СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ КООРДИНАТ ДВИЖУЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА ПАССИВНОЙ РАДИОСИСТЕМОЙ
METHOD OF DETERMINING SPATIAL COORDINATES OF A MOVING OBJECT BY A PASSIVE RADIO SYSTEM

Изобретение относится к пассивным радиосистемам, предназначенным для наблюдения за движущимися объектами в радио диапазоне длин волн.
Система состоит из двух взаимно удаленных и ориентированных в пространстве радиоприемников с антенными решетками (АР), составленными из нескольких приемных элементов, которые принимают отраженный от объекта радиосигнал. Ориентация задается матрицей Р поворота трех осей координат второго приемника по отношению к первому приемнику и базовым вектором b, соединяющим центры двух прямоугольных систем координат.
Радиопередатчик, расположенный отдельно от радиоприемников, посылает в отдельные моменты времени t периодический радиосигнал s(t) c известными параметрами в сторону области пересечения диаграмм направленности антенн (ДНА) радиоприемников, которую пересекает движущийся с определенной скоростью объект наблюдения (воздушный или наземный).
Радиоприемники принимают отраженный от объекта полезный радиосигнал, а также помехи в виде сигналов переотражения от местности, возникающие с некоторой задержкой во времени по отношению к полезному сигналу. Присутствуют шумы аппаратуры.
1
2
j
Принятые в радиоприемниках радиосигналы s(t) и s(t) проходят первичную обработку, преобразуются в q-x измерительных каналах (по числу Q приемных элементов АР) в комплексные спектры  на j-х доплеровских частотах ƒ. После чего выделяются спектральные составляющие  соответствующие доплеровской частоте объекта, которые поступают на устройство (или алгоритм) определения угловых координат объекта (азимута и угла места).
Известные способы определения угловых координат объекта по совокупности выделенных комплексных амплитуд  в приемопередающем радиоприемнике. Например, способы, основанные на моноимпульсном [1] и фазовом [2] методах. Для повышения точности выделения комплексных амплитуд известен также способ [3]. Результатом применения данных способов являются угловые координаты объекта (азимут и угол места) ϕ и θ, найденные в системе координат радиоприемника.
1
2
Однако для определения пространственных координат объекта в пассивном режиме наблюдения необходимо знать радиальные дальности r и r до объекта. Способы [1-3] рассчитаны на активные радиосистемы с приемопередающими антеннами, где дальности определяются по временной задержке переданного сигнала, и не применимы для пассивных наблюдений.
1
2
1
2
1
1
1
2
2
2
i
i
а
а
а
а
Известен способ [4] для пассивной системы, состоящей из стереопары пространственно удаленных и взаимно ориентированных приемников, где дальности r и r определяются на основе ортов  и  векторов М=r и М=r направлений на объект. Орты находятся на основе измеренных в i-х приемниках (i=1, 2) угловых координат объекта ϕ, θ по формуле:
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i,
i
i
в местных системах координат O,X,Y,Z, где оси OZ направлены в сторону объекта, оси OX и OZ расположены в горизонтальной плоскости, ось OY - в вертикальной, угол ϕ отсчитывается от оси OZ в плоскости O,X,Z, угол θ - в вертикальной плоскости относительно OX,Z.
1
2
1
2
Дальности r и r находятся из условия сопряжения векторов М и М:
а
2
где  - вектор , пересчитанный в систему координат первого приемника; е - вектор ошибок сопряжения. Из (2) методом наименьших квадратов определяется вектор оценок дальностей до объекта:
Соединение двух подходов представляет сущность предлагаемого способа определения пространственных координат движущегося объекта. Рассмотрим в качестве прототипа способ [2], который применительно к пассивному наблюдению сводится к следующему.
1
1
2
2
3
3
4
4
1. Центры приемных элементов АР в плоскости антенны радиоприемника располагают в точках с координатами (x,y)=(d/2,0), (х,у)=(0, d/2), (х,у)=(-d/2,0), (х,у)=(0, -d/2), где d - базовое расстояние между центрами приемных элементов.
q
2. При данном направлении линии визирования антенны фиксируют поступление полезного сигнала s{t) на промежутке времени до момента прихода переотраженных сигналов одновременно в q-x приемных каналах: горизонтальном (для 1-го и 3-го приемных элементов) и вертикальном (для 2-го и 4-го приемных элементов).
q
j
3. Формируют в цифровой форме временные последовательности s(t),  (n - число временных отсчетов), которые подвергают дискретному преобразованию Фурье (ДПФ). В результате  преобразуются в комплексные спектры  в q-x каналах,
j
4. Выделяют спектральные составляющие сигнала  на доплеровской частоте ƒ, амплитуда которых  превышает порог обнаружения полезного сигнала во всех q-x каналах.
5. Находят аргументы комплексных величин  - фазы  и вычисляют разности фаз по азимуту ϕ для горизонтальных каналов (q=1 и 3) и по углу места θ для вертикальных каналов (q=2 и 4):
ϕ
1
3
θ
2
4
Δψ = ψ-ψ, Δψ = ψ-ψ.
6. Для полученных разностей фаз вычисляют угловые координаты по формуле (λ - длина волны):
Недостаток данного способа заключается в том, что в пассивном режиме работы радиоприемника невозможно найти дальность r до объекта и определить его пространственные координаты.
Предлагаемое техническое решение направлено на устранение этого недостатка, а именно на определение дальности до объекта в пассивном режиме работы радиоприемников и нахождение его пространственных координат.
а
а
а
a
а
а
а
а
1
2
2
1
1
2
1
2
1
1
1
2
2
2
Технический результат предлагаемого технического решения достигается применением способа определения пространственных координат движущегося объекта пассивной радиосистемой, который заключается в приеме радиосигнала отражения от объекта антенной радиоприемника с четырьмя приемными элементами, преобразовании этого сигнала в четырех измерительных каналах в спектральные последовательности на доплеровских частотах, выделении четырех спектральных составляющих на доплеровской частоте объекта, нахождении из них разностей фаз и вычислении угловых координат азимута и угла места положения объекта умножением найденных разностей фаз на известный коэффициент, отличающийся тем, что к первому радиоприемнику добавляют второй радиоприемник, пространственно удаленный и взаимно ориентированный с первым матрицей Р поворота осей и базовым вектором b, принимают в радиоприемниках радиосигнал, переданный отдельно расположенным радиопередатчиком и отраженный от объекта, выделяют из принятого сигнала спектральные составляющие на доплеровской частоте объекта в измерительных каналах, определяют из них разности фаз в горизонтальном и вертикальном каналах и умножением разностей фаз на известный коэффициент вычисляют угловые координаты азимута и угла места положения объекта в системах координат двух радиоприемников, после чего на основе найденных угловых координат определяют орты  и  векторов направлений на объект, преобразуют орт  в орт  умножением его слева на матрицу Р и вычисляют на основе координат двух векторов ,  матрицу Н, далее умножают матрицу Н справа на базовый вектор b и получают вектор оценок дальностей r и r до объекта, затем умножают дальности на орты ,  и находят векторы М=r и М=r пространственных координат объекта в системах координат двух приемников.
Алгоритмически способ сводится к следующему.
1. Размещают два взаимно удаленных и ориентированных в пространстве радиоприемника с антеннами в виде АР из четырех приемных элементов.
2. Радиопередатчик, расположенный отдельно от приемников, посылает в определенные моменты времени t периодический радиосигнал s(t) с известными параметрами в сторону области пересечения ДНА приемников, которую пересекает движущийся объект.
1
2
3. Радиоприемники принимают отраженные от объекта сигналы соответственно s(t) и s(t), которые в трактах первичной обработки преобразуются в цифровой форме во временные n-последовательности  в q-х приемных каналах  каждого i-го приемника (i=1, 2). Временные поледовательности  преобразуются с помощью ДПФ в комплексные спектры  на j-x доплеровских частотах
j
iϕ
i1
i3
iθ
i2
i4
4. Выделяются комплексные спектральные составляющие  и  спектров, соответствующие доплеровской частоте движущегося объекта ƒ. Находятся аргументы комплексных величин  - фазы  и вычисляются разности фаз п азимуту ϕ для горизонтальных каналов (q=1, 3) и по углу места θ для вертикальных каналов (q=2, 4): Δψ = ψ-ψ, Δψ = ψ-ψ, i=1, 2.
Для полученных разностей фаз находятся оценки угловых координат (4):
i
iϕ
i
iθ
ϕ = kΔψ, θ = kΔψ, k=λ/(πd), i=1, 2.
i
i
1
2
2
а
а
а
5. Для найденных угловых координат ϕ, θ, i=1, 2, определяются орты  и  векторов направлений на объект по формуле (1). Координаты орта второго приемника преобразуются в систему координат первого приемника умножением  справа на матрицу Р поворота осей:  Из координат двух векторов  составляется матрица А по формуле (2) и вычисляется матрица Н по формуле (3).
1
2
1
2
1
2
1
1
1
2
2
2
а
а
а
а
6. Вычисляется вектор R оценок дальностей r и r до объекта умножением матрицы Н справа на базовый вектор b по формуле (3), и умножением ортов ,  на дальности r, r находятся векторы М=r и М=r пространственных координат объекта в системах координат двух приемников.
Предложенный способ, в отличие от активных радиотехнических систем, позволяет в пассивном режиме наблюдения за объектом определить дальности до объекта и его пространственные координаты на основе решения системы уравнений для сопряженных векторов направлений на объект.
Способ может найти применение в пассивных радиотехнических системах слежения за движущимися объектами.
Литература
1. Патент RU 2534224.
2. Патент RU 2572357.
3. Патент RU 2661913.
4. Патент RU 2681518.