БЕЗЗАПРОСНАЯ ОДНОПОЗИЦИОННАЯ РАДИОЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ РАДИОИЗЛУЧАЮЩЕГО ОБЪЕКТА

Полезная модель относится к радиолокации, а именно к устройствам беззапросной радионавигации с режимом пассивного обнаружения, установленным на различных одиночных носителях, и может быть использована для определения параметров движения радиоизлучающих объектов (РИО).
Решаемой задачей является однопозиционное определение параметров относительного перемещения беззапросного однопозиционного радиоэлектронного устройства (БОРУ) и РИО с заданной точностью при соблюдении скрытности работы, т.е. при работе антенны устройства в пассивном режиме.
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 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, МПК 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 параметров движения объекта, излучающего активные радиолокационные сигналы, в пассивном, скрытном режиме работы.
6
Известен также 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, H04B 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 параметров движения объекта, излучающего активные радиолокационные сигналы, 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 (устройств) различного назначения, могут быть представлены в виде совокупности случайных точек, каждая из которых характеризуется некоторым набором параметров (П.А. Бакут, Ю.В. Жулина, Н.А. Иванчук. Обнаружение движущихся объектов, Москва, Советское Радио, 1980 г., с.94-96) [3].
Недостатком прототипа является невозможность обеспечения скрытности работы из-за использования многопозиционной системы с несколькими активными антеннами для определения параметров объекта, поскольку работа активной (излучающей) антенны, а также неизбежный обмен информацией совместно работающих антенн, по меньшей мере, на двух носителях демаскирует систему в целом.
i
изм
расч
Сущность полезной модели заключается в том, что в беззапросном однопозиционном радиоэлектронном устройстве (БОРУ) для определения параметров движения радиоизлучающего объекта (РИО), содержащим радиолокационную антенну, устройство первичной обработки принятых сигналов, устройство автоматического сопровождения объекта по направлению (углу), измеритель, запоминающее устройство и вычислитель, антенна выполнена пассивной и размещена на одиночном носителе, а в состав дополнительно введены экран и блок освещения текущей обстановки, при этом антенна принимает сигналы от РИО и передает их в устройство первичной обработки принятых сигналов, где происходит выделение полезного сигнала от помех, далее полезный сигнал поступает в устройство автоматического сопровождения объекта по направлению и в измеритель, где происходит измерение пеленгов и амплитуд принимаемого полезного сигнала через заданные интервалы времени t, затем измеренные параметры поступают в вычислитель, где производится расчет значения невязки δ=П - П между измеренными и заранее рассчитанными пеленгами, хранящимися в запоминающем устройстве, при необходимости, одновременно устраняется проблема неоднозначности и реализуется механизм логического вывода о принадлежности параметров относительного перемещения БОРУ и РИО к конкретному интервалу, на основании полученной информации, которая отображается на экране, формируются данные в блоке освещения текущей обстановки для принятия оперативного решения.
Сущность полезной модели поясняется структурной схемой (фиг.1), где:
1 - радиолокационная антенна;
2 - устройство первичной обработки принятых сигналов;
3 - устройство автоматического сопровождения объекта по направлению;
4 - измеритель;
5 - вычислитель;
6 - запоминающее устройство (банк данных, классификатор объектов);
7 - экран;
8 - блок освещения текущей обстановки.
Устройство работает следующим образом.
Определение параметров РИО производят при равномерной и прямолинейной траектории относительного перемещения БОРУ и РИО.
1
2
i
1
2
i
R
τ
min
1
1
2
i-1
max
Rmin
R1
R1
R2
Ri-1
Rmax
τmin
τ1
τ1
τ2
τi-1
τmax
i
iрасч
R
τ
i
iрасч
1
R
τ
i-1
i
изм
расч
Радиолокационная антенна 1 принимает сигналы от РИО (на схеме не показан) и передает их в устройство первичной обработки принятых сигналов 2, где происходит выделение полезного сигнала на фоне помех, далее полезный сигнал поступает в устройство автоматического сопровождения объекта по направлению 3 и в измеритель 4, где происходит измерение пеленгов П, П … П на РИО и амплитуд принимаемого полезного сигнала U, U … U от РИО через заданные интервалы времени Δt, разделение пространства возможных значений параметров относительного перемещения R (дальность), V (радиальная скорость относительного перемещения), V (тангенциальная составляющая скорости относительного перемещения) на интервалы (R÷R, R÷R, … R÷R); (V÷V, V÷V, … V÷V); (V÷V, V÷V, … V÷V), расчет в каждом интервале на i-й момент времени t значений угла пеленга П на РИО для средних, в пределах интервала значений R, V, V, вычисление разности (П - П) для каждого интервала и нахождение интервала с минимальным значением этой разности, значения параметров относительного перемещения которого считают истинными. Для исключения возможности неоднозначности, когда одно и то же значение пеленга соответствует различным комбинациям R V, V используют измерение и сравнение амплитуд радиосигналов, принимаемых в соседние интервалы времени t÷t. На следующем этапе измерения деление возможных интервалов изменения параметров относительного перемещения БОРУ и РИО проводят в пределах выявленного интервала. Процедуру продолжают до получения необходимой точности измерения параметров относительного перемещения, затем измеренные параметры поступают в вычислитель 5, где производится расчет значения невязки δ=П - П между измеренными и заранее рассчитанными пеленгами, хранящимися в запоминающем устройстве 6, при необходимости, одновременно устраняется проблема неоднозначности и реализуется механизм логического вывода о принадлежности параметров относительного перемещения БОРУ и РИО к конкретному интервалу, на основании полученной информации, которая отображается на экране 7, формируются данные в блоке освещения текущей обстановки 8 для принятия оперативного решения.
Устройство позволяет определить параметры относительного перемещения БОРУ и РИО при произвольном ракурсе траектории их относительного перемещения. Параметры такой траектории в декартовой системе координат могут быть определены уравнением текущего значения дальности
,
0
где: R - начальное значение дальности до РИО,
R
V - радиальная составляющая скорости относительного перемещения БОРУ и РИО,
τ
V - тангенциальная составляющая скорости относительного перемещения наблюдателя и РИО,
i
t - текущее время наблюдения.
Приращение пеленга ΔП определяется по формуле
,
Кроме того, из уравнения 1 можно записать соотношение
,
где:  - отношение амплитуд сигналов, принимаемых при начальном и текущем измерениях пеленга,
- коэффициент километрического затухания радиоволн в атмосфере.
0
тек
R
τ
Таким образом, имеются три уравнения - уравнение состояния 1 и уравнения измерения 2 и 3, при четырех неизвестных (R, R, V, V). Как известно, прямого однозначного решения задачи определения неизвестных параметров в этом случае не существует. Определение полного набора параметров относительного перемещения возможно либо при работе БОРУ в активном режиме, либо при многопозиционном наблюдении. К недостаткам этих режимов относятся потеря собственной скрытности и большие затраты энергии на формирование зондирующего сигнала (активный режим), а также наличие не мене двух разнесенных в пространстве антенн (многопозиционный режим). При этом определение координат объекта и параметров его движения в многопозиционном режиме определяется методом триангуляции, разностно-дальномерным или угломерно-дальномерным способом. Причем чем больше расстояние между антеннами, тем точнее определение параметров относительного перемещения. Применение таких методов в пределах одного наблюдателя затруднено ввиду невозможности большого разнесения антенн. При задействовании нескольких БОРУ требуется организация обмена информацией между ними, что опять же нарушает собственную скрытность работы, и кроме того, при наличии в зоне обзора нескольких РИО возникает проблема их идентификации.
Идея алгоритма для решения задачи беззапросного однопозиционного определения параметров относительного перемещения БОРУ и РИО поясняется графической схемой (фиг.2) и заключается в использовании априорной информации о параметрах относительного перемещения, которая всегда присутствует в том или ином виде.
Алгоритм решения задачи в геометрическом виде состоит в следующем.
Из Δ ОСА по теореме синусов справедливо соотношение
,
далее
,
подставляя 5 в 4, получаем
,
или
,
где угол наклона траектории ,
затем
,
и
,
с учетом соотношения 3 получаем
.
0
R
τ
0
R
τ
расч
изм
изм
расч
Первым итерационным шагом алгоритма является разбиение всего априори известного диапазона возможных значений изменения параметров R, V, V на участки с грубым шагом (~20% от всего диапазона возможных значений). Таким образом, вся зона априорной неопределенности возможных значений R, V, V делится на более мелкие ячейки. В каждой такой ячейке по формуле 2 рассчитываются изменения пеленга П за выбранный интервал времени Δt. Затем по первому измеренному приращению пеленга П за этот интервал находится ячейка с минимальным значением невязки δП=П-П. В качестве истинных принимаются параметры той ячейки, невязка в которой имеет минимальное значение. Для устранения возможной неоднозначности, когда одно и то же значение невязки соответствует разным ячейкам, используют второе измерение - измерение амплитуд принимаемого сигнала. На фиг.2 видно, что в случае неоднозначного измерения различие между возможными вариантами относительного перемещения заключается в угле наклона траектории, причем если
,
как следует из геометрии задачи на фиг.2 нетрудно убедиться, что
.
ист
расч
R
τ
ист
расч
Сравнением tg β с tg β (отношением V/V для каждой ячейки) по минимуму невязки α′=(tg β - tg β) обеспечивают однозначность определения ячейки параметров относительного перемежения.
Следующий итерационный шаг проводят внутри выявленной ячейки. Количество шагов итерации определяется требуемой точностью определения параметров относительного перемещения.
В результате необходимого количества итерационных шагов определяют параметры относительного перемещения наблюдателя и РИО с заданной точностью в беззапросном однопозиционном режиме при произвольном ракурсе их относительного перемещения.
Технический результат заключается в беззапросном однопозиционном определении параметров относительного перемещения БОРУ и РИО с заданной точностью при соблюдении скрытности работы, т.е. при работе антенны системы в пассивном режиме.
Указанный технический результат достигается совокупностью отличительных признаков, а именно выполнением антенны пассивной и размещением ее на одиночном носителе, а также введением в состав системы экрана и блока освещения текущей обстановки.
Представленные описание и структурная схема заявляемого устройства позволяют, используя покупные комплектующие изделия, существующие материалы, технологию и оснастку, изготовить его промышленным способом и применяя описанный алгоритм решения задачи использовать для определения параметров относительного перемещения БОРУ и РИО с заданной точностью при соблюдении скрытности работы, т.е. при работе антенны БОРУ в пассивном режиме, а также для выведения полученных данных на экран и блок освещения текущей обстановки для принятия оперативного решения.