Способ обзорной пассивной однопозиционной моноимпульсной трёхкоординатной угломерно-разностно-доплеровской локации перемещающихся в пространстве радиоизлучающих объектов
METHOD OF REVIEWING PASSIVE SINGLE-POSITIVE MONOPULSE TRIPLE-ORIENTED ANGULAR-DIFFERENTIAL-DOPPLER LOCATIONS OF MOVING IN SPACE OF THE RADIO-EMITTING OBJECTS

Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться в системах обзорной пассивной радиолокации и радиотехнического наблюдения для однопозиционного высокоточного определения скоростей, координат и траекторий перемещающихся в пространстве радиоизлучающих объектов (РИО).
Перемещающиеся объекты различного назначения - искусственные спутники Земли, корабли, самолеты, беспилотные летательные аппараты - оснащаются радиопередающими устройствами для обмена служебной информацией между собой и с командными пунктами, поэтому по излучениям бортовых радиопередающих устройств этих объектов их можно обнаружить, а также определить их угловые координаты (УК). Для этого применяются методы пассивной радиолокации [1 - Пассивная радиолокация: методы обнаружения объектов / Под ред. проф. Р.П. Быстрова и проф. А.В. Соколова. М.: Радиотехника. 2008. 320 с].
Пассивные радиолокационные системы (РЛС), в отличие от активных, обладают скрытностью, что существенно затрудняет определение их дислокации и характеристик, а также менее сложны и имеют меньшую стоимость из-за отсутствия радиопередающей части. Направление на РИО с их помощью определяется достаточно просто (путем пеленгования), однако прямое однопозиционное измерение дальности в пассивной радиолокации невозможно, так как зондирующие излучения не используются. Для определения местоположений и траекторий движения РИО пассивными методами обычно применяют несколько разнесенных станций, объединенных с помощью ретрансляторов данных в многопозиционную систему. Но такая система, по сравнению с однопозиционной, имеет больший объем аппаратуры, повышенную сложность и стоимость. Поэтому однопозиционные системы более предпочтительны.
РЛС должны определять УК целей с высокой точностью за достаточно малое время, так как современные цели могут перемещаться с большими (в том числе гиперзвуковыми) скоростями и двигаться по сложным непредсказуемым траекториям, причем закон движения целей может содержать знакопеременные производные высоких порядков. Лучшей основой для достижения высокой точности определения УК считается широко применяемый в радиолокации и радиопеленгации моноимпульсный метод. Он используется и в обзорных РЛС, которые одновременно определяют УК всех целей, находящихся в пределах диаграммы направленности (ДН) и разрешаемых по дальности [2 - Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. - М.: Радио и связь, 1984. 312 с, стр. 6]. При этом УК цели определяют как направление прихода принимаемых сигналов относительно известного равносигнального направления (РСН).
Если для следящих систем принципиально важными являются крутизна пеленгационной характеристики (ПХ) углового дискриминатора и смена знака сигнала рассогласования в нуле, то для обзорной РЛС важны дополнительно величина рабочей зоны (то есть области углов внутри моноимпульсной группы лучей, в которой ошибка пеленгования не превышает заданной) и степень линейности ПХ в рабочей зоне; они определяют точностные характеристики и быстродействие обзорной системы. Пути достижения высоких точностей и быстродействия обзорного амплитудного моноимпульсного пеленгатора обоснованы в работах [3 - Джиоев А.Л., Яковленко В.В. Улучшение характеристик обзорного суммарно-разностного пеленгатора с ФАР на основе оптимизации пеленгационной характеристики // Общие вопросы радиоэлектроники. Ростов-на-Дону: ФГУП «РНИИРС» ФНПЦ. 2014. Вып. 1. С. 105-117] и [4 - Патент 2583849, РФ. Способ цифровой обработки сигналов при обзорной моноимпульсной амплитудной суммарно-разностной пеленгации с использованием антенной решетки (варианты) и обзорный моноимпульсный амплитудный суммарно-разностный пеленгатор с использованием антенной решетки и цифровой обработки сигналов / Джиоев А.Л., Омельчук И.С., Фоминченко Г.Л., Фоминченко Г.Г., Яковленко В.В. Заявлен 13.04.2015, опубликован 10.05.2016], в которых с помощью выбора вида весовой функции (ВФ) и оптимизации угла разноса ДН получена ПХ, практически линейная на всей ширине моноимпульсной группы лучей (МГЛ). Это позволяет после приема и аналого-цифрового преобразования (АЦП) сигналов РИО использовать прямо-отсчетный подход и обеспечить быстрый прямой (без использования итераций и повторного зондирования) и легко реализуемый (решение линейного уравнения) расчет УК с ошибкой не более 1/100 ширины ДН по уровню половинной мощности при низком уровне боковых лепестков (ниже минус 40 дБ) и приемлемом использовании поверхности антенны. Высокая линейность ПХ на всей ширине МГЛ, обеспечивающая быстрое и точное определение УК объекта без использования итерационного алгоритма, значительно сокращает время обзора пространства и увеличивает число объектов, контролируемых без перемещения РСН. Однако при этом не определяются траектории движения объектов в пространстве, а также не производится их селекция по скорости движения.
Так как в общем случае (без использования дополнительных данных) однопозиционная локация не обеспечивает эффективное определение наклонных дальностей, скоростей и траекторий движения перемещающихся по произвольным траекториям РИО, то поиск способов и создание устройств обзорной пассивной однопозиционной моноимпульсной локации, обеспечивающих высокоточное определение скоростей, координат и траекторий перемещающихся в пространстве объектов, являются актуальными.
1
2
С1
С2
1
2
1
N
1
2
1
2
С1
С2
1
2
1
2
1
2
21
2
1
Известен способ определения из одной точки наклонной дальности до движущейся цели [5 - Патент 2557808, РФ. Способ определения наклонной дальности до движущейся цели пассивным моностатическим пеленгатором / Борисов Е.Г., Мартемьянов И.С. Заявлен 9.04.2014, опубликован 27.07.2015]. В нем совместно обрабатывают два последовательных во времени измерения пеленгов (углов азимута β и β) и мощностей Р и Р сигналов для моментов измерений t и t. Учитывая, что базовая точка измерения соответствует геометрическому центру угломерной системы, а линия ЦЦ (траектория движения цели) соответствует точкам Ц и Ц измерения пеленга цели в моменты времени t и t, в предположении, что цель движется прямолинейно, на основании полученных значений Р и Р вычисляют величину . Производят два последовательных измерения частот ƒ и ƒ принятых сигналов в моменты времени t и t соответственно, и на основании этих измерений определяют величину ; далее на основании измеренных углов азимута β и β определяют Δβ=β-β. После этого вычисляют дальность до цели по формуле
,
где с - скорость света;
12
T=Δt.
Точностные характеристики способа [5] определяются, в частности, ошибками измерения угловых координат РИО и несущих частот излучаемых им сигналов. При возможных точностях измерений указанных первичных параметров погрешность определения наклонной дальности зависит от ее значения и находится в пределах 5-35%. Кроме того, в реальных условиях объекты наблюдения обычно излучают модулированные сигналы с подавленной несущей, что не позволяет применять способ [5].
Наконец, при использовании способа [5] измеряют мощность принимаемых сигналов, а она подвержена флюктуациям, которые вызываются интерференцией колебаний, переотраженных элементами конструкции объекта, изменениями условий распространения и переотражениями от местных предметов. Величина этих флюктуаций может достигать 10-15 дБ; погрешность измерения дальности по способу [5] при коэффициенте флюктуаций, равном 6 дБ, составляет 5%, а при коэффициенте флюктуаций, равном 12 дБ, достигает 250%, то есть способ становится неработоспособным.
Таким образом, недостатками способа [5] являются большая погрешность измерения дальности из-за флюктуаций уровня сигнала и невозможность измерения дальности в случае использования в качестве сигналов сложных модулированных излучений.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ, предложенный в [6 - Патент 2617830, РФ. Способ пассивной однопозиционной угломерно-разностно-доплеровской локации перемещающегося в пространстве радиоизлучающего объекта и радиолокационная система для реализации этого способа / Джиоев А.Л., Омельчук И.С., Тюрин Д.А., Фоминченко Г.Л., Фоминченко Г.Г., Яковленко В.В. Заявлен 11.04.2016, опубликован 28.04.2017], принятый за прототип.
H
i
k,n
При использовании способа [6] во время приема констатируют обнаружение сигнала РИО и определяют его параметры - ширину спектра, среднюю частоту спектра сигнала и вид модуляции. Осуществляют автосопровождение выбранного объекта по угловым координатам, измеряют и запоминают значения отсчетов угловых координат (азимута β и угла места ε), а также текущего времени, соответствующего этим отсчетам. Затем восстанавливают, зная вид модуляции, несущую частоту ƒ принятого сигнала, формируют в моменты времени t и запоминают значения ее отсчетов. Далее вычисляют приращения УК и доплеровских сдвигов частоты принимаемых сигналов на интервалах Δt, достаточно малых для справедливости предположения о равномерности и прямолинейности движения РИО со скоростью V на постоянной высоте Н.
После этого определяют горизонтальные составляющие приращений доплеровских сдвигов частоты, находят эти приращения и вычисляют величину их отношения
k
k
г
4,0
4,0
4,0
Ц
0
4
0
4
0
4
0
4
0
4
для нахождения величины угла α между вектором скорости и горизонтальной дальностью. Далее определяют текущее значение курсового угла q=β+α и модуль горизонтальной скорости V=V, а затем - расстояние S, пройденное объектом за интервал времени Δt. Затем находят радиус R окружности, проходящей через начало координат, хордой которой является расстояние S, находят центр О' этой окружности, фиксируя точку на конце луча длиной R, проведенного из начала координат 0 под углом β=β+q-90°, рассчитывают дальности d и d, используя соотношение , в виде  и определяют координаты РИО в моменты времени t и t как точки пересечения окружности с центром О' и лучей длиной d и d, проведенных из начала координат под углами β и β.
k=1,2,3
k≥4
Наконец, вычисляют интерполированные d и экстраполированные d значения дальностей на интервале сохранения гипотезы о равномерном и прямолинейном движении радиоизлучающего объекта на постоянной высоте и осуществляют построение траектории движения РИО в пространстве на начальном интервале кусочно-линейной аппроксимации, а в случае кратковременного пропадания сигнала - ее прогнозируемое значение.
Таким образом, в прототипе [6] инверсным кинематическим угломерно-разностно-доплеровским способом определяются (в режимах автосопровождения по УК и частоте) параметры движения одиночного РИО, перемещающегося в пространстве равномерно и прямолинейно на постоянной высоте.
К числу недостатков прототипа [6] следует отнести:
1. Невозможность измерения дальностей, направлений и скоростей перемещения в пространстве, а также траекторий РИО в случаях их движения с переменной высотой полета, то есть с произвольными углами пикирования (кабрирования).
2. Необходимость использования двух алгоритмов функционирования с ограниченной областью применимости каждого из них:
- первого, применимого в случае изменений азимута и угла места РИО при его приближении (удалении) относительно РЛС,
- второго, применимого только при постоянном азимуте объекта.
3. Использование следящего режима работы РЛС, что, по сравнению с обзорным режимом, снижает ее производительность и число контролируемых объектов.
Изобретений, решающих упомянутые проблемы путем пассивной однопозиционной локации перемещающегося в пространстве РИО, авторы заявляемого способа в технической литературе не обнаружили.
Задачей, на решение которой направлен предлагаемый способ, является определение координат, направлений и скоростей движения, а также построение траекторий всей совокупности РИО, движущихся в пространстве в пределах контролируемого сектора по произвольным направлениям равномерно и прямолинейно со всеми возможными курсовыми углами и углами пикирования (кабрирования).
Для решения этой задачи предлагается способ обзорной пассивной однопозиционной моноимпульсной трехкоординатной угломерно-разностно-доплеровской локации перемещающихся в пространстве радиоизлучающих объектов, при котором:
ПХ
ПХ
см
см
- используют цифровую антенную решетку или антенную решетку с цифровой обработкой сигналов, формируют в пространстве, применяя на раскрыве антенной решетки весовую функцию Хэмминга, моноимпульсную группу лучей с общим фазовым центром и пеленгационные характеристики с рабочими зонами Δβ по азимуту и Δε по углу места, линейные на всей ширине моноимпульсной группы лучей за счет специально выбранных углов смещения лучей β и ε;
ПХ
ПХ
- разбивают заданную область обзора пространства (телесный угол) на участки размером Δβ по азимуту и Δε по углу места и, последовательно устанавливая равно-сигнальное направление моноимпульсной группы лучей в центры этих участков, осуществляют обзор упомянутой области;
- принимают сигналы РИО в течение интервала наблюдения на каждом участке разбиения, анализируют заданный диапазон частот, при наличии сигналов радиоизлучающих объектов констатируют обнаружение всей совокупности  объектов в упомянутой области обзора и определяют параметры их сигналов - ширину и среднюю частоту спектра, а также вид модуляции;
- измеряют и запоминают для каждого из обнаруженных объектов значения отсчетов угловых координат, вычисляемых относительно равносигнальных направлений путем решения линейных уравнений
и
,
см
см
где  и  - коэффициенты линейных частей разложений пеленгационных характеристик в ряды Маклорена как функций углов β и ε;
и  - сигналы угловых рассогласований с выходов угловых дискриминаторов;
- селектируют, используя данные об измеренных параметрах и угловых координатах, N объектов (из совокупности М), избранных для автосопровождения;
- сглаживают значения измеренных угловых координат каждого объекта, представляя их в виде усредненных зависимостей , , где  - номер наблюдаемого объекта;
- формируют для приема сигналов избранных объектов дополнительно N одиночных лучей, наведение которых по угловым координатам осуществляется управляющими сигналами, сформированными на основании данных об УК сопровождаемых РИО;
Hn
- параллельно принимают и обрабатывают сигналы РИО по N лучам, восстанавливают, зная вид модуляции, несущие частоты ƒ принятых сигналов, измеряют и запоминают значения их отсчетов, сглаживают и представляют результаты в виде усредненных зависимостей ;
H
- интерполируют усредненные угловые зависимости  и , а также усредненную зависимость , получая непрерывные функции β(t), ε(t) и ƒ(t), причем здесь и далее индекс n наблюдаемого объекта не указывается - расчет проводят для каждого из N объектов.
Согласно изобретению, в заявленном способе:
1
К
1
К
- построение траектории движения каждого объекта производят на вспомогательной наклонной плоскости 0АА, проходящей через прямолинейный участок траектории в пространстве (точки A…A) и лежащую вне траектории точку наблюдения;
1
2
k
2
3
k
k,1
k,1
k,1
k,1
k
1
- вычисляют на упомянутой плоскости, для произвольно выбранных точек участка траектории, обозначенных как A, A, … A, где  - номера точек, в моменты времени t=t, t, …, t, углы c, каждый из которых является гипотенузой сферического прямоугольного треугольника с катетами Δβ и Δε, лежащими на линиях координат азимута и угла места, равен угловому размеру проекции на небесную сферу пути объекта за время Δt=t-t и определяется как
,
где
k,1
k
1
k
1
Δβ=(β-β)⋅cos[min(ε,ε)];
k,1
k
1
Δε=ε-ε;
k
k
β=β(t);
k
k
ε=ε(t),
H
Hk
1
2
k
- извлекают из зависимости ƒ(t) объекта значения ƒ в моменты времени t, t, …, t, вследствие эффекта Доплера равные
,
H0
где ƒ - значение несущей частоты сигнала наблюдаемого объекта;
Дk
ƒ - доплеровский сдвиг несущей частоты;
V - скорость радиоизлучающего объекта;
k
k
γ - курсовой угол объекта в момент времени t;
λ - длина волны сигнала объекта,
2,1
3,1
и определяют их приращения на интервалах Δt и Δt как
,
,
- вычисляют величину отношения приращений несущей
,
а затем, вводя обозначение
,
1
получают уравнение относительно курсового угла γ, решая которое, определяют курсовой угол наблюдаемого объекта на вспомогательной плоскости как
и вычисляют значение модуля вектора скорости объекта
,
где с=299792458 м/с - скорость распространения электромагнитных волн,
3,1
3,1
- определяют расстояние, пройденное РИО за интервал времени Δt под углом c, как
3,1
3,1
S=VΔt,
3
1
- определяют наклонные дальности до точек А и А как
k
1
k,1
k,1
- аналогично определяют углы и расстояния для последующих точек A (при k>3) начального участка кусочно-линейной аппроксимации траектории объекта, а также наклонную дальность  до точки А с использованием величин S и c в виде
,
- вычисляют величину модуля разности дальностей  и производят его сравнение с порогом ΔD, используя для случая
1
k
1
К
значения γ, V, D для построения траектории движения радиоизлучающего объекта на участке А-А, а для случая
принимают решение о начале маневра объекта и для дальнейшего построения его траектории на следующем участке кусочно-линейной аппроксимации повторяют аналогичные расчеты.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность однопозиционного измерения по единому алгоритму направлений и скоростей движения РИО, перемещающихся в пространстве в произвольных направлениях и с переменной высотой полета, а также построение траекторий совокупности РИО, движущихся в пределах контролируемого сектора со всеми возможными курсовыми углами и углами пикирования (кабрирования).
Предлагаемое изобретение не известно в современной радиотехнике, а также не известны источники информации, содержащие сведения об аналогичных технических решениях, имеющих признаки, сходные с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, а также имеющих свойства, совпадающие со свойствами заявляемого решения, поэтому можно считать, что оно обладает существенными отличиями, вытекает из них неочевидным образом и, следовательно, соответствует критериям «новизна» и «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется следующими чертежами:
фигура 1 - траектория объекта и ее проекция на горизонтальную плоскость х0у в декартовой системе координат;
фигура 2 - геометрии задачи в сферической системе координат с использованием наклонной плоскости;
фигура 3 - сферический прямоугольный треугольник на небесной сфере;
фигура 4 - схема электрической структурной системы, реализующей предложенный способ.
При реализации предложенного способа выполняется следующая последовательность операций.
ПХ
ПХ
см
см
1. Используют цифровую антенную решетку (ЦАР) или антенную решетку с цифровой обработкой сигналов, в каналы антенного полотна (АП) которой входят антенные элементы, малошумящие усилители (МШУ) и АЦП. Формируют в заданной области пространства, применяя на раскрыве антенной решетки весовую функцию W(x, у) Хэмминга, моноимпульсную группу лучей с общим фазовым центром, смещенных на оптимальные углы  по азимуту и  по углу места от РСН, и ПХ амплитудной суммарно-разностной системы с рабочими зонами Δβ по азимуту и Δε по углу места, линейные на всей ширине моноимпульсной группы лучей за счет специально выбранных углов смещения лучей β и ε [7 - Джиоев А.Л., Яковленко В.В. Устранение методической ошибки измерения угловых координат цели в обзорном амплитудном суммарно-разностном цифровом пеленгаторе на базе ФАР // Общие вопросы радиоэлектроники. Ростов-на-Дону: ФГУП «РНИИРС». 2015. Вып. 1. С. 47-57].
ПХ
ПХ
2. Разбивают заданную область обзора пространства (телесный угол) на участки размером Δβ по азимуту и Δε по углу места и, последовательно устанавливая РСН моноимпульсной группы лучей в центры этих участков, осуществляют обзор упомянутой области.
3. Принимают сигналы РИО в течение интервала наблюдения на каждом участке разбиения (фиг. 1), где объект движется равномерно и прямолинейно (в случае движения РИО по криволинейной траектории осуществляют, как представлено на фиг. 1, ее кусочно-линейную аппроксимацию), анализируют заданный диапазон частот, при наличии сигналов РИО констатируют обнаружение всей совокупности  объектов в упомянутой области обзора и определяют параметры их сигналов - ширину и среднюю частоту спектра, а также вид модуляции.
4. Измеряют и запоминают для каждого из обнаруженных объектов значения отсчетов угловых координат, вычисляемых относительно равносигнальных направлений путем решения линейных уравнений
и
,
см
см
где  и  - коэффициенты линейных частей разложений пеленгационных характеристик в ряды Маклорена как функций углов β и ε;
и  - сигналы угловых рассогласований с выходов угловых дискриминаторов.
5. Селектируют, используя данные об измеренных параметрах и угловых координатах, N объектов (из совокупности М), избранных для автосопровождения.
6. Сглаживают значения измеренных УК каждого объекта с помощью фильтров автосопровождения, представляя их в виде усредненных зависимостей , , где  - номер наблюдаемого объекта.
7. Формируют для приема сигналов избранных объектов дополнительно N одиночных лучей, наведение которых по угловым координатам осуществляется управляющими сигналами, сформированными на основании данных об УК сопровождаемых РИО.
Hn
8. Параллельно принимают и обрабатывают сигналы РИО по N лучам, восстанавливают, зная вид модуляции, несущие частоты ƒ принятых сигналов, измеряют и запоминают значения их отсчетов, сглаживают и представляют результаты в виде усредненных зависимостей
H
9. Интерполируют усредненные угловые зависимости  и , а также усредненную зависимость , получая непрерывные функции β(t), ε(t) и ƒ(t), причем здесь и далее индекс n наблюдаемого объекта не указывается - расчет проводят для каждого из N объектов.
1
К
1
К
10. Построение траектории движения каждого объекта производят на вспомогательной наклонной плоскости 0АА, проходящей через прямолинейный участок траектории в пространстве (точки А…А) и лежащую вне траектории точку наблюдения. Считают, что положение РИО в сферической системе координат (фиг. 2) определяется текущими значениями:
k
k
- наклонной дальности D, проекцией которой на горизонтальную плоскость является горизонтальная дальность d;
k
k
- азимута β, отсчитываемого против часовой стрелки (при наблюдении сверху) от основного направления, совпадающего с направлением оси 0х, до линии горизонтальной дальности d;
k
- угла места ε между наклонной и горизонтальной дальностями;
k
0
k
k
- пространственного курсового угла γ, отсчитываемого на наклонной плоскости A0A против часовой стрелки от вектора скорости до наклонной дальности D;
Г
- угла Ψ пикирования (кабрирования) между вектором скорости V и ее горизонтальной проекцией V.
1
2
k
2
3
k
k,1
k,1
k,1
k,1
k
1
11. Вычисляют на упомянутой наклонной плоскости, для произвольно выбранных точек участка траектории, обозначенных как А, А, … A, где  - номера точек, в моменты времени t=t, t, … t, углы c, каждый из которых является гипотенузой сферического прямоугольного треугольника с катетами Δβ и Δε [8 - Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М., 1974. 832 с, стр. 53], лежащими на линиях координат азимута и угла места (фиг. 3), равен угловому размеру проекции на небесную сферу пути объекта за время Δt=t-t и определяется как
где
k,1
k
1
k
1
Δβ=(β-β)⋅cos[min(ε, ε)];
k,1
k
1
Δε=ε-ε;
k
k
β=β(t);
k
k
ε=ε(t);
H
Hk
1
2
k
12. Извлекают из зависимости ƒ(t) объекта значения ƒ в моменты времени t, t, … t, равные вследствие эффекта Доплера
H0
где ƒ - значение несущей частоты сигнала наблюдаемого объекта;
Дk
ƒ - доплеровский сдвиг несущей частоты;
V - скорость радиоизлучающего объекта;
k
k
γ - курсовой угол объекта в момент времени t;
λ - длина волны сигнала объекта,
2,1
3,1
и определяют их приращения на интервалах Δt и Δt как
13. Вычисляют величину отношения приращений несущей
а затем, вводя обозначение
1
получают уравнение относительно курсового угла γ, решая которое, определяют курсовой угол наблюдаемого объекта на вспомогательной плоскости как
и вычисляют значение модуля вектора скорости объекта
где с=299792458 м/с - скорость распространения электромагнитных волн.
3,1
3,1
14. Определяют расстояние, пройденное РИО за интервал времени Δt под углом с, как
3
1
15. Определяют наклонные дальности до точек А и А как
k
1
k,1
k,1
16. Аналогично определяют углы и расстояния для последующих точек A (при k>3) начального участка кусочно-линейной аппроксимации траектории объекта, а также наклонную дальность  до точки А с использованием величин S и c в виде
17. Вычисляют величину модуля разности дальностей  и производят его сравнение с порогом ΔD, используя для случая
1
k
1
К
значения γ, V, D для построения траектории движения РИО на участке А-А, а для случая
констатируют начало маневра объекта и для дальнейшего построения его траектории на следующем участке кусочно-линейной аппроксимации повторяют аналогичные расчеты по формулам (1)-(13).
После этого осуществляют построение траектории РИО в пространстве на всем интервале наблюдения, используя измеренные и рассчитанные значения УК, дальности, скорости и курсовых углов, при необходимости осуществляя пересчет координат в цилиндрическую или декартовую систему.
Примером реализации предложенного способа является обзорная пассивная однопозиционная моноимпульсная трехкоординатная угломерно-разностно-доплеровская РЛС, структурная схема которой приведена на фиг. 4, где приняты следующие обозначения:
1 - антенное полотно цифровой антенной решетки (АП ЦАР), каналы которого содержат антенные элементы, МШУ и АЦП;
2 - блок умножителей и маршрутизатор потока данных (БУМПД);
3 - диаграммообразующее устройство пеленгатора (ДОУ Пл);
4 - блок обнаружения и измерения параметров сигналов (БОИПС);
5 - устройство управления (УУ);
6 - устройство запоминания отсчетов весовой функции (УЗОВФ);
7 - вычислитель пеленгационной характеристики (ВПХ);
8 - вычислитель оптимального угла смещения максимумов ДН МГЛ от РСН и коэффициентов разложения функции, описывающей ПХ (ВУСКР);
1
N
9, …, 9 - блоки автосопровождения по угловым координатам (БАСУК);
1
N
10, …, 10 - диаграммообразующие устройства каналов приема сигналов (ДОУ Пр);
1
N
11, …, 11 - устройства приема и восстановления несущих частот (УПВН);
1
N
12, …, 12 - вычислители приращений несущих частот (ВПНЧ);
1
N
13, …, 13 - вычислители углов на наклонных плоскостях (ВУНП);
1
N
14, …, 14 - вычислители курсовых углов, скоростей и наклонных дальностей (ВКУСД);
15 - устройство синхронизации (УС);
16 - построитель траекторий (ПТ) РИО.
Использованы сокращения: СУ - сигналы управления, КУ - команды управления МГЛ, ВМ - вид модуляции, ИД - исходные данные, УК - угловые координаты.
N
1
Обзорная пассивная однопозиционная моноимпульсная трехкоординатная угломерно-разностно-доплеровская РЛС содержит (фиг. 4) антенное полотно цифровой антенной решетки АП ЦАР 1, в которое входят антенные элементы, МШУ и АЦП, и последовательно соединенный с ним линиями 1…G блок умножителей и маршрутизатор потока данных БУМПД 2. Первый выход БУМПД 2 подключен ко входу потока данных (ПД) диаграммообразующего устройства пеленгатора ДОУ Пл 3, первый (суммарный) выход которого соединен со входом БОИПС 4, выход которого подключен к первому входу УУ 5, к шестому входу которого подключен первый выход УЗОВФ 6, подключенный также к первому входу ВПХ 7. Второй выход УЗОВФ 6 соединен со вторым входом ВПХ 7, выход которого соединен со входом ВУСКР 8, а выход ВУСКР 8 подключен к седьмому входу УУ 5. Второй выход ДОУ Пл 3 (разностный) соединен со вторым входом УУ 5, шестой и седьмой выходы которого подключены ко входам соответственно БАСУК 9 и БАСУК 9.
1
N
1
N
Второй…N-й выходы БУМПД 2 подключены ко входам ПД соответственно ДОУ Пр 10 и ДОУ Пр 10, выходы которых соединены с первыми входами УПВН 11 и УПВН 11.
N
1
1
N
1
N
Первый выход УУ 5 соединен с отдельным управляющим входом БУМПД 2, а второй и третий выходы УУ 5 - соответственно с первым и вторым отдельными входами ДОУ Пл 3. Четвертый выход УУ 5 подключен к отдельному входу ДОУ Пр 10, а десятый выход УУ 5 - к отдельному входу ДОУ Пр 10, причем выходы ДОУ Пр 10 и ДОУ Пр 10 соединены с первыми входами соответственно УПВН 11 и УПВН 11, ко вторым входам которых подключен пятый выход УУ 5.
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
1
N
N
1
N
1
N
1
N
N
1
N
1
1
N
В состав РЛС вновь введены блоки ВПНЧ 12 … ВПНЧ 12, ВУНП 13 … ВУНП 13ВКУСД 14 … ВКУСД 14, УС 15 и ПТ 16. При этом к первым входам ВПНЧ 12 и ВПНЧ 12 подключены выходы соответственно УПВН 11 и УПВН 11, а ко вторым входам ВПНЧ 12 и ВПНЧ 12 подключен второй выход УС 15. Выход БАСУК 9 подключен к первому входу ВУНП 13 и третьему входу УУ 5, а выход БАСУК 9 - к первому входу ВУНП 13 и четвертому входу УУ 5. Выходы ВПНЧ 12 и ВПНЧ 12 подключены к первым входам соответственно ВКУСД 14 и ВКУСД 14, ко второму входу ВКУСД 14 подключен выход ВУНП 13, а ко второму входу ВКУСД 14 - выход ВУНП 13. Восьмой выход УУ 5 соединен со входом УС 15, первый выход которого подключен ко второму входу ВУНП 13, а второй выход УС 15 - дополнительно ко второму входу ВУНП 13 и к третьим входам ВКУСД 14 и ВКУСД 14.
1
N
Выходы ВКУСД 14 и ВКУСД 14 подключены соответственно к первому и второму входам ПТ 16, к третьему входу которого подключен девятый выход УУ 5. Выход ПТ 16 подключен к пятому входу УУ 5, одиннадцатый выход которого соединен со входом УЗОВФ 6, а двенадцатый выход - с третьим входом ВПХ 7. Тринадцатый выход УУ 5 является выходом системы.
РЛС работает следующим образом. После включения электропитания антенные элементы цифровой антенной решетки из состава АП ЦАР 1 принимают радиосигналы РИО, приходящие из заданной области обзора пространства (телесного угла), которые далее усиливаются, преобразуются на промежуточную частоту и подвергаются аналого-цифровому преобразованию. С выходов АП ЦАР 1 отсчеты смеси сигналов РИО и шумов поступают на входы блока умножителей и маршрутизатор потока данных БУМПД 2, где осуществляется их весовая обработка путем умножения на отсчеты функции W(x,y) Хэмминга, которые поступают в БУМПД 2 с первого выхода устройства управления УУ 5. Эти отсчеты извлекаются из устройства запоминания отсчетов весовой функции УЗОВФ 6 (выход 1) по команде, поступающей в УЗОВФ 6 из устройства УУ 5 (выход 11).
1
N
см
см
см
см
ПХ
ПХ
С выходов шины БУМПД 2 потоки данных поступают на диаграммообразующее устройство пеленгатора ДОУ Пл 3 и на диаграммообразующие устройства каналов приема сигналов ДОУ Пр 10 … ДОУ Пр 10. В ДОУ Пл 3 формируют моноимпульсную группу лучей с общим фазовым центром, состоящую из двух пар смещенных на углы β и ε парциальных лучей в азимутальной и угломестной плоскостях и суммарного луча. Углы β и ε определяются путем предварительного моделирования процесса приема и обработки сигналов амплитудного суммарно-разностного пеленгатора, с использованием задаваемых параметров ЦАР, в вычислителях ВПХ 7 и ВУСКР 8, откуда они поступают на седьмой вход УУ 5. После этого в вычислителях ВПХ 7 и ВУСКР 8 производится расчет рабочих зон Δβ по азимуту и Δε по углу места, в пределах которых обеспечивается линейность пеленгационных характеристик с ошибкой, не превышающей 0,01 ширины ДН по уровню половинной мощности, и коэффициентов  и  линейных частей разложений ПХ в ряды Маклорена.
ПХ
ПХ
m
m
Далее в устройстве управления УУ 5 формируются сигналы управления СУ и наборы фазовых распределений W, использование которых позволяет с помощью ДОУ Пл 3 осуществить обзор заданной области пространства за счет последовательной установки РСН МГЛ в центры рабочих зон Δβ и Δε. В процессе обзора принимают сигналы РИО по суммарному каналу, и в БОИПС 4 производят спектральный анализ заданного диапазона частот, обнаружение всей совокупности М сигналов РИО и измерение в течение интервала наблюдения на каждом участке разбиения их параметров: значений средних частот спектра, ширины спектров и видов модуляции сигналов. В ДОУ Пл 3 для каждого из обнаруженных сигналов осуществляют определение значений отсчетов относительно РСН угловых координат Δβ и Δε путем решения линейных уравнений
и
,
где  и  - сигналы угловых рассогласований с выходов угловых дискриминаторов.
Полученные данные передают в УУ 5, где на их основе селектируют N объектов (из совокупности М), избранных для автосопровождения, и вычисляют значения их УК в виде сумм
тек n
i
РСН n
n
β(t)=β+Δβ,
тек n
i
PCH n
n
ε(t)=ε+Δε,
где  - номер наблюдаемого объекта.
1
N
1
N
1
N
1
N
Полученные значения угловых координат сглаживаются в блоках автосопровождения по угловым координатам БАСУК 9 и БАСУК 9, а затем вновь поступают в УУ 5, где по их усредненным значениям , , формируются наборы фазовых распределений полей в раскрыве ЦАР, которые используются в диаграммообразующих устройствах каналов приема сигналов ДОУ Пр 10 … ДОУ Пр 10 для формирования N одиночных ДН приема сигналов выбранных объектов. Отсчеты смеси сигналов РИО и шумов с выходов ДОУ Пр 10 и ДОУ Пр 10 поступают в устройства приема и восстановления несущих частот УПВН 11 … УПВН 11, в которых осуществляют их согласованную с видом спектра фильтрацию и восстанавливают на основе известного вида модуляции, а затем фильтруют с помощью систем фазовой автоподстройки частоты их несущие частоты, образуя усредненные зависимости .
k,1
k
1
1
N
k,1
k,1
k,1
k,1
k
1
1
N
Hk,1
Далее, считая движение сопровождаемых объектов на интервале времени Δt=t-t равномерно-прямолинейным со всеми возможными курсовыми углами и углами пикирования (кабрирования), для каждого РИО в вычислителях углов на наклонных плоскостях ВУНП 13 … ВУНП 13 определяются, под управлением устройства синхронизации УС 15, с использованием формулы (1), углы c, каждый из которых является гипотенузой сферического прямоугольного треугольника с катетами Δβ и Δε и равен угловому размеру проекции на небесную сферу пути объекта за время Δt=t-t, а в вычислителях приращений несущих частот ВПНЧ 12 … ВПНЧ 12 - значения на тех же интервалах времени приращений несущих Δƒ по формуле (3), обусловленные эффектом Доплера.
k,1
Hk,1
1
N
1,1
1,N
1,N
1,1
1,N
k,1
k,N
Результаты расчетов величин углов c и приращений несущих Δƒ поступают в вычислители курсовых углов, скоростей и наклонных дальностей ВКУСД 14 … ВКУСД 14, в которых осуществляются в соответствии с формулами (4), (6-10) расчеты курсовых углов γ, γ, модулей векторов скорости V объектов и наклонных дальностей D, D-D, D.
1,N
1,N
k,N
N
N
Значения углов γ, скоростей V и текущих дальностей D, а также значения угловых координат β(t), ε(t) используются в построителе траекторий ПТ 16 для отображения траекторий движения РИО в пространстве на участках ее кусочно-линейной аппроксимации.
k,N
1
N
k,1
Одновременно с расчетами текущих значений дальностей D в ВКУСД 14 … ВКУСД 14 производится расчет по формуле (11) наклонной дальности до начальной точки участка аппроксимации  с использованием текущих значений времени и углов c.
1,N
N
k,N
k,1
k
1
В построителе траекторий ПТ 16 вычисляются величины модулей разностей дальностей  и производится их сравнение с порогом ΔD, используя для случая  значения γ, V, D для построения траектории движения РИО в течение времени Δt=t-t, а для случая  констатируют начало маневра объекта, и для дальнейшего построения его траектории на следующем участке кусочно-линейной аппроксимации производят расчеты по формулам (1)-(13) новых значений параметров движения объектов.
В процессе сеанса наблюдения осуществляется построение траекторий РИО в пространстве в течение всего времени наблюдения их сигналов и выдача данных потребителям о параметрах сигналов и параметрах движения РИО.
Для оценки точностных характеристик предложенного способа в зависимости от точностей измерений совокупности первичных параметров сигналов РИО и параметров движения объектов (несущих частот и их доплеровских приращений, УК и их приращений, времени) в Ростовском-на-Дону НИИ радиосвязи проведено математическое моделирование процессов, обеспечивающих достижение конечного результата. Этим результатом является измерение направлений и скоростей РИО, а также их наклонных дальностей и траекторий движения предложенным способом обзорной пассивной однопозиционной моноимпульсной трехкоординатной угломерно-разностно-доплеровской локации. При этом предполагалось, что:
- объекты движутся в контролируемой области пространства по произвольным направлениям равномерно и прямолинейно (в случае движения РИО по криволинейным траекториям осуществляется их кусочно-линейная аппроксимация) с любыми курсовыми углами и углами пикирования (кабрирования);
- энергии излучаемых РИО сигналов достаточно для решения задач обнаружения и измерения их параметров, а также УК объектов с малыми ошибками;
- пересчет параметров движения РИО в угловые координаты на наклонной плоскости и обратно не вносит дополнительных ошибок;
- оценка точности способа производится на основе статистического анализа ансамбля траекторий, совпадающих с прямолинейной траекторией, но в каждой точке мгновенные курсы и скорости, определяющие значения сдвигов несущих частот, распределены по нормальному закону.
В процессе моделирования сначала производился расчет точных (модельных) значений параметров движения РИО в сферической системе координат. Затем рассчитывались параметры движения объекта по формулам предложенного способа, производилось их усреднение по ансамблю траекторий и определялись среднеквадратические значения ошибок измерений курсовых углов, скорости и наклонных дальностей до объекта путем сравнения их модельных и рассчитанных значений.
В результате моделирования установлено, что при ошибках измерения:
- угловых координат, равных 2 угловым минутам,
- частоты, равных 1,0 Гц,
-6
- времени, равных 10 с,
относительные величины ошибок измерений курсового угла γ, скорости движения V и наклонной дальности D соответственно равны
.
Предложенный способ локации и реализующая его однопозиционная пассивная РЛС надежно функционируют в условиях приема флюктуирующих сигналов при достаточном отношении сигнал/шум (порядка 12-15 дБ), так как флюктуации влияют лишь на характеристики обнаружения и точность измерения энергетических параметров.
Реализация способа и устройства на его основе не встречает затруднений при современном уровне развития радиотехники и устройств цифровой обработки сигналов. Возможность реализации предложенного способа обеспечивает ему критерий «промышленная применимость».
Таким образом, использование предложенного способа обеспечивает, по сравнению с прототипом, следующие технико-экономические эффекты:
- обеспечена возможность измерения по единому алгоритму направлений движения, скоростей и траекторий РИО, перемещающихся в пространстве в произвольных направлениях с переменной высотой полета;
- достигнута возможность селекции объектов по совокупности параметров «скорость - угловые координаты»;
- обеспечена работоспособность способа и устройства при приеме сложных частотно-фазо-модулированных сигналов;
-6
- при ошибках измерения УК, равных 2 угловым минутам, и частоты, равных 1,0 Гц, а также времени, равных 10 с, относительные величины ошибок измерений курсового угла γ, скорости движения V и наклонной дальности D составляют
.