.
Технический результат направлен на измерение пространственных перемещений объекта на поверхности и дальности до объекта.
1
µ
1
µ
k
k
k
k
k
Технический результат предлагаемого технического решения достигается тем, что способ измерения перемещений и дальности до движущегося объекта на поверхности бортовой пассивной системой наблюдения заключается в формировании в последовательности моментов времени наблюдения t, …, t матриц A(i, j), …, A(i, j) двумерного амплитудного изображения поверхности в i, j-x элементах дискретизации угла места и азимута, (где i, j - номер элемента матрицы, µ - число наблюдений), отличающийся тем, что в каждый момент наблюдения t(k=1, 2, …, µ) выделяют в матрице A(i, j) изображение объекта, определяют угловые координаты точки его центра С: угол места θ и азимут φ и находят единичный вектор
k
k
k
k
k
k
указывающий направление из точки О центра системы наблюдателя в точку М положения объекта на поверхности в момент t, затем с помощью навигационной системы измеряют высоту наблюдателя h над уровнем поверхности и определяют единичный вектор нормали к поверхности , делят высоту на модуль скалярного произведения векторов  и  тем самым вычисляют дальность R до объекта в момент t:
2
k-1
k
k
далее, начиная с момента t, определяют вектор  перемещения наблюдателя на промежутке [t, t], пересчитывают координаты вектора  на момент t с использованием данных навигационной системы о повороте осей и параллельном переносе системы координат наблюдателя и находят по правилу сложения векторов вектор
k-1
k
k
перемещения наблюдаемого объекта на промежутке [t, t], затем, если длина найденного вектора перемещения  превышает заданную величину, дальность до объекта R вычисляют вторым способом из условия перпендикулярности векторов  и  по формуле
k
k
k-1
k
а если  меньше заданной величины (близка к нулю), то дальность R вычисляют по теореме синусов для треугольника МОО, построенного на векторах , , , по формуле
µ
1
2
µ
µ
где  при этом найденные дальности усредняют и в конечный момент времени t последовательно для k=1, 2, …, µ восстанавливают все точки М, М, …, М перемещения объекта на поверхности в системе координат наблюдателя на момент времени t и строят по найденным точкам пространственную траекторию движения объекта, необходимую для его дальнейшего сопровождения.
Алгоритмически способ осуществляется следующим образом.
1
µ
1
µ
1. Последовательно в дискретные моменты времени наблюдения t, …, t формируются матрицы амплитудного изображения поверхности A(i, j), …, A(i, j) в i, j-x элементах дискретизации угла места и азимута с повышенным разрешением по угловым координатам.
k
2. В каждый момент времени наблюдения t (k=1, 2, …, µ) выполняются следующие операции.
k
k
k
k
k
k
k
k
2.1. В текущей матрице A(i, j) выделяется изображение объекта и определяются угловые координаты точки его центра С: азимут φ и угол места θ, отсчитываемые соответственно на осях Ox и Oy прямоугольной системы координат наблюдателя
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
Oxyz. Причем линия визирования пассивной системы в момент t направлена по оси Oz, угол места θ отсчитывается от плоскости Oxz, а азимут φ - от оси Oz в плоскости Oxz.
k
k
k
k
k
k
2.2. На основе угловых координат θ, φ центра C изображения объекта находится единичный вектор  в системе координат наблюдателя, указывающий направление из точки O центра этой системы в точку М положения объекта на поверхности в момент t по формуле
k
2.3. С помощью навигационной системы измеряется высота наблюдателя h над уровнем поверхности и определяется единичный вектор нормали к поверхности .
k
k
k
k
k
2.4. Из прямоугольного треугольника , где  - проекция точки O на поверхность и , находится дальность R=OM до объекта в момент t с помощью модуля скалярного произведения векторов  и  (косинуса угла между этими векторами) по формуле
k
2
3. Для моментов времени наблюдения t (k=2, 3, …, µ), начиная с t, выполняются следующие операции.
k
k
k
k
k-1
k
k
k
k
k
3.1. На основе данных навигационной системы об углах поворота осей α, β, γ и приращениях параллельного переноса Δx, Δу, Δz в системе O, x, y, z составляется вектор  перемещения наблюдателя на промежутке  и пересчитываются координаты вектора  найденного по формуле (1) в момент t, в систему O, x, y, z на момент времени t по формуле (3). Получается вектор  который далее обозначается
3.2. Находится вектор  перемещения наблюдаемого объекта на промежутке
k-1
k
[t, t] по правилу сложения векторов
k-1
k
Признаком перемещения объекта на поверхности на промежутке времени [t, t] является ненулевая длина вектора  или с учетом ошибок измерения - длина вектора, превышающая некоторое пороговое значение.
k
3.3. Если длина найденного вектора перемещения  превышает заданную величину, то дальность до объекта R вычисляется вторым способом из условия перпендикулярности векторов  и  (равенства нулю их скалярного произведения) по формуле
k-1
k
Из (5) следует, что чем больше вектор перемещения наблюдателя , имеющий аддитивную погрешность, тем меньше влияние мультипликативных ошибок измерения R на точность измерения R.
3.4. Если длина  меньше заданной величины (близка к нулю), то дальность
k
k
k-1
k
R вычисляется вторым способом по теореме синусов для треугольника МOO с внутренними углами α, β, γ (γ=π-α-β), построенного на векторах , ,
k
Из (6) следует, что с уменьшением угла α между векторами  и  возрастают ошибки измерения R. Следовательно, как и в (5), наблюдение в (6) целесообразно проводить при больших перемещениях  носителя пассивной системы.
3.5. Найденные дальности (2), (5) и (2), (6) для уменьшения влияния ошибок навигационной системы усредняются.
µ
1
1
1
2
µ
µ
µ
µ
µ
µ
4. В конечный момент времени t на основе известных координат начальной точки М, радиусом-вектором которой на момент t был вектор  и на основе запомненных преобразований координат последовательно для k=1, 2, …, µ восстанавливаются все точки M, M, …, M перемещения объекта на поверхности в системе координат наблюдателя Оxyz, на момент времени t.
1
2
µ
k
µ
5. По найденным точкам М, М, …, М строится траектория движения объекта, необходимая для его дальнейшего автосопровождения и экстраполяции координат на моменты времени t>t.
1
2
1
2
На чертеже показаны векторы перемещения наблюдателя  и объекта на поверхности  а также векторы  направленные в точки М, М его положения на поверхности в моменты времени t, t.
Предложенный способ позволяет измерять пространственные перемещения объекта на поверхности с измерением дальности до него. Это дает возможность на базе пассивных радиолокационных, тепловых и оптических систем слежения за объектами строить пространственную траекторию движения объекта наблюдения, необходимую для его дальнейшего автосопровождения.
Список литературы
1. Николаев А.Г., Перцов С.В. Радиотеплолокация. М.: Сов. радио, 1964. 335 с.
2. Патент RU 2292060 С1. Способ наблюдения за воздушными объектами и поверхностью на базе бортовой РЛС. / В.К.Клочко. МПК: G01S 13/02. Приоритет 28.06.2005. Опубл. 20.01.2007. Бюл. №2.