Способ определения параметров движения и траекторий воздушных объектов при полуактивной бистатической радиолокации
METHOD OF DETERMINING PARAMETERS OF MOVEMENT AND TRAJECTORIES OF AERIAL OBJECTS DURING SEMI-ACTIVE BISTATIC RADAR

Изобретение относится к области радиотехники и может применяться в системах трехкоординатной полуактивной радиолокации с использованием, в качестве сигналов подсвета, излучений радиоэлектронных систем различного назначения, в частности, сигналов цифрового телевизионного вещания стандарта DVB-T2, для определения координат, скоростей и траекторий перемещающихся в пространстве воздушных объектов (ВО), в том числе, маловысотных.
Важнейшей проблемой при создании современных радиоэлектронных средств считается обеспечение их скрытности [1 - Быстров Р.П., Дмитриев В.Г., Меньшиков В.Л., Перунов Ю.М., Потапов А.А. Теоретическая оценка современных методов и способов снижения заметности объектов и систем в условиях радиоэлектронного противодействия // Нелинейный мир. М: Радиотехника. 2015. №7. С. 3-24]. В связи с этим для определения координат и траекторий перемещающихся ВО, кроме активных радиолокационных систем (РЛС), применяются системы пассивной и полуактивной локации, функционирующие за счет приема излучаемых бортовыми передатчиками сигналов или отраженных от ВО посторонних сигналов подсвета (от радиовещательных, телевизионных или связных систем). Пассивные и полуактивные РЛС обладают рядом преимуществ по сравнению с активными системами. Так, абсолютная радиотехническая скрытность таких систем существенно затрудняет определение их дислокации и характеристик, а также повышает живучесть.
H
k,n
k
k
4,0
4,0
4,0
Ц
0
4
0
4
0
4
0
4
0
4
k=1,2,3
k≥4
Примером пассивной системы локации перемещающихся объектов является [2 - Патент 2617830, РФ. Способ пассивной однопозиционной угломерно-разностно-доплеровской локации перемещающегося в пространстве радиоизлучающего объекта и радиолокационная система для реализации этого способа / Джиоев А.Л., Омельчук И.С., Тюрин Д.А., Фоминченко Г.Л., Фоминченко Г.Г., Яковленко В.В. Заявлен 11.04.2016, опубликован 28.04.2017]. В ней, определив вид модуляции, восстанавливают несущую частоту ƒ принятого сигнала, вычисляют приращения угловых координат (УК) и доплеровских сдвигов частоты принимаемых сигналов на интервалах времени Δt, измеряют горизонтальные составляющие приращений доплеровских сдвигов частоты и вычисляют величину их отношения для нахождения величины угла α между вектором скорости и горизонтальной дальностью. Далее определяют текущее значение курсового угла q=β+α и модуль горизонтальной скорости , а затем - расстояние S, пройденное объектом за интервал времени Δt. Затем находят радиус R окружности, проходящей через начало координат, хордой которой является расстояние S, находят центр О' этой окружности, фиксируя точку на конце луча длиной R, проведенного из начала координат 0 под углом β=β+q-90°, рассчитывают дальности d и d. Определяют координаты ВО в моменты времени t и t как точки пересечения окружности с центром О' и лучей длиной d и d, проведенных из начала координат под углами β, и β. Наконец, вычисляют интерполированные d и экстраполированные d значения дальностей и осуществляют построение траектории движения ВО в пространстве на начальном интервале кусочно-линейной аппроксимации, а в случае кратковременного пропадания сигнала - ее прогнозируемое значение.
В последние годы начали применяться полуактивные РЛС, не нуждающиеся в существовании излучений бортовых систем лоцируемых объектов. Использование полуактивных РЛС стало возможным при существующей мощности широковещательных передатчиков, значительной высоте антенн телевизионных центров (ТЦ) и применении широкополосных сигналов. Так, система «Сайлент Сентри» (Silent Sentry) фирмы «Локхид Мартин» (США) использует для локации воздушных целей сигналы телевизионных (ТВ) и радиостанций [3 - Аношкин И.М. Зарубежные многопозиционные радиолокационные системы скрытого контроля воздушного пространства // Наука и военная безопасность. 2007. №1. С. 28-33]. При этом она обеспечивает обнаружение и сопровождение низколетящих целей на фоне отражений от местных предметов и фона местности, а также измерение координат, скорости и высоты полета этих целей.
Британская компания Roke Manor Research разработала пассивную радиолокационную систему Celldar, использующую передатчики обычной телефонной сети. Свои версии аналогичных РЛС разрабатывали немецкая компания «Сименс», британская фирма ВАЕ Systems, французское космическое агентство ONERA. Создание и принятие на вооружение подобных РЛС позволяет решать качественно новые задачи по скрытому наблюдению и контролю воздушного пространства в зонах возможных конфликтов.
В связи с изложенным является актуальным совершенствование систем бистатической радиолокации, в которых передающая и приемная части разнесены, а в качестве зондирующих сигналов используются сигналы подсвета посторонних передатчиков.
з
∂
з
∂
Одной из основных характеристик радиолокационного сигнала является [4 - Кондратенков Г.С., Фролов А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли / Под ред. проф. Г.С. Кондратенкова. М.: Радиотехника. 2005. 368 с., С. 57] функция неопределенности (ФН). Она определяет разрешающую способность по времени запаздывания τ (дальности) и частоте Доплера ƒ (радиальной скорости). Оптимальными в радиолокации являются сигналы, имеющие ФН в виде пика на плоскости τ-ƒ при уровне боковых лепестков минус 20…30 дБ и ниже. Такими характеристиками обладают сигналы цифрового телевизионного вещания (ЦТВ) стандартов DVB-T, DVB-T2 [5 - Стандарт DVB-T - система цифрового телевизионного вещания. ETSI EN 300 744 v. 1.5.1 (2004-11)]. Хотя такие сигналы не предназначены для решения задач радиолокации, их взаимокорреляционная обработка в реальном масштабе времени может обеспечить требуемые точностные характеристики РЛС.
Подтверждением этого является работа [6 - Фам Хуан Тиеп. Экспериментальные исследования макета полуактивной радиолокационной системы при использовании радиоизлучений цифрового эфирного телевидения DVB-T2 // Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2014. Вып. 5. С. 29-32], в которой описываются экспериментальные исследования макета РЛС, работающего по сигналу передатчика ЦТВ, который расположен на ТВ башне Ленинградского ТЦ. Рассмотрена обработка прямого и отраженного сигналов, подтверждена перспективность данного научного направления.
Близким по технической сущности к заявляемому способу является [7 - Пат. 2158002, Российская Федерация, G01S 3/14, G01S 5/04. Способ радиоконтроля / Шевченко В.Н., Емельянов Г.С. Заявл. 6.04.1999, опубл. 20.10.2000], который можно считать аналогом заявляемого изобретения. В [7] когерентно принимают и синхронно регистрируют многочастотные радиосигналы, включающие прямые сигналы передатчиков и рассеянные воздушными целями сигналы этих передатчиков, преобразуют их в цифровые сигналы, из них формируют прямые и рассеянные сигналы, определяют их двумерный комплексный угловой спектр, по модулю которого находят азимутальные и угломестные пеленги передатчиков. После сравнения угломестных пеленгов с порогом разделяют передатчики на наземные и воздушные, затем определяют наклонную дальность до передатчиков воздушных целей.
Однако в [7] не рассмотрена возможность измерения направлений перемещения ВО в пространстве, а также возможность построения их траекторий.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ [8 - Пат. 2471199, Российская Федерация, G01S 13/02. Способ пассивного обнаружения подвижных объектов / Пархоменко Н.Г., Шевченко В.Н. Заявл. 27.06.2011, опубл. 27.12.2012], принятый за прототип. Согласно этому способу:
- когерентно принимают двумя пространственно разнесенными каналами прямой радиосигнал от передатчика подсвета и радиосигнал, рассеянный воздушным объектом, синхронно преобразуют их в комплексные цифровые сигналы, которые синхронно регистрируют на заданном временном интервале,
- из комплексных цифровых сигналов формируют комплексную двумерную взаимно корреляционную функцию (КДВКФ),
- сдвигают по времени КДВКФ на величину, соответствующую каждому ожидаемому направлению прихода радиосигналов,
- выделяют центральную двумерную часть сдвинутых КДВКФ и преобразуют каждую выделенную центральную часть в комплексный цифровой сигнал определенного направления, который запоминают,
- идентифицируют сформированный для направления на передатчик подсвета комплексный цифровой сигнал как прямой сигнал,
- формируют КДВКФ между прямым комплексным цифровым сигналом передатчика и комплексным цифровым сигналом определенного направления,
- исключают центральную часть КДВКФ, получая сигнал модифицированной КДВКФ,
- из сигнала модифицированной КДВКФ и прямого комплексного цифрового сигнала передатчика формируют модифицированный рассеянный комплексный цифровой сигнал,
- формируют результирующую КДВКФ между модифицированным рассеянным комплексным цифровым сигналом и прямым комплексным цифровым сигналом передатчика,
- определяют по максимуму модуля результирующей КДВКФ число сжатых рассеянных сигналов определенного направления и фиксируют значения задержки по времени абсолютного доплеровского сдвига и направления прихода каждого сжатого сигнала, по которым выполняют обнаружение и определение пространственных координат объектов.
Однако, в прототипе [8] не используются результаты измерений доплеровских сдвигов частоты и, соответственно, не определяются направления (курсовые углы) и скорости движения ВО относительно приемной станции, что не позволяет производить расчеты экстраполированных значений координат этих ВО.
Технических решений, устраняющих указанную проблему, авторы заявляемого способа в технической литературе не обнаружили.
Технической проблемой, на решение которой направлен предлагаемый способ, является изыскание последовательности операций, обеспечивающей по результатам измерения УК, доплеровских сдвигов частоты и абсолютных задержек рассеянных сигналов, путем вычисления модулей КДВКФ, определение курсовых углов, скоростей и, следовательно, прогнозирование траекторий движения воздушных объектов относительно точки стояния приемной станции (ПС).
Для решения этой технической проблемы предлагается способ определения пара-метров движения и траекторий ВО при полуактивной бистатической радиолокации, при котором когерентно принимают двумя пространственно разнесенными диаграммами направленности антенной системы прямой радиосигнал с расширенным спектром, излучаемый передатчиком подсвета, и рассеянные воздушными объектами радиосигналы этого передатчика, осуществляют двумерную корреляционную фильтрацию принятых сигналов в частотно - временной области, обеспечивая режекцию мощного прямого радиосигнала передатчика подсвета, являющегося когерентной помехой, маскирующей слабые рассеянные воздушными объектами радиосигналы, определяют по максимумам модуля результирующей КДВКФ число сжатых рассеянных сигналов m-го направления, фиксируют значения задержки по времени, абсолютного доплеровского сдвига и направления прихода каждого сжатого сигнала, по которым принимают решение об обнаружении ВО.
k
k
k
k
Согласно изобретению, используя измеренные значения угловых координат β и ε воздушного объекта в точках A траектории, где k - номер точки траектории, а также значения задержек по времени τ, вычисляют дальности  и  как
где
d - база системы;
k+1,k
k
1
с = 299792458 м/с - скорость распространения электромагнитных волн, и определяют, используя формулы сферической тригонометрии, углы c на плоскости A0A в виде
где
k+1, k
k+1
k
Δβ=β-β;
k+1, k
k+1
k
Δε=ε-ε,
k
k-1
находят расстояния, пройденные объектом между точками A и A траектории, как
1k
2k
k
k+1
k
k-1
1k
2k
и рассчитывают полупериметры P, P наклонных треугольников 0AA и BAA, а также радиусы r, r окружностей, вписанных в смежные треугольники, которые принадлежат наклонным плоскостям, ограниченным траекторией полета объекта и наклонными дальностями  а затем определяют величины пространственных курсовых углов в виде
∂k
k
и, используя измеренные значения абсолютного доплеровского сдвига частоты ƒ, вычисляют модули скоростей воздушного объекта в точках A, траектории как
где λ - длина волны излучения телевизионного центра,
после чего осуществляют построение траектории движения воздушного объекта в пространстве, используя измеренные значения его угловых координат, задержек отраженных от него сигналов подсвета и доплеровских сдвигов частоты на трассах распространения, а также рассчитанные значения наклонных дальностей, пространственных курсовых углов и скоростей движения объекта.
Техническим результатом, достигаемым при использовании предлагаемого изобретения, является реализация последовательности операций, обеспечивающей по результатам измерения УК, доплеровских сдвигов частоты и абсолютных задержек рассеянных сигналов, путем вычисления модулей КДВКФ, определение направления (курсовых углов) и скорости движения ВО относительно приемной станции, что позволяет производить расчеты экстраполированных значений координат этих ВО и, следовательно, прогнозировать траектории их движения относительно точки стояния ПС.
Предлагаемое изобретение не известно в современной радиотехнике, а также не известны источники информации, содержащие сведения об аналогичных технических решениях, имеющих признаки, сходные с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, а также имеющих свойства, совпадающие со свойствами заявляемого решения, поэтому можно считать, что оно обладает существенными отличиями, вытекает из них неочевидным образом и, следовательно, соответствует критериям «новизна» и «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется следующими фигурами:
фигура 1 - схема взаимодействия бистатической РЛС и ВО;
фигура 2 - схема электрическая структурная системы, реализующей предложенный способ.
1
4
Для рассмотрения последовательности операций способа приведем несколько пояснений к фиг. 1. Бистатическая радиолокационная система состоит из ПС и ТЦ, расположенных на местности в точках 0 и В (фиг. 1) соответственно. На участке A-А траектории объект движется равномерно и прямолинейно. Приняты следующие обозначения:
d - расстояние между ТЦ и ПС (база системы);
- наклонная дальность между ВО и ПС
- наклонная дальность между ВО и ТЦ
1
k
1
k
0AA - наклонная плоскость, ограниченная отрезком A-A траектории ВО и дальностями
1
k
1
k
BAA - наклонная плоскость, ограниченная тем же отрезком траектории A-A и дальностями
k,k-1
1
k
c - углы при вершине 0 треугольников между наклонными дальностями наклонной плоскости 0AA
k0
β - азимут ВО относительно ПС
k0
ε - угол места ВО относительно ПС
k0
q - пространственные курсовые углы ВО относительно приемной станции
kB
q - горизонтальные курсовые углы ВО относительно ТЦ
k,k+1
k
k+1
R - отрезки пути, пройденные ВО между точками A и A траектории
V - вектор скорости объекта.
При реализации предложенного способа выполняют следующую последовательность операций.
1 Когерентно принимают двумя пространственно разнесенными диаграммами направленности антенной системы прямой радиосигнал с расширенным спектром, излучаемый передатчиком подсвета, и рассеянные воздушными объектами радиосигналы этого передатчика.
2 Осуществляют двумерную корреляционную фильтрацию принятых сигналов в частотно - временной области, обеспечивая режекцию мощного прямого радиосигнала передатчика подсвета, являющегося когерентной помехой, маскирующей слабые рассеянные воздушными объектами радиосигналы.
3 Определяют по максимумам модуля результирующей КДВКФ число сжатых рассеянных сигналов m-го направления, фиксируют значения задержки по времени, абсолютного доплеровского сдвига и направления прихода каждого сжатого сигнала, по которым принимают решение об обнаружении ВО.
k
k
k
k
1
4 Используя измеренные значения угловых координат β и ε воздушного объекта в точках A траектории, где k - номер точки траектории, а также значения задержек по времени τ, вычисляют наклонные дальности  для чего находят для точки А дальность  в виде
1
Затем определяют из Δ0АВ по теореме косинусов величину
k
и находят значения углов A0B в соответствии с правилами сферической тригонометрии как
Используя соотношения (1-3), получают формулу
или, после преобразования
с учетом которого определяют наклонную дальность ВО - ПС в виде
2
2
2
2
2
1
1
1
1
1
Учитывая связь sin ∠A0B=sinβ-sinε+sinβsinε, представляют эту формулу как
Последовательно повторяя операции (1-5), находят наклонные дальности  в виде
где
d - база системы;
с = 299792458 м/с - скорость распространения электромагнитных волн.
k0
k0
+1, k
k+1, k
k+1, k
k
k+1
1
k
k+1, k
k+1, k
k,1
k
1
+1, k
1
k
5 Осуществляют, используя формулы сферической тригонометрии, пересчет измеренных УК β и ε, а также их приращений Δβk и Δε в углы c при вершинах треугольников A0A, образованных на наклонной плоскости A0A наклонными дальностями  и отрезками  траектории ВО (каждый из них является гипотенузой сферического прямоугольного треугольника с катетами Δβ и Δε, лежащими на линиях координат азимута и угла места, и равен угловому размеру проекции на небесную сферу пути, пройденному ВО за время Δt=t-t) и определяют углы ck на наклонной плоскости A0A как
k+1, k
k+1
k
где Δβ=β-β;
k+1, k
k+1
k
Δε=ε-ε.
k
k-1
6 Находят, используя теорему косинусов, расстояния, пройденные объектом между точками A и A траектории, в виде
1k
2k
k
k+1
k
k-1
1k
2k
и рассчитывают полупериметры P, P наклонных треугольников 0AA и BAA, а также радиусы r, r окружностей, вписанных в смежные треугольники, которые принадлежат наклонным плоскостям, ограниченным траекторией полета объекта и наклонными дальностями  как
k0
kB
7 Определяют величины пространственных курсовых углов q, q в виде
∂k
k
и, используя измеренные значения абсолютного доплеровского сдвига частоты ƒ, вычисляют модули скоростей воздушного объекта в точках A траектории как
где λ - длина волны излучения телевизионного центра.
8 Осуществляют построение траектории движения ВО в пространстве, используя измеренные значения его угловых координат, задержек отраженных от него сигналов подсвета и доплеровских сдвигов частоты на трассах распространения, а также рассчитанные значения наклонных дальностей, пространственных курсовых углов и скоростей движения объекта.
Примером системы, реализующей предложенный способ, является полуактивная бистатическая радиолокационная система, структурная схема которой приведена на фиг. 2. В состав этой РЛС входят:
1 - антенная система (АС), содержащая антенну А1 приема рассеянного объектом сигнала и антенну А2 приема прямого сигнала ТЦ;
2 - блок управления антенной системой (БУАС);
3 - двухканальное радиоприемное устройство (2кРПУ);
4 - двухканальный аналого-цифровой преобразователь (2кАЦП);
5 - формирователь опорных сигналов (ФОС);
6 - вычислитель модуля двумерной взаимно корреляционной функции (ВМДКФ);
7 - устройство обнаружения ВО (УОВО);
8 - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);
9 - устройство управления (УУ):
10 - вычислитель наклонных дальностей (ВИД) РЛС - ВО;
11 - вычислитель курсовых углов и модулей векторов скорости (ВКУС) ВО;
12 - построитель траекторий (ПТ) ВО.
На фигуре 2 использованы дополнительные сокращения:
КУ - команда управления,
ЦП - цифровой поток.
Полуактивная бистатическая РЛС содержит (фиг. 2) АС 1, выход антенны А1 которой подключен к первому входу 2кРПУ 3; выход антенны А2 упомянутой АС 1 подключен ко второму входу 2кРПУ 3, к третьему входу которого подключен первый выход ФОС 5. Вход АС 1 соединен с первым выходом БУАС 2, второй выход которого соединен с одноименным входом УОВО 7. Один выход 2кРПУ 3 подключен к первому входу 2кАЦП 4, а другой выход 2кРПУ 3 - ко второму входу 2кАЦП 4, к третьему входу которого подключен второй выход ФОС 5. Один выход 2кАЦП 4 подключен к первому входу ВМДКФ 6, а другой выход 2кАЦП 4 - ко второму входу ВМДКФ 6, к третьему входу которого подключен первый выход УУ 9.
Выход ВМДКФ 6 подключен к первому входу УОВО 7, к третьему входу которого подключен второй выход УУ 9. Выход УОВО 7 подключен к первому входу ОЗУ 8, ко второму входу которого подключен третий выход УУ 9. Выход ОЗУ 8 подключен к четвертому входу УУ 9, четвертый выход которого соединен со входом БУАС 2.
В состав полуактивной бистатической РЛС введены вновь ВНД 10, ВКУС 11 и ПТ 12. Выход ВНД 10 подключен к первому входу УУ 9, пятый выход которого подключен ко входу ВНД 10. Выход ВКУС 11 подключен ко второму входу УУ 9, шестой выход которого подключен ко входу ВКУС 11. Выход ПТ 12 подключен к третьему входу УУ 9, седьмой выход которого подключен ко входу ПТ 12. Восьмой выход УУ 9 является выходом РЛС.
Полуактивная бистатическая РЛС работает следующим образом. Сигналы, отраженные от ВО, и прямой радиосигнал ТЦ принимаются антеннами А1 и А2 с пространственно разнесенными диаграммами направленности, входящими в состав АС 1. При этом антенной А1 под управлением БУАС 2 осуществляется пространственный поиск в заданном секторе углов. Принятые сигналы когерентно переносятся в 2кРПУ 3 на промежуточную частоту и затем подвергаются аналого-цифровому преобразованию в 2кАЦП 4. Когерентность преобразования обеспечивается за счет использования высокостабильных опорных сигналов, синтезируемых в ФОС 5.
i
∂i
i
i
i
i
i
∂i
i
i
Режекция мощного прямого радиосигнала ТЦ, являющегося когерентной помехой, маскирующей слабые рассеянные воздушными объектами радиосигналы, осуществляется ВМДКФ 6. При этом фиксируются значения задержек по времени τ, абсолютного доплеровского сдвига ƒ и направления прихода каждого отраженного сигнала (угловые координаты β и ε). Путем сравнения с пороговым значением модуля двумерной корреляционной функции в УОВО 7 принимается решение об обнаружении отраженного от ВО сигнала в направлении β, ε. Значения величин τ, ƒ, β, ε запоминаются в ОЗУ 8.
i
i
i
i0
jB
∂i
Далее в ВНД 10 под воздействием команд управления, поступающих из УУ 9, осуществляется расчет по измеренным значениям τ, β, ε величин наклонных дальностей ПС - ВО и ТЦ - ВО по формулам (6, 7). В устройстве ВКУС 11 осуществляется расчет пространственных курсовых углов q, q и модулей векторов скорости движения ВО относительно ПС на основе расчетных значений наклонных дальностей и измеренных величин ƒ. Прокладка траекторий ВО относительно ПС осуществляется в ПТ 12 по значениям измеренных УК и расчетных значений наклонных дальностей, пространственных курсовых углов и скоростей движения лоцируемых объектов.
Реализация способа и устройства на его основе не встречает затруднений при современном уровне развития радиотехники и устройств цифровой обработки сигналов. Возможность реализации предложенного способа обеспечивает ему критерий «промышленная применимость».
Таким образом, использование способа определения параметров движения и траекторий ВО при полуактивной бистатической радиолокации с предложенной последовательностью операций обеспечивает, по сравнению с прототипом, определение наклонных дальностей ПС - ВО, курсовых углов и скоростей наблюдаемых объектов, построение траекторий их движения и определение экстраполированных значений координат ВО на основе измеренных значений угловых координат, задержек отраженных объектами сигналов относительно опорных, а также доплеровских сдвигов частоты принятых сигналов.