ПАССИВНЫЙ РАДИОЭЛЕКТРОННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОДНОПОЗИЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ КООРДИНАТ И ЭЛЕМЕНТОВ ДВИЖЕНИЯ ОБЪЕКТА МЕТОДОМ ЛИНЕЙНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ КАЛМАНА-БЬЮСИ

Полезная модель относится к радиолокации, а именно, к радиолокационным комплексам с режимами пассивного обнаружения, установленным на различных носителях и может быть использована для определения координат и параметров движения объектов.
Цель полезной модели - сокращение времени однопозиционного определения горизонтальных координат и элементов движения объектов, неизлучающих активных радиолокационных сигналов, путем ускорения сходимости процесса вычисления дистанции, при соблюдении скрытности работы.
Уровень техники
5
Известен способ определения курсового угла и координат местоположения объектов, заключающийся в определении указанных параметров и по радионавигационным сигналам космических аппаратов спутниковых радионавигационных систем и интегрального доплеровского или фазового метода измерений радионавигационного параметра и двойной разности фаз прохождения фронтом волны навигационного радиосигнала одного и того же спутника до двух пространственно разнесенных антенн. Для реализации этого способа используются четыре приемные устройства одночастотного навигационного радиосигнала одного и того же навигационного искусственного спутника Земли, антенны которых пространственно взаимно ортогонально разнесены между собой и образуют прямоугольную систему координат, оси которой параллельны осям объекта. При одновременном приеме упомянутого сигнала спутника, осуществляется выделение колебаний с частотой, равной разности доплеровских сдвигов частоты в каждой ортогональной паре, принятых антенно-приемными устройствами, одно из которых в каждой паре является ведущим, а другое - ведомым, для чего в ведомых приемных устройствах в качестве гетероидных сигналов используются сигналы генераторов управляющих напряжением систем фазовой автоподстройки частот ведущих приемных устройств, затем производят измерение разностей доплеровских сдвигов частоты, измерение отношения разностей доплеровских приращений и определение собственно курсового угла и координат местоположения объекта. При этом точность измерений обеспечивается исключением погрешностей, с точностью до значения коэффициента взаимной корреляции, обусловленных нестабильностью сигналов генераторов, условиями распространения радиоволн, тепловым шумом, нелинейностью фазовых диаграмм антенн и их углового перемещения относительно центра масс объекта (Патент РФ №2022294, MПК G01S 5/10, 1992 г., опубл. 30.10.1994 г.) [1].
Недостатком известного способа и устройства для его осуществления является необходимость в создании сложной системы космических аппаратов, два из которых обеспечивают измерительную базу дистанции, а один - угловые измерения по данным активных демаскирующих радионавигационных сигналов от базовых космических аппаратов, т.е. невозможность однопозиционного определения горизонтальных координат и элементов движения объектов, неизлучающих активных радиолокационных сигналов в пассивном, скрытном режиме работы.
6
Известен способ (варианты) и система для определения положения объекта, состоящая из неподвижной наземной станции с терминалом связи в виде передатчика, интерфейса с базой данных и процессора, кроме того станция включает в себя основную и вспомогательную антенны, основной и вспомогательный искусственные спутники Земли с ретрансляторами, размещенные на геосинхронной орбите на линии прямой видимости со станцией и наземным подвижным объектом, например автомобилем имеющим терминал связи с антенной, при этом основная антенна находится в зоне прямой видимости с основным спутником и может следить за ним (Патент РФ №2084916, МПК G01S 5/10, Н04В 7/185, 1990 г., опубл. 20.07. 1997 г.)[2].
Способ реализуется следующим образом. Отдельные периодические сигналы передаются со станции через основной и вспомогательный спутники Земли, положения которых должны быть заранее известны, к объекту, позицию которого нужно определить (в вариантах количество передатчиков и спутников может быть увеличено). Фазовый сдвиг в периодических характеристиках периодических сигналов, полученных от спутников измеряется на объекте, при этом фазовый сдвиг характеризует относительную разницу во времени прохождения сигналов, идущих разными путями к объекту. Объект посылает через основной спутник обратный сигнал, указывающий на измеренную относительную временную разницу, этот сигнал используется в дальнейшем в соответствии с местным временем объекта, которое корректируется по приему периодического сигнала, посылаемого через основной спутник и является началом особого временного периода, определяемого режимом работы станции. На станции используют задержку прохождения сигнала, определяемую разницей между тактовым импульсом текущей передачи и тактовым импульсом приема обратного сигнала, а также измененную временную разницу, посылаемую с обратным сигналом для вычисления расстояний между основным и вспомогательным спутниками до объекта, из которых определяется его положение.
Недостатками известного способа и системы для его осуществления является необходимость в создании сложной системы искусственных спутников Земли, наземной станции с приемо-передающими антеннами и приемо-передающей антенны объекта, использование активных демаскирующих радионавигационных сигналов от спутников, станции и объекта, т.е. невозможность однопозиционного определения горизонтальных координат и элементов движения объектов, неизлучающих активных радиолокационных сигналов в пассивном, скрытном режиме работы, а также то что положения спутников должны быть заранее известны.
За прототип принято измерительное устройство, состоящее из радиолокатора с равномерным циклическим обзором, у которого каждое единичное наблюдение (один цикл обзора) представляет собой совокупность случайных сигналов содержащих информацию о текущей реализации потока объектов. Эти сигналы после соответствующей обработки, посредством блоков различного назначения, могут быть представлены в виде совокупности случайных точек, каждая из которых характеризуется некоторым набором параметров. (П.А.Бакут, Ю.В.Жилина, Н.А.Иванчук. Обнаружение движущихся объектов Москва, Советское Радио 1980 г. с.94-96) [3].
В качестве прототипа алгоритма определения координат объекта и ЭДО принят оптимальный фильтр Калмана в виде линейной системы, которая формируется в терминах пространства состояний, т.е. алгоритм фильтрации представляет собой систему линейных дифференциальных уравнений записанных в форме Коши и разрешенных относительно первых производных. (В.В.Матвеев, В.Я.Распопов. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем, Санкт-Петербург, 2009 г, с.215-258)[4].
К недостаткам выбранных прототипов можно отнести работу радиолокационной станции в активном режиме, что демаскирует носитель и невозможность определения дистанции до цели в пассивном режиме одиночным носителем. Кроме того, реализация фильтра Калмана для задачи определения координат представляет собой медленно сходящийся процесс, который для получения оценок требует значительного времени.
Цель полезной модели - сокращение времени однопозиционного определения горизонтальных координат и элементов движения объектов, неизлучающих активных радиолокационных сигналов, путем ускорения сходимости процесса вычисления дистанции, при соблюдении скрытности работы.
Указанная цель достигается тем, что пассивный радиоэлектронный комплекс для однопозиционного определения горизонтальных координат и элементов движения объекта методом линейной фильтрации Калмана-Бьюси, содержащий антенну, блок обнаружения радиолокационного сигнала, блок измерения параметров сигнала и пеленгов, блок сопровождения сигнала по пеленгу, блок статистической оценки пеленга, временного изменения пеленга и временного изменения расстояния, фильтр Калмана, блок оценки дистанции и элементов движения объекта, экран и блок освещения текущей обстановки, снабжен блоком построения множества фильтров Калмана для их одновременного использования с целью расширения измеряемого информационного пространства и ускорения сходимости процесса вычисления дистанции.
Раскрытие полезной модели
Известны сложности в определении расстояния до сверхдальних объектов многопозиционными системами по угломерным измерениям, но для однопозиционной пассивной системы указанная задача не может быть решена существующими способами и устройствами для их осуществления.
В заявляемом решении фильтрация координат объекта осуществляется с привлечением дополнительной информации с последующим применением адаптивных алгоритмов обработки имеющихся данных. При такой постановке задачи принципиально можно ограничится рассмотрением относительного движения двух тел - объекта и наблюдателя.
Кинематические уравнения, определяющие относительное движение двух тел (двух геометрических точек в пространстве), в детерминированном случае представляет собой нелинейные векторные дифференциальные уравнения.
Типовая рандомизация модели детерминированной динамической системы позволяет представить описание случайного процесса (состояния системы) Х (t) в виде стохастических нелинейных дифференциальных уравнений:
где:
- символ первой производной;
X(t) - оценка текущего вектора состояний в момент времени t;
Х(t+1) - оценка текущего вектора состояний в момент времени t+1;
F(X,t) - n - мерная неслучайная вектор - функция своих аргументов;
ς(Х,t) - n - мерный случайный процесс с известными вероятностными характеристиками.
Без потери общности процесс ς(Х,t) полагается белым шумом и тогда процесс Х(t) представляет собой марковский случайный процесс.
Использование дополнительной (помимо угломерной) измерительной информации (мощности сигнала от объекта) в качестве одной из составляющих вектора состояния Х(t) позволяет определить непосредственно дальность до объекта.
Конкретный вид векторных нелинейных уравнений состояния определяется выбором системы координат, в которой решается задача и допускается многовариантность.
Оптимальный алгоритм процесса Х(t) находится на основе марковской теории нелинейной фильтрации.
Общепринятым методом решения нелинейных уравнений является их линеаризация и нахождение оптимального алгоритма оценки вектора Х(t) в рамках линейной калмановской фильтрации.
Скорость сходимости и качество оценок координат зависят в первую очередь от степени априорной неопределенности информации о параметрах движения объекта и от специфики решаемой задачи.
Для существенного ускорения сходимости оценок необходимо применение пассивной радиолокации комплекса для адаптивных методов обработки сигналов, которые и составляют суть данной полезной модели.
Для осуществления полезной модели предлагается использовать пассивный радиоэлектронный комплекс для однопозиционной оценки координат и элементов движения объекта методом линейной фильтрации Калмана-Бьюси, путем расширения измеряемого информационного пространства за счет непрерывного процесса обработки последовательности принимаемых уровней сигнала совместно с последовательностью измеряемых пеленгов на объект, неизлучающий активных радиолокационных сигналов.
Уменьшение времени оценки координат объекта и ЭДО достигается ускорением процесса сходимости оценок при одновременном использовании множества фильтров Калмана, с соблюдением скрытности работы.
Краткое описание функциональной схемы
о
о
о
Состав заявляемого пассивного радиоэлектронного комплекса для однопозиционного определения горизонтальных координат и элементов движения объекта методом линейной фильтрации Калмана-Бьюси поясняется функциональной схемой, где П -начальный пеленг на объект, ВИП- начальное значение временного изменения пеленга на объект, ВИР - начальное значение временного изменения расстояния, отнесенного к начальной дистанции, ЭДО - элементы движения объекта, П - оценка пеленга на объект, D - оценка дистанции до объекта, V - оценка скорости объекта, К - оценка курса объекта, ВИП - оценка величины изменения пеленга, ВИР - оценка величины изменения расстояния и U(t) - уровень сигнала.
о
о
о
Комплекс содержит антенну 1, блок обнаружения радиолокационного сигнала 2, блок измерения параметров сигнала и пеленгов 3, блок сопровождения сигнала по пеленгу 4, блок статистической оценки П, ВИП и ВИР 5, блок построения множества фильтров Калмана 6, блок оценки дистанции до цели и ЭДО 7, экран 8 и блок освещения текущей обстановки 9.
Комплекс следующим образом.
о
о
Антенна 1 непрерывно принимает излучение от объекта, сигналы обрабатываются блоком обнаружения радиоционного сигнала 2 и поступают в блок измерения параметров сигнала и пеленгов 3. Полученные значения пеленгов поступают в блок сопровождения сигнала по пеленгу 4, в котором формируется последовательность пеленгов необходимая для получения статистических оценок начальных значений По, ВИП и ВИР в блоке 5. Полученные в блоке 5 оценки совместно с измеренными в блоке 3 уровнями сигналов позволяют в блоке 6 построить множество фильтров Калмана для получения оценок координат и ЭДО в блоке 7. На основании полученных координат, которые отображаются на экране 8, формируются данные в блоке освещения текущей обстановки 9 для принятия оперативного решения.
Технический результат при осуществлении полезной модели заключается в сокращение времени однопозиционного определения горизонтальных координат и элементов движения объектов в скрытном режиме работы, путем ускорения сходимости оценок координат и ЭДО при вычислении дистанции, с использованием множества фильтров Калмана.