СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРАЕКТОРИИ ДВИЖЕНИЯ НИЗКОЛЕТЯЩИХ ЦЕЛЕЙ
METHOD FOR DETERMINING THE TRAJECTORY OF MOVEMENT OF LOW-FLYING TARGETS

Изобретение относится к радиолокации и технике пеленгации сигналов и может использоваться для обнаружения, пеленгации и определения траектории движения низколетящих целей (НЛЦ), для измерения угломестной координаты источников радиоизлучения воздушных объектов в аппаратуре обработки угломестных каналов наземных и надводных радиолокационных станций (РЛС) с антенными решетками (АР) в условиях, когда наряду с основным сигналом, отраженным собственно НЛЦ, принимаются мешающие сигналы, переотраженные подстилающей земной или водной поверхностью.
В известных методах (Л.1, Л.2) для устранения мешающего действия сигналов подстилающей поверхности осуществляют сужение диаграммы направленности АР в вертикальной плоскости, повышение разрешающей способности РЛС по дальности, экранирование антенных решеток для устранения возможности приема сигналов, переотраженных земной или водной поверхностью. При сужении ширины диаграммы направленности АР в вертикальной плоскости уменьшается область углов, в которой существует сильная корреляция сигналов, принятых непосредственно от источника излучения и переотраженного земной поверхностью. Вне этой зоны сигналы некоррелированны, и результаты их обработки практически независимы. Поэтому снижение эффективности устройства происходит в пределах ширины диаграммы направленности АР и, чем она , тем меньше снижается эффективность измерителя.
В известном техническом решении, принятом за наиболее близкий аналог (Л.3), повышение точности определения угломестных координат при наличии сигналов, переотраженных подстилающей поверхностью, достигается за счет использования информации, связанной с фазовой структурой сигналов, принятых от источника радиоизлучения, посредством использования двухквадратурного сигнала. Известное устройство содержит М антенных элементов, N канальных приемников, соответствующих приему сигналов с различных углов места, устройство выбора луча и вычислитель высоты с индикатором. В известном устройстве достаточно сложно исключить мешающие сигналы, переотраженные подстилающей поверхностью, и требуется более узкая диаграмма направленности АР и высокое разрешение по дальности для точного измерения угломестной координаты и определения траектории движения НЛЦ.
Технический результат предлагаемого способа состоит в возможности точного измерения угломестной координаты и определения траектории движения НЛЦ в условиях мешающих сигналов, условно представляющих собой антипод НЛЦ, АР с более широкой диаграммой направленности и меньшей разрешающей способностью по дальности.
ВНО
МПП
ВНОК
Для этого приемной антенной измерительного устройства в виде цифровой антенной решетки принимают отраженные от цели сигналы, несущие информацию о положении НЛЦ в реальном масштабе времени, формируют в приемном устройстве массивы дискретных отсчетов, на основании которых вычисляют текущую оценку угла места с, экстраполированную на момент времени t, исключают влияние мешающего сигнала, представляющего собой антипод НЛЦ, путем параллельного использования метода внеосевого сопровождения (ВНО), метода максимального правдоподобия (МПП) и метода внеосевого сопровождения с коррекцией (ВНОК), использующего результаты текущих оценок коэффициента отражения ρ и фазы ϕ, отраженного от подстилающей поверхности сигнала, окончательная оценка угла места определяется как средневзвешенный результат трех оценок (ε, ε, ε) со своими весовыми коэффициентами, учитывая ожидаемую достоверность измерения.
Формирование массива отсчетов осуществляют путем выборки дискретных отсчетов входных сигналов из группы пачек на адаптивных интервалах сглаживания в зависимости от дальности и скорости цели.
Сглаживание осуществляют путем полиномиальной аппроксимации на интервале сглаживания отношения сигналов разностной и суммарной диаграмм направленности на рабочей длине волны.
ВНО
При внеосевом сопровождении НЛЦ для вычисления оценки угла места ε предварительно сглаженные значения нормированных отсчетов сигналов двух квадратур разностной диаграммы направленности по углам места, получаемые при совпадении оси разностной диаграммы направленности с направлением на точку подложки под целью, складывают с экстраполированными значениями угла места, получаемыми на основе предыдущего интервала сглаживания с учетом взвешивающих весовых коэффициентов, при этом максимальный вес придают новым отсчетам угла при квадратурном сглаживании сигналов цели и антипода (ϕ=±π/2±2πn), когда ошибка измерений угла места минимальна, при синфазном и противофазном сложении (ϕ=πn) весовой коэффициент выбирают равным нулю.
МПП
Текущую оценку ε методом максимального правдоподобия производят на основании сформированных первичных отсчетов, сглаженных нормированных диаграмм направленности, имеющих в области расположения цели форму полиномов первого и второго порядка, затем осуществляют поиск максимума функционала правдоподобия на множестве фиксированных точек <ε, ρ, ϕ> в области возможных изменений этих параметров и, после итерационного процесса, вычисляют наиболее «правдоподобные» точки, которые принимают за оценку этих параметров с учетом достоверности. Весовой коэффициент, используемый при формировании единичной оценки угла места, наибольший при ϕ=±π/2±2πn и наименьший при ϕ=πn. Итерационный процесс состоит в проверке ряда гипотез, т.е. наборов значений <ε, ρ, ϕ>.
ВНОК
Текущую оценку ε по методу внеосевого сопровождения с коррекцией результатов производят по методу внеосевого сопровождения с учетом текущих оценок ρ и ϕ, полученных методом максимального правдоподобия.
На фиг. 1 изображена структурная схема устройства, реализующего заявленный способ. Измерительное устройство содержит приемную антенну в виде цифровой антенной решетки (1), антенну подсвета и обзора (2), устройство цифровой обработки сигналов (7), многоканальный приемник цифровой антенной решетки (3), передатчик зондирующего сигнала (5), приемное устройство антенны подсвета и обзора (4), прибор управления и измерения координат (6).
На фиг. 2 представлена геометрическая модель прохождения сигналов «цель-антипод» без учета сферичности земли.
На фиг. 2 использованы следующие обозначения:
A
г
A
ц
Ц
i
А - измерительная антенна, Ц - цель, Ц - антипод цели, П - точка подложки под целью, АЦ=d - дальность до цели, BП=d - горизонтальная дальность до цели, АВ=h - высота антенны, ЦП=h - высота цели, ε - угол между направлением на цель и на подложку, ε - истинный угол места цели, нормаль антенны - линия, проходящая через центр антенны А, ВС - линия горизонта.
В измерительном устройстве формируют передающий луч суммарной диаграммы направленности.
Сигналы, отраженные от цели и попадающие на приемную антенну 1, выполненную в виде антенной решетки, принимают многоканальным приемником 3, состоящим из отдельных приемных устройств в канале каждого элемента антенной решетки 1. В них происходит усиление сверхвысокочастотных отраженных сигналов, их фильтрация, преобразование частоты с выделением сигнала промежуточной частоты. Высокочастотные импульсы промежуточной частоты усиливаются и, после прохождения фазовых детекторов, приобретают форму видеоимпульсов в виде сигналов двух квадратурных составляющих (синус, косинус) и поступают в аналого-цифровой преобразователь блока 7. Дальнейшую обработку сигналов осуществляют в блоке цифровой обработки сигналов 7, где в цифровом виде образуется сигнал, пропорциональный диаграмме направленности антенной решетки, и осуществляется согласованная фильтрация, когерентное накопление и обнаружение с предварительной сортировкой сигналов.
Для измерения угла места НЛЦ используют метод внеосевого сопровождения с весовой обработкой и метод максимального правдоподобия. Алгоритм измерения угла места сопровождаемой НЛЦ представляет собой три параллельно работающих и взаимосвязанных алгоритма: алгоритм внеосевого сопровождения со специальной весовой обработкой, алгоритм максимального правдоподобия и алгоритм внеосевого сопровождения с коррекцией результатов, для которого используются сглаженные значения комплексного коэффициента отраженного сигнала, измеренного по методу максимального правдоподобия. Эти три метода работают по входным данным, формируемым алгоритмом формирования входных данных на основе данных, представляющих собой первичные измерения координат целей. Результаты работы трех параллельных методов объединяют с весовыми коэффициентами, учитывающими ожидаемую достоверность результатов каждого из них.
Отсчеты единого времени системы следуют с дискретом 1 мс. Все временные отрезки округляют до целого числа. Все моменты времени выражают целыми числами - номерами отсчетов единого времени. Временная разбивка входных сигналов независима, так как интервалы, на которых происходит сглаживание при обработке принимаемых сигналов адаптивны, и зависят от дальности и скорости цели. При формировании входных данных НЛЦ вычисляют моменты начала интервалов сглаживания и производят их распределение.
На вход устройства 7 поступает массив входных данных. Из массива данных выделяют те компоненты, которые относятся к конкретной сопровождаемой НЛЦ. В соответствии с временной структурой, последовательно вычисляют значения моментов времени, соответствующие началу очередного интервала сглаживания. Далее вычисляют количество пачек, работающих по НЛЦ в режиме автоматического сопровождения в течение i-ого интервала сглаживания; для каждого i-го интервала вычисляют средние за i-ый интервал сглаживания значения параметров: уровень шумов, амплитуды сигналов суммарной и разностной диаграмм направленности по углу места, рабочую длину волны и отклонение максимума луча от нормали антенной решетки.
ВНО
При методе внеосевого сопровождения используют для вычисления угла места НЛЦ предварительно сглаженные значения нормированных сигналов двух квадратур разностной диаграммы направленности по углу места, получаемые при совпадении оси разностной диаграммы направленности (направления ее главного нуля) с направлением на точку подложки под подвижным объектом. Отдельные отсчеты угла вычисляют без учета влияния подстилающей поверхности антипода, но измеренные значения угла места формируют путем взвешенного сложения этих отсчетов с экстраполированными значениями угла места, получаемыми на основании предшествующих измерений, установленных начальных значений угла места и скорости его изменения. Специальную весовую обработку организуют на основе анализа изменения квадратур разностной диаграммы направленности таким образом, что максимальный вес придается новым отсчетам угла при квадратурном сложении сигналов цели и антипода, когда ошибка оценки угла минимальна, и, наоборот, при синфазном и противофазном сложении этот вес падает до нуля. На основе сформированных таким образом значений угла вычисляют сглаженные и экстраполированные функции ε.
1
1
ВНО
ВНО
ВНО
ВНО
Алгоритм метода внеосевого сопровождения состоит из следующих частных алгоритмов: формирование массива первичных отсчетов квадратурных составляющих Q нормированной разностной диаграммы направленности, сглаживание и экстраполяция параметров Q, вычисление весовых коэффициентов для формирования первичных отсчетов угла ε, формирование массива первичных отсчетов угла ε, вычисление коэффициентов экстраполяции формулы сглаживания и экстраполяции параметров для угла ε и формирование выходных данных по методу внеосевого сопровождения, то есть, вычисление угла ε для требуемых моментов времени.
1
Алгоритм формирования массива первичных отсчетов квадратурных составляющих Q нормированной разностной диаграммы направленности выполняет вычисления в реальном масштабе времени, т.е. после получения в момент t данных по каждой очередной пачке, причем на вычисление по этой пачке затрачивается время, которое должно быть меньше минимальной длительности пачки.
1
1
1
Алгоритм «сглаживание и экстраполяция» параметров Q осуществляет накопление в течение отрезка времени, соответствующего i-ому интервалу сглаживания, массива первичных отсчетов, передаваемых в реальном времени алгоритмом формирование массива первичных отсчетов квадратурных составляющих Q, а затем, начиная с момента передачи данных, выполняет вычисление коэффициентов формулы сглаживания и экстраполяции параметров. После получения данных от алгоритма сглаживания и экстраполяции параметров Q начинает работу алгоритм вычисления весовых коэффициентов, причем в его памяти хранятся некоторые данные от всех или от части предшествующих интервалов сглаживания.
2
1
1
Алгоритм метода максимального правдоподобия состоит из следующих частных алгоритмов: алгоритма формирования массива первичных отсчетов вещественных составляющих Q нормированных диаграмм направленности, имеющих в области расположения подвижного объекта форму полиномов первого и второго порядка, в дополнение к ранее вычисленным значениям Q формирования массива первичных отсчетов квадратурных составляющих Q нормированной разностной диаграммы направленности, алгоритма сглаживания и интерполяции отсчетов, алгоритма вычисления весовых коэффициентов, алгоритма формирования первичных отсчетов вектора параметров НЛЦ ρ, алгоритма вычисления коэффициентов экстраполяции для вектора параметров, алгоритма формирования выходных данных по методу максимального правдоподобия, то есть вычисления экстраполированных значений параметров для требуемых моментов времени.
При измерении угла места НЛЦ в общем случае цифровая обработка сигнала формирует помимо суммарной и разностной диаграмм направленности по углу места первого и второго порядка, квадратичную диаграмму направленности, имеющую ноль в направлении нуля разностной диаграммы направленности. Эти диаграммы направленности образуют полный базис в линейном пространстве всех возможных диаграмм направленности приемной антенной решетки по углу места.
Задачей измерения угла места НЛЦ является восстановление по известным значениям Q, искаженным гауссовыми шумами и аномальными выбросами, истинного значения угла места с наименьшей погрешностью.
1
При использовании метода максимального правдоподобия формируют базовый массив образцовых векторов, представляющих все возможные решения (с определенным дискретом), а затем осуществляют поиск максимума функционала правдоподобия. Одновременное использование методов внеосевого сопровождения и максимального правдоподобия вызвано следующими причинами: метод внеосевого сопровождения использует анализ изменений Q на ограниченном участке траектории цели и поэтому может давать неточные результаты на значительном отрезке времени в начале траектории цели и при быстрых маневрах цели, метод максимального правдоподобия может оказаться неэффективным при очень малых углах места НЛЦ. В то же время, если метод максимального правдоподобия дает удовлетворительную оценку параметров ρ и ϕ, полученные значения этих параметров могут быть эффективно использованы для коррекции результатов измерений ε по методу внеосевого сопровождения.
г
При измерении угла места НЛЦ, как методом внеосевого сопровождения, так и методом максимального правдоподобия, используют симметричную модель «подвижный объект-антипод», т.е. ось разностной диаграммы направленности антенны устанавливают при измерениях в направлении линии, проведенной через центр антенны А и точку подложки под целью Ц (фиг. 2), угловые координаты которой при известной высоте антенны над уровнем моря также можно считать известными, т.к. дальность цели определяется с достаточной точностью. Кроме того, если дальность цели d меньше дальности радиогоризонта, то угловые координаты точки П определяют непосредственно путем измерения угла места участка морской поверхности, находящегося на расстоянии d от антенны.
Использование изобретения позволяет повысить точность измерения угломестной координаты и определить траекторию движения НЛЦ при более широкой диаграмме направленности и меньшей разрешающей способности измерительного устройства по отношению к указанным параметрам прототипа, что обеспечивает более простую техническую реализацию предлагаемого измерительного устройства.
Литература:
1. Бартон Д., Вард Г. Справочник по радиолокационным измерениям. М.: Советское радио, 1976 г.
2. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. М.: Советское радио, 1970 г.
3. Литвин М.В. Патент №RU 2073879 (G01S 3/14, 20.02.1997).