СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ ДО ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ
METHOD FOR DETERMINING DISTANCE TO EARTH SURFACE

Изобретение относится к области радиолокационной техники и может быть использовано при построении различных радиолокационных систем, предназначенных для определения дальности от движущегося объекта до поверхности земли, использующих принцип отражения радиоволн.
Известен аналог - способ определения дальности до поверхности земли (В.И. Вербицкий, Н.Н. Калмыков, С.А. Мельников, В.В. Соловьев, А.С. Рыжков. Радиовысотомер больших высот с ФКМ сигналом, Сборник трудов Третьей Всероссийской научно-технической конференции «Радиовысотометрия-2010», Каменск-Уральский, 2010 г., стр. 206-210), применяемый в радиовысотомерах, заключающийся в излучении зондирующих сигналов в направлении поверхности земли, в качестве которых используют радиоимпульсы с непериодической фазокодовой внутриимпульсной манипуляцией.
Реализация способа-аналога заключается в следующем.
Задают диапазон определяемых дальностей.
Используют в качестве зондирующих сигналов радиоимпульсы с непериодической фазокодовой внутриимпульсной манипуляцией. Определяют параметры радиоимпульсов, исходя из требований:
- радиоимпульсы должны иметь постоянные длительность  и период повторения ;
- радиоимпульсы должны состоять из N монохроматических субимпульсов длительностью τ, где N - постоянная величина;
- максимальная длительность радиоимпульсов  должна быть ограничена временем распространения сигнала от нижней границы диапазона определяемых дальностей до поверхности земли и обратно.
Реализуют фазокодовую внутриимпульсную манипуляцию модулированием М-последовательностями начальных фаз субимпульсов, принимающих одно из двух значений 0 или π.
н
Излучают в направлении поверхности земли зондирующие сигналы на постоянной несущей частоте ƒ.
Принимают сигналы, отраженные от поверхности земли.
Проводят согласованную фильтрацию отраженных сигналов с использованием в качестве весовых коэффициентов кодов, формирующих модулирующие М-последовательности.
Определяют дальность до поверхности земли.
В способе-аналоге радиоимпульсы имеют постоянные длительность и количество N монохроматических субимпульсов длительностью τ, что требует увеличения уровня мощности излучаемых радиоимпульсов при определении дальности до поверхности земли вблизи верхней границы диапазона определяемых дальностей.
Излучение зондирующих сигналов на постоянной несущей частоте с большим уровнем пиковой мощности излучаемых радиоимпульсов приводит к снижению функциональных возможностей способа при определении дальности до поверхности земли.
Известен способ определения дальности до поверхности земли (патент №2637817 РФ, МПК G01S 13/32 (2006.01). Способ определения дальности до поверхности земли / Кузнецов А.Я., Куликов Ю.М., Марков А.В., Хрусталев А.А. // Изобретения. Полезные модели. - 2017. - Опубл. 07.12.2017. - Бюл. №34), выбранный за прототип, применяемый в радиовысотомерах, заключающийся в излучении зондирующих сигналов в направлении поверхности земли, в качестве которых используют радиоимпульсы с непериодической фазокодовой внутриимпульсной манипуляцией.
Реализация способа-прототипа заключается в следующем.
Задают диапазон определяемых дальностей.
н
Используют в качестве зондирующих сигналов радиоимпульсы с непериодической фазокодовой внутриимпульсной манипуляцией, имеющие несущую частоту ƒ, длительность , период повторения , и состоящие из N монохроматических субимпульсов длительностью τ.
Реализуют фазокодовую внутриимпульсную манипуляцию модулированием М-последовательностями с длительностью дискрета τ начальных фаз субимпульсов, принимающих одно из двух значений 0 или π.
н
нi
Осуществляют перестройку несущей частоты ƒ радиоимпульсов от радиоимпульса к радиоимпульсу по случайному равновероятному закону в заданном диапазоне частот в каждом периоде повторения радиоимпульсов. Несущая частота ƒ для каждого i-го радиоимпульса постоянна.
Изменяют от радиоимпульса к радиоимпульсу длительность радиоимпульсов, период повторения радиоимпульсов и количество монохроматических субимпульсов в радиоимпульсе.
max
Определяют длительность  радиоимпульсов в i-ом периоде повторения радиоимпульсов как разность между временем распространения сигнала от движущегося объекта до поверхности земли и обратно для дальности, определенной в (i-1)-ом периоде и первой временной константой, определяемой условиями определения дальности до поверхности земли, где  a t соответствует времени распространения сигнала от движущегося объекта до поверхности земли и обратно для максимальной дальности до поверхности земли.
В начале работы за дальность до поверхности земли, определенную в (i-1)-ом периоде повторения, принимают дальность до поверхности земли, определенную с помощью иных средств измерений.
Определяют значение периода повторения  для i-го радиоимпульса как сумму времени распространения сигнала от движущегося объекта до поверхности земли и обратно для дальности, определенной в (i-1)-ом периоде и второй временной константы, определяемой временем, необходимым на перестройку несущей частоты от радиоимпульса к радиоимпульсу в каждом периоде повторения по случайному равновероятному закону в заданном диапазоне частот и временем, необходимым на прием сигналов, отраженных от поверхности земли в заданном секторе углов.
i
i
max
max
max
Определяют количество N монохроматических субимпульсов в i-ом радиоимпульсе как отношение длительности радиоимпульса в i-ом периоде повторения к длительности монохроматических субимпульсов (постоянная величина) с округлением до ближайшего целого в меньшую сторону, где N≤N, a N определяют из максимальной длительности радиоимпульса t.
нi
Излучают в направлении поверхности земли зондирующие сигналы на перестраиваемой от радиоимпульса к радиоимпульсу несущей частоте ƒ.
Принимают сигналы, отраженные от поверхности земли.
Проводят согласованную фильтрацию отраженных сигналов с использованием в качестве весовых коэффициентов кодов, формирующих модулирующие М-последовательности.
Определяют дальность до поверхности земли.
Недостатком способа-прототипа является отсутствие синхронизации периода повторения  с моментами излучения радиоимпульсов длительностью  состоящих из М монохроматических субимпульсов длительностью τ.
Отсутствие синхронизации приводит к погрешности определения дальности до поверхности земли, максимальное значение которой будет определяться половиной длительности дискрета модулирующих М-последовательностей.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности способа при определении дальности до поверхности земли.
н
н
i
max
max
max
max
i
i
i
i
Технический результат достигается тем, что в способе определения дальности до поверхности земли, заключающемся в излучении зондирующих сигналов в направлении поверхности земли, использовании в качестве зондирующих сигналов радиоимпульсов, имеющих несущую частоту ƒ, длительность  период повторения  и состоящих из N монохроматических субимпульсов длительностью τ, с непериодической фазокодовой внутриимпульсной манипуляцией, которую реализуют модулированием М-последовательностями с длительностью дискрета кода τ начальных фаз субимпульсов, принимающих одно из двух значений 0 или π, перестройке несущей частоты ƒ радиоимпульсов от радиоимпульса к радиоимпульсу по случайному равновероятному закону в каждом периоде повторения, определении и изменении от радиоимпульса к радиоимпульсу длительности радиоимпульсов, периода повторения радиоимпульсов и количества монохроматических субимпульсов, определении длительности  радиоимпульсов в i-ом периоде повторения радиоимпульсов как разности между временем распространения сигнала от движущегося объекта до поверхности земли и обратно для дальности, определенной в (i-1)-ом периоде и первой временной константой, определяемой условиями определения дальности до поверхности земли, определении значения периода повторения  для i-го радиоимпульса как суммы времени распространения сигнала от движущегося объекта до поверхности земли и обратно для дальности, определенной в (i-1)-ом периоде, длительности  радиоимпульсов в i-ом периоде и второй временной константы, определяемой временем, необходимым на перестройку несущей частоты от радиоимпульса к радиоимпульсу в каждом периоде повторения по случайному равновероятному закону в заданном диапазоне частот и временем, необходимым на прием сигналов, отраженных от поверхности земли в заданном секторе углов, определении количества N монохроматических субимпульсов в i-ом радиоимпульсе как отношения длительности радиоимпульса в i-ом периоде повторения к длительности монохроматических субимпульсов (постоянная величина) с округлением до ближайшего целого в меньшую сторону, где  приеме сигналов, отраженных от поверхности земли, проведении согласованной фильтрации отраженных сигналов с использованием в качестве весовых коэффициентов кодов, формирующих модулирующие М-последовательности, и определении дальности до поверхности земли для получения модулирующих М-последовательностей с длительностью дискрета τ непрерывно генерируют М-последовательности, длину которых задают как C, где C длина кода М-последовательности с длительностью дискрета τ, при манипулировании которой зондирующих сигналов получают радиоимпульсы, состоящие из N монохроматических субимпульсов длительностью τ, формируют в каждом i-ом периоде повторения стробирующие сигналы, которыми стробируют код М-последовательности длиной N, управляют длительностью стробирующих сигналов, обеспечивая формирование кодов М-последовательности длиной N и длительностью  где длительность  определяют как длительность N дискретов кодов М-последовательности, синхронизируют в каждом i-ом периоде повторения период повторения радиоимпульсов путем отсчета i-го периода повторения от начала первого дискрета сформированного кода М-последовательности длиной N и длительностью  и определения длительности периода повторения  для i-го радиоимпульса как произведения длительности дискрета τ кодов модулирующих М-последовательностей на коэффициент S, который определяют как отношение периода повторения  к длительности дискрета τ кода модулирующих М-последовательностей с округлением до ближайшего целого в большую сторону, используют полученные коды длиной N и длительностью  для фазокодовой внутриимпульсной манипуляции зондирующих радиоимпульсов и проведения согласованной фильтрации отраженных сигналов с использованием в качестве весовых коэффициентов.
Способ определения дальности до поверхности земли реализуется следующим образом.
Задают диапазон определяемых дальностей.
Используют в качестве зондирующих сигналов радиоимпульсы с непериодической фазокодовой внутриимпульсной манипуляцией.
Реализуют фазокодовую внутриимпульсную манипуляцию модулированием М-последовательностями с длительностью дискрета кода τ начальных фаз субимпульсов, принимающих одно из двух значений 0 или π.
Определяют параметры радиоимпульсов, исходя из требований:
- длительность  радиоимпульсов должна быть максимальна;
i
- количество N, монохроматических субимпульсов длительностью τ, в излучаемых радиоимпульсах должно быть максимально;
- период повторения  радиоимпульсов должен обеспечивать однозначность определения дальностей до поверхности земли.
i
- при определении дальности до поверхности земли изменение параметров радиоимпульсов длительности  количества N монохроматических субимпульсов и периода повторения  должно обеспечивать минимальный уровень пиковой мощности излучаемых радиоимпульсов при определении дальности до поверхности земли во всем диапазоне определяемых дальностей.
нi
нi
нi
Излучают в направлении поверхности земли зондирующие сигналы на перестраиваемой от радиоимпульса к радиоимпульсу несущей частоте ƒ. Перестройку несущей частоты ƒпроизводят в каждом периоде повторения по случайному (равновероятному) закону в заданном диапазоне частот. Несущая частота ƒ для каждого i-го радиоимпульса постоянна.
Принимают сигналы, отраженные от поверхности земли.
Проводят согласованную фильтрацию отраженных сигналов с использованием в качестве весовых коэффициентов кодов, формирующих модулирующие М-последовательности.
Определяют дальность до поверхности земли.
i
Рассмотрим более подробно определение и формирование параметров радиоимпульсов: определение переменных значений длительности  количества N монохроматических субимпульсов длительностью τ и периода повторения  радиоимпульсов.
Определение параметров радиоимпульсов
i
Длительность  количество N монохроматических субимпульсов и период повторения  радиоимпульсов в i-ом периоде повторения радиоимпульсов определяют в зависимости от дальности до поверхности земли, определенной в (i-1)-ом периоде повторения (в предыдущем периоде повторения).
В начале работы за дальность до поверхности земли, определенную в (i-1)-ом периоде повторения, может быть принята дальность до поверхности земли, определенная с помощью иных средств измерений.
Время распространения сигнала от движущегося объекта до поверхности земли и обратно для дальности, определенной в (i-1)-ом периоде, равно:
(i-1)
где R - дальность до поверхности земли, определенная в (i-1)-ом периоде повторения;
с - скорость распространения электромагнитных волн.
Значение длительности  радиоимпульса в i-ом периоде повторения определяют:
где  - первая временная константа, определяемая условиями определения дальности до поверхности земли;
мз
t - время, определяемое величиной «мертвой» зоны приемника измерителя дальности при измерении дальности;
- время, определяемое погрешностью измерения дальности измерителя дальности;
- время, определяемое максимальным изменением высоты рельефа поверхности земли за один период повторения радиоимпульсов;
вс
t - время, определяемое изменением дальности до поверхности земли за один период повторения радиоимпульсов при наличии вертикальной скорости движения движущегося объекта.
max
Значение длительности  радиоимпульса в i-ом периоде повторения определяют исходя из условия:  где t соответствует времени распространения сигнала от движущегося объекта до поверхности земли и обратно для максимальной дальности до поверхности земли.
i
Количество N монохроматических субимпульсов в i-ом радиоимпульсе определяют:
где  - округление до ближайшего целого в меньшую сторону;
- длительность радиоимпульса в i-ом периоде повторения;
τ - длительность монохроматических субимпульсов (постоянная величина).
i
i
max
max
max
Количество N монохроматических субимпульсов в i-ом радиоимпульсе определяют исходя из условия: N≤N, где N определяют из максимальной длительности радиоимпульса t.
Значение периода повторения  для i-го радиоимпульса определяют:
где
const
t - вторая временная константа;
- время, необходимое на перестройку несущей частоты от радиоимпульса к радиоимпульсу в каждом периоде повторения по случайному (равновероятному) закону в заданном диапазоне частот;
- время, необходимое на прием сигналов, отраженных от поверхности земли в заданном секторе углов.
Формирование параметров радиоимпульсов
max
max
max
Для получения модулирующих М-последовательностей с длительностью дискрета τ непрерывно генерируют М-последовательности, длину которых задают как C, где C длина кода М-последовательности с длительностью дискрета τ, при манипулировании которой зондирующих сигналов получают радиоимпульсы, состоящие из N монохроматических субимпульсов длительностью τ.
max
Радиоимпульсы, состоящие из N монохроматических субимпульсов длительностью τ, предназначены для измерения максимальной дальности до поверхности земли.
max
Формируют в i-ом периоде повторения с периодом повторения  стробирующие сигналы, которыми стробируют код М-последовательности длиной N.
i
Формируют временное положение срезов стробирующих сигналов так, чтобы в каждом i-ом периоде повторения временное положение среза стробирующего сигнала соответствовало временному положению среза N дискрета кода М-последовательности, где первый дискрет соответствует первому дискрету кода М-последовательности, целиком попадающему в стробирующий сигнал.
Формируют коды М-последовательности в каждом i-ом периоде повторения стробируя непрерывно (циклически) генерируемые коды М-последовательностей стробирующими сигналами.
i
ui
i
Управляют длительностью стробирующих сигналов, обеспечивая формирование кодов М-последовательности длиной N и длительностью  где длительность t* определяют как длительность N дискретов кодов М-последовательности.
i
Синхронизируют в каждом i-ом периоде повторения период повторения радиоимпульсов путем отсчета i-го периода повторения от начала первого дискрета сформированного кода М-последовательности длиной N и длительностью  и определения длительности периода повторения  для i-го радиоимпульса как произведения длительности дискрета τ кодов модулирующих М-последовательностей на коэффициент S, который определяют как отношение периода повторения  к длительности дискрета τ кода модулирующих М-последовательностей с округлением до ближайшего целого в большую сторону.
i
Используют полученные коды длиной N и длительностью  для фазокодовой внутриимпульсной манипуляции зондирующих радиоимпульсов и проведения согласованной фильтрации отраженных сигналов с использованием в качестве весовых коэффициентов.
Данный способ определения дальности до поверхности земли имеет существенные отличия от прототипа.
i
В данном способе определения дальности до поверхности период повторения  синхронизирован с моментами излучения радиоимпульсов длительностью  состоящих из N монохроматических субимпульсов длительностью τ, и таким образом, исключена одна из составляющих погрешности определения дальности до поверхности земли, максимальное значение которой определяется половиной длительности дискрета модулирующих М-последовательностей.
Так при длительности дискрета модулирующих М-последовательностей 50 нс максимальное значение данной составляющей погрешности измерения дальности составит 7,5 м.
Кроме того, данный способ определения дальности до поверхности земли имеет дополнительные существенные отличия от аналога.
В данном способе определения дальности до поверхности земли обеспечивается расширение функциональных возможностей при определении дальности до поверхности земли за счет:
- перестройки несущей частоты радиоимпульсов от радиоимпульса к радиоимпульсу по случайному равновероятному закону;
- снижения требований к стабильности фазы зондирующих сигналов.
Стабильность фазы зондирующих сигналов требуется не за время полного периода зондирующих сигналов, а лишь за время, соответствующее времени излучения данного радиоимпульса. А эффект Доплера практически не оказывает влияния при обработке отраженных сигналов, т.к. осуществляется перестройка несущей частоты радиоимпульсов от радиоимпульса к радиоимпульсу по случайному равновероятному закону.
- снижения уровня пиковой мощности излучаемых радиоимпульсов, которое обусловлено двумя факторами:
i
i
а) значение длительности  радиоимпульса в i-ом периоде повторения - величина переменная и определяется дальностью до поверхности земли, измеренной в предыдущем периоде измерений (временем распространения сигнала от движущегося объекта до поверхности земли и обратно для дальности, определенной в предыдущем периоде). Это позволяет изменять количество N монохроматических субимпульсов длительностью τ в излучаемых радиоимпульсах, увеличивая их количество при увеличении измеряемой дальности, и, тем самым, не требовать увеличения уровня мощности излучаемых радиоимпульсов при определении дальности до поверхности земли вблизи верхней границы диапазона определяемых дальностей. Так N может составлять единицы при малых дальностях и сотни - при больших дальностях. При этом выигрыш в отношении сигнал/шум за счет когерентной обработки может составить десятки децибел;
б) значение периода повторения  для i-го радиоимпульса - величина переменная и определяется значением длительности  радиоимпульса в i-ом периоде повторения, временем распространения сигнала от движущегося объекта до поверхности земли и обратно для дальности, определенной в предыдущем периоде и константой, значение которой в основном определяется временем, необходимым на перестройку несущей частоты от радиоимпульса к радиоимпульсу в каждом периоде повторения. Это позволяет изменять значение периода повторения  для i-го радиоимпульса, обеспечивая однозначность измерения дальности до поверхности земли. Необходимо отметить, что наличие константы приводит к тому, что скважность радиоимпульсов является переменной и уменьшается при увеличении измеряемой дальности, тем самым увеличивая среднюю мощность излучаемых радиоимпульсов. Так скважность радиоимпульсов может составлять единицы при больших дальностях и сотни (и даже тысячи) - при малых дальностях.
Таким образом, данный способ определения дальности до поверхности земли имеет существенные отличия от известных способов определения дальности, поскольку обеспечивается повышение точности способа при определении дальности до поверхности земли.