Способ функционирования радиолокационной системы при измерении скорости полёта беспилотного летательного аппарата малого класса типа мультикоптер и дальности до него
METHOD OF OPERATING A RADAR SYSTEM WHEN MEASURING THE SPEED OF AN UNMANNED AERIAL VEHICLE OF A SMALL CLASS OF MULTI-COPTER TYPE AND ITS RANGE

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано для измерения скорости полета маневрирующего беспилотного летательного аппарата (БПЛА) малого класса типа мультикоптер и дальности до него в дальней и ближней зоне относительно охраняемого объекта.
Известен способ функционирования когерентно-импульсного устройства радиолокационной станции, заключающийся в формировании с помощью задающего генератора сигнала, преобразовании его в высокочастотный сигнал путем умножении частоты, усилении по мощности и излучении в пространство, приеме отраженного от воздушной цели радиолокационного сигнала, его преобразовании на промежуточную частоту, усилении и фазовом детектировании для последующей обработки в приемном тракте БРЛС [1].
Недостатком данного способа функционирования когерентно-импульсного устройства радиолокационной станции являются ограниченные функциональные возможности по измерению дальности до маневрирующего БПЛА малого класса типа мультикоптер в ближней зоне относительно охраняемого объекта (от 500 м и менее).
Известен способ функционирования импульсно-доплеровской радиолокационной станции, заключающийся в формировании высокочастотной последовательности зондирующих импульсов, их усилении по мощности, излучении в пространство, приеме, усилении, преобразовании отраженных сигналов на промежуточные частоты, их селекции по дальности и доплеровской частоте, преобразовании сигналов в цифровую форму с последующем их спектральным анализом [2].
Недостатком данного способа функционирования импульсно-доплеровской радиолокационной станции являются ограниченные функциональные возможности по измерению дальности до интенсивно маневрирующего БПЛА малого класса типа мультикоптер в ближней зоне относительно охраняемого объекта.
Действительно, в дальней зоне относительно охраняемого объекта (от 3000 м и до 500 м) БПЛА малого класса типа мультикоптер осуществляет, как правило, стационарный полет к охраняемому объекту, без интенсивного маневрирования. В этом случае измерение скорости его полета и дальности до него может успешно осуществляться с помощью известного [2] способа функционирования импульсно-доплеровской радиолокационной станции. При подлете мультикоптера к ближней зоне относительно охраняемого объекта (менее 500 м) нахождении его непосредственно в ней им осуществляется интенсивное маневрирование с целью обеспечения скрытности подлета к охраняемому объекту. В этом случае (при полете мультикоптера в ближней зоне относительно охраняемого объекта) функционирование импульсно-доплеровской радиолокационной станции малоэффективно при измерении дальности до мультикоптера в ближней зоне относительно охраняемого объекта, а эффективным является функционирование радиолокационной станции с непрерывным излучением при измерении дальности до мультикоптера в ближней зоне с компенсацией доплеровской частоты, обусловленной скоростью его полета.
Таким образом, радиолокационная система (РЛС) должна объединять импульсно-доплеровскую радиолокационную станцию при измерении скорости полета мультикоптера и дальности до него в дальней зоне относительно охраняемого объекта и радиолокационную станцию с непрерывным излучением при измерении дальности до интенсивно маневрирующего мультикоптера в ближней зоне относительно охраняемого объекта.
Цель изобретения - расширение функциональных возможностей радиолокационной системы, объединяющей импульсно-доплеровскую радиолокационную станцию и радиолокационную станцию с непрерывным излучением, при измерении скорости полета БПЛА малого класса типа мультикоптер и дальности до него в дальней и ближней зоне относительно охраняемого объекта.
н
ТЕК
БЗ
ТЕК
БЗ
ТЕК
БЗ
н
н
p
(ИД)
(НИ)
(ИД)
Указанная цель достигается тем, что в способе функционирования РЛС при измерении скорости полета БПЛА малого класса типа мультикоптер и дальности до него, заключающимся в формировании высокочастотной последовательности зондирующих импульсов на несущей частоте f, их усилении по мощности, излучении с помощью первой приемо-передающей антенны в направлении воздушной цели - мультикоптера при его первоначальном полете в дальней зоне относительно охраняемого объекта, приеме, усилении, преобразовании отраженных сигналов на промежуточные частоты, их селекции по дальности и доплеровской частоте при измерении соответственно дальности до мультикоптера и скорости его полета в дальней зоне относительно охраняемого объекта, дополнительно измеренное значение текущей дальности Д до мультикоптера сравнивается с априорно заданной верхней границей дальности Д ближней зоны относительно охраняемого объекта, при выполнении условия Д>Д, что соответствует полету мультикоптера в дальней зоне относительно охраняемого объекта, на выходе РЛС формируются измеренные значения скорости полета мультикоптера и дальности до него при функционировании РЛС в импульсно-доплеровском режиме, при достижении мультикоптером верхней границы ближней зоны, когда Д=Д, что соответствует перелету мультикоптера из дальней зоны в ближнюю зону относительно охраняемого объекта, дополнительно к импульсно-доплеровскому режиму работы РЛС, осуществляется включение режима ее работы с непрерывным излучением зондирующего сигнала, для чего формируется модулированный по периодическому закону непрерывный высокочастотной зондирующий сигнал с несущей частотой f, отличной от несущей частоты последовательности зондирующих импульсов f, формируемых при работе РЛС в импульсно-доплеровском режиме, осуществляется его усиление по мощности и излучение с помощью второй приемопередающей антенны в направлении воздушной цели - мультикоптера при его полете в ближней зоне относительно охраняемого объекта, прием отраженных от мультикоптера сигналов, их усиление, преобразование на промежуточные частоты и выделение сигнала разностной частоты f, определяемой, как
где
м
м
F и Δf  - соответственно частота модуляции и величина девиации частоты;
с - скорость света;
д
н
(НИ)
(НИ)
f=2Vf/с доплеровская частота, обусловленная скоростью V полета мульткоптера в ближней зоне и работе РЛС в режиме непрерывного излучения зондирующих сигналов,
р
д
д
н
д
н
д
н
p
(НИ)
(НИ)
(НИ)
(ИД)
(ИД)
(ИД)
(ИД)
(к)
измерение разностной частоты f, компенсация доплеровскои частоты f с помощью радиолокационной системы, функционирующей в импульсно-доплеровском режиме, путем введения поправки, равной f=ff/f, где f=2V f/с - доплеровская частота, обусловленная скоростью V полета мульткоптера в ближней зоне и работе РЛС в импульсно-доплеровском режиме, преобразование скомпенсированной по доплеровской частоте разностной частоты f в значение измеренной дальности до мультикоптера при его полете в ближней зоне относительно охраняемого объекта в соответствии с выражением
формирование при полете мультикоптера в ближней зоне относительно охраняемого объекта на выходе РЛС измеренных значений скорости полета мультикоптера при функционировании РЛС в импульсно-доплеровском режиме и дальности до него при совместном функционировании РЛС в импульсно-доплеровском режиме и режиме с непрерывным излучением зондирующего сигнала.
Новыми признаками, обладающими существенными отличиями, являются.
ТЕК
БЗ
ТЕК
БЗ
1. Сравнение измеренного значения текущей дальности Д до мультикоптера с априорно заданной верхней границей дальности Д ближней зоны относительно охраняемого объекта При выполнении условия Д>Д, что соответствует полету мультикоптера в дальней зоне относительно охраняемого объекта, на выходе РЛС формируются измеренные значения скорости полета мультикоптера и дальности до него при функционировании РЛС в импульсно-доплеровском режиме.
ТЕК
БЗ
2. Дополнительное включение к импульсно-доплеровскому режиму работы РЛС режима ее работы с непрерывным излучением зондирующего сигнала при достижении мультикоптером априорно заданной верхней границы ближней зоны, когда Д=Д, что соответствует перелету мультикоптера из дальней зоны в ближнюю зону относительно охраняемого объекта
д
д
н
д
н
(НИ)
(НИ)
(НИ)
(ИД)
(ИД)
3. Измерение при работе РЛС с непрерывным излучением зондирующего сигнала разностной частоты, определяемой выражением (1), при полете мультикоптера в ближней зоне с компенсацией с помощью РЛС, функционирующей в импульсно-доплеровском режиме, доплеровской частоты f, равной f=ff/f и обусловленной полетом мультикоптера в ближней зоне относительно охраняемого объекта и работе РЛС в импульсно-доплеровском режиме.
p
(к)
4. Преобразование скомпенсированной по доплеровской частоте разностной частоты f в значение измеренной дальности до мультикоптера при его полете в ближней зоне относительно охраняемого объекта в соответствии с выражением (2) и формирование на выходе РЛС измеренных значений скорости полета мультикоптера при ее функционировании в импульсно-доплеровском режиме и дальности до него при совместном функционировании РЛС в импульсно-доплеровском режиме и режиме с непрерывным излучением зондирующего сигнала.
Данные признаки обладают существенными отличиями, так как в известных способах не обнаружены.
Применение новых признаков позволит расширить функциональные возможности РЛС, объединяющей импульсно-доплеровскую радиолокационную станцию и радиолокационную станцию с непрерывным излучением, при измерении скорости полета БПЛА малого класса типа мультикоптер и дальности до него в дальней и ближней зоне относительно охраняемого объекта.
На рисунке 1 представлена блок-схема, поясняющая предлагаемый способ функционирования радиолокационной системы при измерении скорости полета БПЛА малого класса типа мультикоптер и дальности до него, на рисунке 2 - внешний вид БПЛА малого класса типа мультикоптер, на рисунке 3 - типичные траектории полета интенсивно маневрирующего БПЛА малого класса типа мультикоптер в ближней зоне относительно охраняемого объекта.
Способ функционирования РЛС при измерении скорости полета БПЛА малого класса типа мультикоптер и дальности до него реализуется следующим образом (рисунок 1).
н
(ИД)
С помощью задающего генератора 1 (ЗГ), синхронизатора 2 (С) и первого модулятора 3 (М) формируются высокочастотные последовательности зондирующих импульсов на несущей частоте f, которые усиливаются в первом усилителе 4 мощности высокой частоты (УМ ВЧ) и через первый антенный переключатель 5 (АП) излучаются первой приемо-передающей антенной 6 (А) в направлении воздушной цели - мультикоптера (рисунок 2) при его первоначальном полете в дальней зоне относительно охраняемого объекта (от 3000 м до 500 м).
д
н
(ИД)
(ИД)
Отраженные от воздушной цели - мультикоптера сигналы (рисунок 1) принимаются первой приемо-передающей антенной 6 и через первый антенный переключатель 5 поступают в приемник импульсно-доплеровской радиолокационной станции, где усиливаются в усилителе 7 высокой частоты (УВЧ), преобразуются в тракте 8 преобразования на промежуточные частоты (ТП ПЧ), селектируются по дальности в селекторе 9 дальности (СД) с помощью селекторных импульсов, поступающих на его вход с выхода синхронизатора 2, а также селектируются по доплеровской частоте в преобразователе 10 (ПР), на вход которого поступают значения углов ориентации диаграммы направленности антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях с выхода угломерного канала (на схеме не показан). В аналого-цифровом преобразователе 11 (АЦП) сигнал из аналоговой формы преобразуется в цифровую форму, который поступает на вход блока 12 быстрого преобразования Фурье (БПФ), где осуществляется его спектральный анализ, и с его выхода значение доплеровской частоты, равное f=2 V f/c, поступает на первый 13 вход коммутатора 14 (К), где преобразуется в значение скорости полета мультикоптера в дальней зоне относительно охраняемого объекта при работе РЛС в импульсно-доплеровском режиме.
ТЕК
БЗ
ТЕК
БЗ
ТЕК
Одновременно в измерителе 15 дальности (Изм. Д) осуществляется измерение текущей дальности Д до мультикоптера, значение которой поступает на второй вход 16 коммутатора 14 и на первый вход 17 анализатора 18 (Ан), где сравнивается с априорно заданным значением верхней границей дальности Д ближней зоны (500 м) относительно охраняемого объекта, подаваемого на второй вход 19 анализатора 18. При выполнении условия Д>Д (Д>500 м), что соответствует полету мультикоптера в дальней зоне относительно охраняемого объекта, на выходе анализатора 18 формируются разрешающие сигналы для выдачи потребителям значений скорости полета мультикоптера в дальней зоне и дальности до него при работе РЛС в импульсно-доплеровском режиме, а также запрещающим сигналом для дополнительного включения режима работы РЛС с непрерывным зондирующим сигналом.
ТЕК
БЗ
ТЕК
БЗ
н
н
(НИ)
(ИД)
При достижении мультикоптером априорно заданной верхней границы ближней зоны, когда Д=Д (Д=Д=500 м), что соответствует перелету мультикоптера из дальней зоны в ближнюю зону относительно охраняемого объекта, на выходе анализатора 18 формируется запрещающий сигнал для выдачи потребителям значения дальности до мультикоптера, формируемой при работе РЛС в импульсно-доплеровском режиме, и разрешающие сигналы для выдачи потребителям значения скорости полета мультикоптера в ближней зоне относительно охраняемого объекта, а также дополнительного включения к импульсно-доплеровскому режиму работы РЛС режима ее работы с непрерывным излучением зондирующего сигнала. С этой целью с помощью второго модулятора 20 и генератора высокой частоты 21 (ГВЧ) формируется модулированный по периодическому закону непрерывный высокочастотный зондирующий сигнал с несущей частотой f, отличной от несущей частоты f последовательности зондирующих импульсов, формируемых при работе РЛС в импульсно-доплеровском режиме, осуществляется его усиление во втором усилителе 22 мощности высокой частоты и через второй антенный переключатель 23 - излучение с помощью второй приемо-передающей антенны 24 в направлении воздушной цели - мультикоптера при его интенсивном маневрировании (рисунок 3) в ближней зоне относительно охраняемого объекта (от 500 м и менее).
p
Отраженные от воздушной цели - мультикоптера сигналы (рисунок 1) принимаются второй приемо-передающей антенной 24 и через второй антенный переключатель 23 поступают в приемник 25 (ПРМ) радиолокационной станции, работающей в непрерывном режиме, где осуществляется усиление, преобразование отраженных сигналов на промежуточные частоты и выделение сигнала разностной частоты f, определяемой выражением (1).
p
д
д
н
д
н
д
н
д
p
д
p
(НИ)
(НИ)
(НИ)
(ИД)
(ИД)
(ИД)
(ИД)
(ИД)
(к)
(НИ)
(к)
В измерителе 26 (Изм.) осуществляется измерение разностной частоты f, значение которой компенсируется в компенсаторе 27 (Комп.) доплеровской частоты f с помощью РЛС, функционирующей в импульсно-доплеровском режиме, путем введения поправки, равной f=ff/f, где f=2V f/с - доплеровская частота, обусловленная скоростью V полета мульткоптера в ближней зоне при работе РЛС в импульсно-доплеровском режиме. Значение доплеровской частоты f с выхода блока 12 БПФ поступает на вход компенсатора 27. В преобразователе 28 (Пр. f) осуществляется преобразование скомпенсированной по доплеровской частоте f разностной частоты f в значение измеренной дальности до мультикоптера при его полете в ближней зоне относительно охраняемого объекта в соответствии с выражением (2).
В результате, при полете мультикоптера в ближней зоне относительно охраняемого объекта потребителям осуществляется выдача измеренных значений скорости полета мультикоптера при ее функционировании в импульсно-доплеровском режиме и дальности до него при совместном функционировании РЛС в импульсно-доплеровском режиме и режиме с непрерывным излучением зондирующего сигнала.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволит расширить функциональные возможности РЛС, объединяющей импульсно-доплеровскую радиолокационную станцию и радиолокационную станцию с непрерывным излучением, при измерении скорости полета БПЛА малого класса типа мультикоптер и дальности до него в дальней (от 3000 м до 500 м) и ближней (от 500 м и менее) зоне относительно охраняемого объекта.
Источники информации
1. Авиационные радиолокационные комплексы и системы: учебник для слушателей и курсантов ВУЗов ВВС / П.И. Дудник, Г.С. Кондратенков, Б.Г. Татарский, А.Р. Ильчук, А.А. Герасимов. Под ред. П.И. Дудника. - М.: изд. ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2006, страницы 527-528, рисунок 11.4 (аналог).
2. Авиационные радиолокационные комплексы и системы: учебник для слушателей и курсантов ВУЗов ВВС / П.И. Дудник, Г.С. Кондратенков, Б.Г. Татарский, А.Р. Ильчук, А.А. Герасимов. Под ред. П.И. Дудника. - М.: изд. ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2006, страницы 630 (формула (12.89), 639-641, рисунок 12.39 (прототип).
3. В.В. Васин, О.В. Власов, В.В. Григорин-Рябов, П.И. Дудник, Б.М. Степанов. Радиолокационные устройства (теория и принципы построения). - М.: «Советское радио», 1970 (страница 18 формулы 2.3, 2.4; страница 404 формула 15.24).
К рисунку 1
p
(к)
1 ЗГ - задающий генератор; 2 С - синхронизатор; 3,20 М - модулятор; 4,22 УМ ВЧ - усилитель мощности высокой частоты; 5, 23 АП - антенный переключатель; 6,24 А - приемо-передающая антенна; 7 УВЧ - усилитель высокой частоты; 8 ТП ПЧ - тракт преобразования на промежуточные частоты; 9 СД - селектор дальности; 10 ПР - преобразователь; 11 АЦП -аналого-цифровой преобразователь; 12 БПФ - блок быстрого преобразования Фурье; 14 К - коммутатор; 15 Изм. Д - измеритель дальности; 18 Ан. -анализатор; 21 ГВЧ - генератор высокой частоты; 25 ПРМ - приемник; 26 Изм. - измеритель; 27 Комп.- компенсатор; 28 Пр. f - преобразователь.