УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Устройство для определения координат летательного аппарата
Полезная модель относится к радиотехнике, а именно к методам и системам пассивной радиолокации, и может быть использована для определения местоположения в трехмерном пространстве источника радиоизлучения (ИРИ) за счет приема и последующей обработки электромагнитных волн, порожденных этим ИРИ.
Полезная модель используется для решения технической задачи, состоящей в определении координат летательного аппарата на этапе его захода на посадку в целях наблюдения за ним и контроля его движения наземными службами, а также в целях его навигационного сопровождения. Достигаемый технический результат состоит в повышении точности оценки координат подвижного объекта, оснащенного источником радиоизлучения.
Бортовые радиотехнические средства летательных аппаратов (ЛА) при выполнении задач создают активные электромагнитные поля искусственного происхождения в диапазоне частот от 1 МГц до 40 ГГц. Кроме активных полей ЛА создают собственные электромагнитные излучения. Данный спектр излучения может быть использован для решения задачи обнаружения, пеленгации и определения координат ЛА.
Высокий уровень требований по безопасности полетов и значительная загрузка инфраструктуры существующих аэропортов определяет потребность в системах, позволяющих определять с высокой точностью координаты ЛА при его заходе на посадку. Основные классы систем поддержки посадки, такие как курсоглиссадные системы (КГС), разработанные в середине XX века, функционируют по сравнительно простым принципам, что определило их широкое распространение и ведущее положение [1].
Такие системы состоят из двух размещенных на земле передающих систем: курсового и глиссадного маяков. Маяки работают по схожим принципам - их антенные системы формируют два узких луча, смещенных в разные стороны относительно установленного направления посадки воздушного судна. В каждом луче передается пространственно-модулированный сигнал; после детектирования сигналов бортовым 2
приемником по разности глубины модуляции определяется текущее отклонение воздушного судна от установленного направления.
При построении многопозиционного пассивного радара используется разностно-дальномерный метод, основанный на измерении разности хода сигнала от цели до приемных антенн радара. Этот метод позволяет работать по импульсным и непрерывным сигналам, в том числе по шумовым и шумоподобным.
Принципиальные особенности метода заключаются в синхронном способе приема сигналов от излучающего источника на разнесенных антеннах. Высокая точность определения координат ЛА обеспечивается за счет корреляционной обработки сигналов, при которой вид принятого сигнала не имеет значения. Определение координат источника осуществляется по разности прихода сигналов на каждую из позиций, а сама разность прихода сигнала к одной позиции относительно другой определяется из положения максимума взаимно-корреляционной функции сигналов от этих позиций.
Наиболее близким техническим решением, отвечающим требованиям пассивного обнаружения и пеленгации, является устройство, описанное в статье «Одноэтапное оценивание местоположения источника радиоизлучения пассивной системой, состоящей из узкобазовых подсистем» (ж. Радиотехника и электроника, том 49, №2, 2004 г., стр. 156-170) - прототип.
Данная система содержит N приемных антенн, первый и второй аналого-цифровой преобразователь (АЦП), спецвычислитель и необходимую периферию для обеспечения его работы.
Цель полезной модели - повышение точности оценки вектора координат, описывающего местоположение источника радиоизлучения.
Результат достигается централизованной обработкой сигналов, полученных в результате приема электромагнитных колебаний в точках, размещение которых в пространстве определяется оптимальной группировкой слабонаправленных антенных элементов внутри структурных блоков, реализованных отдельными техническими средствами распределенного комплекса.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство для определения координат летательного аппарата, содержащее N приемных антенн, первый и второй аналого-цифровой преобразователи и вычислитель, отличающаяся тем, что в него дополнительно введены малошумящий усилитель, N входов которого соединены с N приемными антеннами, первый и второй многоканальные синхронные квадратурные приемники, входы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами малошумящего усилителя, а выходы - с первыми входами первого и второго аналого-цифровых преобразователей, первый и второй каналы обработки информации, первые входы которых соединены с выходами аналого-3
цифровых преобразователей, а выходы подключены к вычислителю, управляющий контроллер, подключенный к входу вычислителя, первый выход которого подключен к второму входу первого многоканального синхронного квадратурного приемника, к второму входу первого аналого-цифрового преобразователя и к второму входу первого канала обработки информации, а второй выход - к второму входу второго многоканального синхронного квадратурного приемника, к второму входу второго аналого-цифрового преобразователя и к второму входу второго канала обработки информации.
Сравнение с прототипом показывает, что заявляемая система отличается наличием новых блоков и их связями между ними. Таким образом, заявляемая система соответствует критерию «новизна».
Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что перечисленные элементы, используемые в блоках, являются известными, однако их введение в указанной связи с остальными элементами приводит к расширению функциональных возможностей устройства.
Это подтверждает соответствие технического решения критерию «существенные отличия».
На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства, а на фиг. 2 - раскрыт канал обработки информации.
Устройство включает: приемные антенны 1, малошумящий усилитель (МШУ) 2, многоканальный синхронный квадратурный приемник (МСКП) 3, 4; аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5, 6; управляющий контролер 9, вычислитель 10, канал обработки информации 7, 8, включающий фильтры 11, обнаружитель 12, пеленгатор 13, выходной формирователь 14.
Система работает следующим образом.
Результат решаемой задачи достигается способом централизованной обработки сигналов, полученных в результате приема электромагнитных колебаний в точках, размещение которых в пространстве определяется оптимальной группировкой слабонаправленных антенных элементов внутри структурных блоков, реализованных отдельными техническими средствами распределенного пассивного радиолокационного комплекса.
Источник радиоизлучения (ИРИ) порождает электромагнитный сигнал, для описания которого используется модель гауссовского радиосигнала:
где K - число учитываемых составляющих,
0
ƒ - несущая частота,
k
ƒ - частоты учитываемых составляющих в спектре комплексной огибающей,
a
k
k
и b - коэффициенты, являющиеся гауссовскими взаимно-независимыми случайными величинами.
4
Такой сигнал соответствует случаю стохастической модели, применение которой обеспечивает работу системы в условиях наименьшей доступной априорной информации.
Узкобазовая подсистема (УП) представляет собой технически единую приемную станцию, реализующую многоканальный прием в отдельных точках приема (ТП), размещение которых в структуре антенной системы УП удовлетворяет двум условиям:
1. Расстояние между ТП намного меньше расстояния между УП и ИРИ. Данное условие обеспечивает плоский фронт волны.
0
0
2. Расстояние между ТП не превышает половины длины волны λ0=с/ƒ, соответствующей несущей, или центральной частоте принимаемого радиосигнала ƒ, а под с понимается скорость распространения сигнала от ИРИ до УП, равная скорости света.
Структурная схема станции, реализующей УП, представлена на фиг. 1. УП состоит из антенно-фидерной системы (АФС) 1, блока малошумящих усилителей (МШУ) 2, многоканального синхронного квадратурного приемника (МСКП) 3, 4, блока аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 5, 6, первого и второго каналов обработки информации 7, 8, управляющего контроллера 9 и вычислителя 10, выход которого является выходом устройства для определения координат летательного аппарата. Блок МШУ осуществляет предварительное усиление сигналов до его передачи на вход МСКП. Блоки МСКП, АЦП являются программно-управляемыми, режим работы которых задается управляющими сигналами ЦЭВМ. При приеме электромагнитные колебания превращаются в аналоговый электрический радиосигнал, который поступает на вход МШУ, с выхода которого радиосигнал поступает на вход МСКП. В результате синхронного детектирования на выходе МСКП формируется аналоговый видеосигнал, поступающий в форме пар квадратур на вход АЦП, на выходе которого формируется цифровой сигнал в форме отсчетов.
Отличительными характеристиками МСКП являются центральная частота, перестраиваемая в широких пределах: от 20 МГц до 3 ГГц, и широкая полоса частот демодулируемого сигнала, составляющая величину до 60 МГц, что определяет сигнал как широкополосный в верхней части диапазона центральной частоты, и как сверхширокополосный в его нижней части. Для достижения требуемого качества приема независимое цифровое управление усилением каждого канала осуществляется с шагом 0,5 дБ, а синхронизация каждой пары каналов квадратурного приемника должна обеспечивать фазовое различие точность квадратур не более 2 градусов по абсолютной величине. Для получения технического результата применяется многоканальный 16-разрядный многоканальный АЦП с перестраиваемой частотой дискретизации, при этом максимальная частота составляет 100 МГц, что с учетом защитных интервалов согласуется с максимальной полосой принимаемого радиосигнала. Синхронность взятия отсчетов в различных каналах АЦП должна обеспечивать рассогласование моментов времени не более 0,05 от используемого периода дискретизации.
5
Вычислитель 10 реализуется на основе высокопроизводительной многопроцессорной рабочей станции, оснащенной не менее чем двумя многоядерным универсальным процессорами класса Intel Xeon с рабочей частотой не менее 1,8 ГГц, и оперативным запоминающих устройством (ОЗУ), объемом не менее 8 ГБ. ЦЭВМ в структуре осуществляет функции управления работой УП за счет задания функциональных режимов отдельных блоков. Кроме этого ЦЭВМ выполняет предварительную цифровую обработку принятых сигналов, а также их компрессию.
Антенная система УП размещается на вертикальной мачте, высота которой составляет от 1,5 до 18 м. В верхней части мачты, на протяжении участка длины L, размещаются от одной до девяти кольцевых антенных подрешеток (КАПР). Минимальное расстояние между планарными КАПР составляет 0,5 м, что обуславливается технологическими особенностями крепления, а максимальное ограничено протяженностью рабочего участка мачты L.
Структурная организация распределенной приемной системы пассивного радиолокационного комплекса позволяет сформировать на приеме необходимое пространственное распределение электромагнитного поля сигнала, излученного ИРИ.
T
Пусть ИРИ расположен в точке пространства, координаты которой заданы вектором r=(X,Y,Z). Тогда сигнал, принятый m-ой ТП, состоящей в структуре УП представляет собой сумму задержанного и взвешенного полезного сигнала и аддитивного шума:
a
n
где  - амплитуда сигнала на входах ТП УП;
nm
n
n
nm
τ=τ+χ+ζ;  - время прохождения сигнала от ИРИ до условного фазового центра (УФЦ) УП;
- координаты УФЦ УП;
n
χ - ошибка привязки сигнала по времени;
nm
- время прохождения сигнала от УФЦ до ТП (от ТП до УФЦ, если ζ<0);
- координаты m-й ТП УП;
n
n
α, β - азимут и угол места луча, направленного из УП на ИРИ;
с - скорость распространения сигнала.
Отличительное условие, обеспечивающее эффективное использование данной модели, состоит в том, что время наблюдения сигнала на каждой позиции должно быть выбрано много больше времен корреляции и сигнала и помехи. Цифровые сигналы, принятые отдельными ТП, рассматриваются совместно и формируют многомерный цифровой сигнал.
Оценка координат производится с использованием комбинированного угломерного и разностно-дальномерного способа оценивания, при котором вся распределенная система рассматривается как комбинированная 6
пассивная система (КПС), сочетающую в себе общие черты широкобазовой пассивной системы (ШбПС) и пассивной системы, состоящей из узкобазовых подсистем (ПСУП). В основе метода оценивания такой системы лежит способ вычисления оценки разности прихода сигналов на основе корреляционного приема по методу максимального правдоподобия, который для двух точек приема представлен в зарубежной работе [2].
Угловые координаты ЛА по азимуту и углу места относительно точки центра масс носителя, определяются фазоразностным пеленгатором.
Дальность до ЛА определяется вычислительными методами по известным пеленгам и закону перемещения центра масс в относительной системе координат.
Функционально устройство состоит из пеленгатора 13 с цифровой антенной решеткой 1, обнаружителя 12 частотно-временных признаков целей (классификатора целей), выходных формирователей 14 матриц координат целей и вычислителей 9, 10, в которых функционируют алгоритмы экстраполяции траекторий ЛА, управляющие алгоритмы устройства и сетевые алгоритмы обмена данными и управления с радиотехнического комплекса.
Пеленгатор 13 с цифровой антенной решеткой 1 состоит из фиксированной антенной решетки (приемные антенны 20…18000 МГц), размещенной на пространственно разнесенной точке приема.
Каждая из антенн подключена к входу МШУ 2, который обеспечивает согласование импедансов антенного элемента и соединительного кабеля. Каждый выход МШУ 2 подключен к своему приемному тракту, который образован одним из каналов многоканального синхронного квадратурного приемника (МСКП) 3, 4 и аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 5, 6. Таким образом, сформирован индивидуальный цифровой канал отсчетов сигнала с одного элемента решетки.
АЦП 5, 6 сигнала одновременно выполняет выборку сигнала по множеству каналов. Размер этого множества определяется числом элементов антенной решетки 1. Например, в зависимости от требований точности определения координат можно выбрать 16, 26 или 32 канала. Так, для решетки из 16 элементов потенциальная точность устройства составляет около 6 угловых минут. При увеличении числа элементов точность возрастает.
Когерентная обработка сигнала выполняется в фильтрах 11, обнаружителе 12 и пеленгаторе 13 канала обработки информации 7, 8.
В силу необходимости обеспечения стабильности амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) тракта пеленгации, в нем предусмотрены меры по измерению АЧХ перед снятием отсчетов сигнала в полосе рабочих частот. Периодичность контроля АЧХ связана со стабильностью электрических параметров канала и управляется по алгоритму контроля реперных (известных источников сигнала) в процессе работы от контроллера 9.
7
Пеленгатор 13 обеспечивает определение угловых координат ЛА (источников радиоизлучения - ИРИ) по фазовому портрету пришедшего сигнала. Пеленгатором определяются углы прихода сигналов на антенную решетку с разных направлений на одной частоте и полосе частот. Число направлений задается требуемой точностью определения угловых координат. Для точности в 6 минут мгновенная матрица углов имеет размерность 3600 элементов. Время получения пеленга (квант времени решения задачи) зависит от быстродействия вычислителя на сигнальном процессоре 10.
Обработка информации осуществляется в вычислителе 10.
Предварительно заполняется матрица (азимут-угол места) по частотному диапазону, которая является неполной, без координаты дальности, которая получается расчетным способом по тригонометрическим уравнениям полета ЛА. Эта координата расчетная и она дополняет базу координат ИРИ до логического уровня.
Динамика работы.
Многоканальный синхронный квадратурный приемник (МСКП) 3, 4 работает в режиме пеленгации ЛА на одной частоте с одной из имеющихся полос.
С определенным темпом перестройки МСКП 3, 4 по диапазону осуществляется наблюдение (локация) ИРИ и автоматическое определение их координат, с привязкой к моменту времени обнаружения.
Привязка по времени выполняется для разностно-дальномерного способа уточнения координат и решения специальных алгоритмов синтеза пространственно- временного разноса.
Таким образом, рассматриваемое устройство определения координат источников радиоизлучения повышает точность их определения.
Список литературы
1. Авиационная радионавигация. Справочник под ред. Сосновского 2. Knapp С.Н., Carter G.C., The Generalized Correlation Method for Estimation of Time Delay // IEEE Transactions on Acoustic, Speech and Signal Processing, 1976, vol. 24, no. 4, pp. 320-327.