РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СИСТЕМА С ПРОГНОЗОМ ПРОПАДАНИЯ ЦЕЛЕЙ В ЗОНАХ ДОПЛЕРОВСКОЙ РЕЗЕКЦИИ
RADAR SYSTEM WITH PREDICTION OF MISSING TARGETS IN DOPPLER RESECTION ZONES

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для радиолокационного сопровождения воздушных и наземных целей.
Одним из эффективных способов обнаружения и сопровождения низколетящих летательных аппаратов (ЛА) является использование импульсно-доплеровских радиолокационных станций (РЛС), размещаемых на современных истребителях [1, стр.562-690] или специальных самолетах дальнего радиолокационного обнаружения (ДРЛО) [2, стр.449-479, 3, стр.301-340]. Применение самолетных РЛС позволяет увеличить дальность обнаружения низколетящих ЛА за счет расширения радиогоризонта по сравнению с наземными РЛС. Однако подвижность РЛС и необходимость сопровождения низколетящих ЛА на фоне подстилающей поверхности приводят к необходимости использования доплеровского принципа построения РЛС [4, стр.73-87], предопределяющего появление зон доплеровской резекции, в которых не обнаруживаются сигналы, отраженные от сопровождаемых объектов. Причем для ЛА, перемещающихся по различным траекториям, наличие этих зон проявляется по-разному. Для одних ЛА сокращается время сопровождения, для других - появляются перерывы в поступлении информации, что в общем случае снижает эффективность систем наведения [5, стр.12-22, 27-29].
з
з
При использовании доплеровского режима отраженные сигналы, частоты которых близки к средней частоте f сигнала, отраженного от поверхности земли в направлении главного луча диаграммы направленности антенны, не обнаруживаются из-за наличия в РЛС специального фильтра (фильтра резекции, либо фильтра свободной зоны) [4, стр.243-248]. Частота f зависит от частоты излучаемого сигнала и доплеровского сдвига, вызванного движением самолета, на котором установлена РЛС.
Доплеровский сдвиг частоты пропорционален радиальной составляющей относительной скорости облучаемого объекта (цели или подстилающей поверхности) в системе координат, связанной с подвижной РЛС.
Наиболее близкой к описываемой системе является радиолокационная система (PC), размещенная на самолете А-50 (прототип) [2, стр.45 5-479], содержащая РЛС и индикаторное устройство (ИУ), первый вход которого соединен с первым выходом РЛС. На этот вход из РЛС поступают измерения дальности, скорости и угловых координат, по которым в индикаторном устройстве (ИУ) формируются отметки целей и строятся трассы их перемещений в пространстве. По желанию оператора цифровые значения дальности, скорости сближения и угловых координат воспроизводятся на экране в формуляре цели.
Системным недостатком доплеровских РЛС является наличие зон резекции, устранить который в рамках используемого метода обработки сигналов невозможно. Однако можно повысить эффективность сопровождения целей и ситуационную осведомленность операторов сопровождения и наведения [2, стр.470-479, 3, стр.225-228], если заранее оповещать их о возможном пропадании целей в зонах резекции с указанием в формуляре ожидаемого времени входа и выхода сопровождаемых объектов из зоны резекции.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в прогнозировании пропадания целей в зонах доплеровской резекции и их идентификация после выхода из этих зон, что позволит повысить эффективность процедур наведения.
Указанный технический результат достигается тем, что в импульсно-доплеровскую радиолокационную систему (PC), содержащую РЛС, индикаторное устройство (ИУ), первый вход которого соединен с первым выходом РЛС, дополнительно введены блок вычисления времени входа/выхода цели в зону обзора (БВВВЗО), вход которого соединен со вторым выходом РЛС, блок вычисления параметров зоны резекции (БВПЗР), вход которого соединен со вторым выходом РЛС, первый выход - с первым входом блока принятия решения, а второй выход - со вторым входом ИУ и вторым входом блока экстраполяции (БЭ), блок принятия решения (БПР), первый вход которого соединен с первым выходом БВПЗР, второй вход - с выходом БВВВЗО, а выход - с первым входом БЭ, первый вход которого соединен с выходом блока принятия решения, второй вход - со вторым выходом БВПЗР, третий вход - с первым выходом РЛС, по которому в БЭ поступают измерения дальности, скорости сближения и угловых координат цели на момент ее входа в зону резекции, первый выход - со вторым входом блока идентификации целей (БИЦ), а второй выход - с четвертым входом ИУ, БИЦ, первый вход которого соединен с первым выходом РЛС, второй вход - с первым выходом БЭ, по третьему входу при необходимости поступают сигналы целей от других носителей, а выход соединен с третьим входом ИУ.
Система работает следующим образом.
отн
з
min
Все отражающие объекты, для которых радиальная составляющая относительной скорости V отличается от радиальной составляющей скорости подстилающей поверхности V не более чем на некоторую величину V, т.е. для которых выполняется неравенство
min
являются невидимыми для РЛС из-за попадания в зоны резекции. Величина V определяется шириной спектра, отраженного от земной поверхности сигнала, принимаемого по главному лепестку диаграммы направленности, и является параметром, который учитывается при выборе полосы пропускания резекторного фильтра или фильтром свободной зоны [4, стр.243-248].
Из неравенства (1) следует, что зоны резекции имеют вид секторов, образованных пересекающимися прямыми линиями. Точка пересечения этих прямых (общая вершина двух секторов) находится в месте положения бортовой РЛС самолета. Расположение секторов показано на фиг.2. Из условия (1) следует, что общая биссектриса секторов резекции всегда перпендикулярна направлению полета ЛА, а угловой размер α каждого сектора определяется по формуле
где V - скорость цели.
1
2
В случае прямолинейного и равномерного движения ЛА и самолета, осуществляющего его радиолокационное сопровождение, могут быть вычислены моменты пересечения воздушным объектом границ зоны. Для этого рассмотрим прямолинейное движение ЛА в системе координат ZOZ, связанной с бортовой РЛС самолета (фиг.2). В этой системе координат положение цели z(t) в момент t описывается выражением
0
где z - начальное положение цели.
Подставляя выражение (3) в уравнения границ (сектора резекции) и решая их относительно t, найдем моменты пересечения границ:
H
1
H
H
Здесь углы φ и φ, определяющие направление движения носителя РЛС и продольной оси сопровождаемого ЛА, отсчитываются от оси OZ подвижной системы координат (на фиг.2 угол φ=0), а V - скорость носителя РЛС.
Для того, чтобы определить насколько сокращается длительность сопровождения ЛА из-за секторов резекции необходимо знать моменты пересечения траекторией ЛА границ зоны обнаружения РЛС. Эти моменты могут быть найдены при следующих допущениях.
H
Зона обнаружения РЛС считается кругом, центр которого находится в месте расположения самолета, оснащенного РЛС, а радиус круга R определяется дальностью обнаружения ЛА. Зона обнаружения перемещается вместе с носителем РЛС (фиг.2) в направлении вектора скорости носителя V.
Сопровождаемый ЛА движется равномерно и прямолинейно, при этом его вектор скорости имеет вид:
1
2
Движение ЛА в системе координат ZOZ описывается выражением (3). В моменты пересечения ЛА границ зоны обнаружения (в том числе и в момент выхода из нее) длина |z(t)| вектора z(t) равна радиусу зоны R или:
0
отн
0
отн
2
(z+V·t, z+V·t)=R,
где левая часть равенства представляет собой скалярные произведения векторов (3).
Выполнив умножение, получим квадратное уравнение для определения моментов пересечения воздушным объектом границы зоны обнаружения:
.
Решения уравнения, определяющие моменты входа ЛА в зону обзора и выхода из нее, имеют вид
0
Если одно или оба решения являются отрицательными, то это означает, что пересечение границы зоны обнаружения произошло в «прошлом», т.е. до момента, когда ЛА находился в точке, определяемой вектором z.
0
Выражение (6) для вычисления моментов пересечения траектории ЛА границы зоны обнаружения становится особенно простым, если в начальный момент (при t=0) воздушный объект, находясь на границе зоны z(0)=z, движется вглубь нее.
отн
Н
0
Выражая V через параметры движения ЛА и РЛС (при φ=0) и учитывая, что |z(t)|=R, получим зависимость
0
отн
времени сопровождения от углов φ и β, определяющих движения ЛА и точку его входа в зону обнаружения РЛС (см. фиг.2), где β - угол между линией визирования цели Oz и вектором V относительной скорости (фиг.3).
0
В числителе этого выражения стоит длина хорды cz, по которой ЛА пересекает зону обзора РЛС, в знаменателе - скорость относительного движения ЛА.
Наличие секторов резекции в зоне обнаружения доплеровской РЛС приводит к появлению перерывов в поступлении информации о ЛА и сокращению времени их сопровождения. Характер этого влияния и его степень зависят от параметров движения ЛА относительно подвижной РЛС.
1
2
1
2
вых
1
2
вых
Некоторые из возможных вариантов взаимного расположения траекторий ЛА и зон резекции в подвижной системе координат ZOZизображены на фиг.3. Расположение зон резекции относительно траектории ЛА определяется положением на оси времени моментов t и t пересечения ею двух границ зоны резекции относительно момента входа в зону обнаружения и момента t выхода из зоны обнаружения. Моменты t и tопределяются по формулам (4), а момент t - по формуле (7).
На фиг.3 а) и в) показаны траектории, не попадающие в секторы резекции в пределах зоны обнаружения. В первом случае так происходит потому, что пересечение траекторий ЛА в пределах зоны обнаружения с границами секторов резекции происходит до входа в зону обнаружения. Во втором случае движение ЛА в зоне обнаружения происходит после выхода из одного сектора и заканчивается до входа во второй сектор резекции.
Траектории, аналогичные изображенной на фиг.3 б), характеризуются тем, что длительность сопровождения двигающихся по ним ЛА уменьшается по сравнению со случаем отсутствия секторов резекции.
Наконец, вариант траектории, изображенный на фиг.3 г), характеризуется перерывом в поступлении информации о ЛА, обусловленным пересечением сектора резекции внутри зоны обзора.
min
Частота появления трассы каждого вида зависит от скоростей движения ЛА и носителя РЛС, а также от величины V.
Проведенные исследования показали, что наличие зон резекции оказывает существенное влияние на процесс сопровождения ЛА. Основным проявлением этого влияния является сокращение времени их сопровождения и появление разрывов в сопровождении воздушных объектов. Разрывы в сопровождении ЛА могут достигать десятков минут и должны учитываться в процессах управления самолетами в воздухе.
После пропадания в зоне резекции и появления цели за ее пределами необходимо цель идентифицировать. Идентификация, смысл которой состоит в принятии решения о том, что это новая цель или сопровождавшаяся ранее, осуществляется в блоке идентификации целей (фиг.1) и выполняется по известным алгоритмам [6, стр.306-311, 323-327].
Результаты расчета моментов времени входа и выхода цели в зоны резекции и ее экстраполяции поступают в индикаторное устройство для информирования операторов сопровождения и наведения.
Соотношения (1)-(7) позволяют:
- заблаговременно определить моменты пропадания и появления сопровождаемых целей в импульсно-доплеровских РЛС различного назначения и базирования (воздушного, наземного, корабельного);
- оценить размеры зоны резекции, абсолютное и относительное время потери этих объектов;
- осуществлять экстраполяцию утерянных объектов по измерениям дальностей, скоростей и угловых координат на момент пропадания, либо при необходимости передать сопровождение этих объектов на другие РЛС.
На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемой системы.
Система включает: РЛС 1, блок вычисления времени входа/выхода цели в зону обзора БВВВЗО 2, блок вычисления параметров зоны резекции БВПЗР 3, блок принятия решения БПР 4, блок экстраполяции БЭ 5, блок идентификации целей БИЦ 6, индикаторное устройство ИУ 7.
01
02
01
02
H
1. РЛС - работает в обычном импульсно-доплеровском режиме [1, стр.312-404], осуществляя обнаружение целей, измерения дальности R до них, скорости сближения, бортовых пеленгов, координат (z, z) в прямоугольной системе координат, связанной с центром массы носителя, и параметров абсолютного движения целей φ, β, V (см. фиг.2). Эти данные с выхода 1 РЛС поступают в ИУ 7, БИЦБ, БЭ 5. Со второго выхода РЛС в блок 2 вычисления времени входа/выхода цели в зону обзора поступают координаты целей (z, z) и параметры абсолютного движения целей φ, β, V, вычисляемые в канале определения параметров собственного движения цели [6, стр.276-298] и измерения собственной скорости носителя V.
вых
H
2. БВВВЗО - блок вычисления времени входа/выхода цели в зону обнаружения. Время входа фиксируется по моменту обнаружения (времени завязки траектории) [6, стр.300-306], а время выхода t вычисляется по формуле (7) по результатам измерения дальности (R) в дальномерном канале и параметров движения целей φ, β, V и собственной скорости V носителя, поступающих со второго выхода РЛС.
min
1
2
01
02
H
3. БВПЗР - блок вычисления параметров зоны резекции, вычисляет угол α сектора резекции по формуле (2) по измерениям скорости цели V из канала определения параметров движения цели РЛС и известной величине V [1, стр.311-324], определяемой шириной спектра отражений от земли по главному лепестку диаграммы направленности антенны, положение сектора резекции в системе координат, связанной с центром массы носителя (фиг.2, затемненные участки) и времена t и t входа и выхода цели в зону резекции по формулам (4), вычисляемым по измерениям z, z, φ, β, V, V, получаемым со второго выхода РЛС, и выдает формуляры этих целей на второй вход индикаторного устройства ИУ с указанием времени их исчезновения и появления.
2
1
вых
вых
1
2
2
1
4. БПР - блок принятия решения по соотношению (t-t)/t<1, где t вычисляется по формуле (7), a t, t - по формулам (4), формирует сигнал запуска экстраполятора, либо сигнал запуска алгоритма передачи сопровождения объекта на РЛС, размещенную на другом носителе и способную в течение времени t-t осуществлять сопровождение теряемой цели.
5. БЭ - блок экстраполяции, осуществляющий прогноз положения цели при ее нахождении в зоне резекции по сигналу запуска, формируемому в БПР, и измерениям дальности, скорости сближения, бортовых пеленгов и их производных на момент пропадания цели, поступающих с выхода 1 РЛС. По сигналам экстраполяции, поступающим на четвертый вход индикаторного устройства, в нем продолжается индикация цели, попавшей в зону резекции наряду с другими целями, что обеспечивает продолжение процесса наведения на нее истребителей.
6. БИЦ - блок идентификации целей выполняет по известным правилам [6, стр.306-311, 323-327] отождествление экстраполированной цели после ее выхода из зоны резекции с сигналами реальных целей, поступающих с выхода 1 РЛС. По результатам идентификации принимается решение: принадлежит ли экстраполированная отметка ранее сопровождавшейся цели, либо это отметка новой цели. В первом случае, по сигналу со второго выхода БИЦ, поступающему на третий вход ИУ, продолжается ее отображение на индикаторе, во втором случае ее индикация прекращается.
7. ИУ - индикаторное устройство, на котором отображается положение цели относительно носителя РЛС и ее формуляра, в котором указываются цифровые значения дальности до цели, скорости сближения с ней и ее бортовые пеленги, поступающие с выхода 1 РЛС, отображаются положение и размер секторов резекции с указанием в формуляре цели времени, остающегося до входа цели в зону резекции, времени выхода из зоны резекции и предполагаемого времени нахождения в зоне резекции по сигналам, поступающим на второй вход ИУ со второго выхода БВПЗР. Кроме того, в ИУ осуществляется отображение цели, попавшей в зону резекции, по сигналам экстраполированных значений дальности, скорости сближения и угловых координат, поступающих на его четвертый вход со второго выхода блока экстраполяции. Если в БИЦ принимается решение о том, что после выхода из зоны резекции экстраполированная трасса цели не соответствует реальным меткам, поступающим в него с первого выхода РЛС, то в БИЦ формируется сигнал запрета в ИУ отображения экстраполированной трассы.
Все введенные в PC блоки реализованы на микроЭВМ.
Таким образом, реализация описанных выше особенностей функционирования введенных в PC новых блоков позволяет решить задачу прогнозирования пропадания целей в зонах доплеровской резекции, улучшая ситуационную осведомленность экипажа и сокращая время на завязку целей на выходе из зоны резекции.
Источники информации
1. Дудник П.И., Кондратенков Г.С., Татарский Б.Г. и др. Авиационные радиолокационные комплексы и системы. - М.: ВВИА, 2006.
2. Бабич В.К., Баханов Л.Е., Карпеев В.И. и др. Авиация ПВО России и научно-технический прогресс. Боевые комплексы и системы вчера, сегодня, завтра. / Под ред. Е.А.Федосова. - М.: Дрофа, 2001.
3. Верба В.С. Авиационные комплексы радиолокационного дозора и наведения. Состояние и тенденции развития. - М.: Радиотехника. - 2008.
4. Дудник П.И., Ильчук А.Р., Татарский Б.Г. и др. Многофункциональные радиолокационные системы. - М.: Дрофа, 2007.
5. Меркулов В.И., Канащенков А.И, Чернов В.С. и др. Авиационные системы радиоуправления. Т.3. Системы командного радиоуправления. Автономные и комбинированные системы наведения. / Под ред. А.И.Канащенкова и В.И.Меркулова. - М.: Радиотехника, 2004.
6. Меркулов В.И., Дрогалин В.В., Канащенков А.И. и др. Авиационные системы радиоуправления. Т.2. Радиоэлектронные системы самонаведения. / Под ред. А.И.Канащенкова и В.И.Меркулова. - М.: Радиотехника, 2003.