СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ И НАПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ НОСИТЕЛЯ ОБЗОРНОЙ РЛС
METHOD FOR DETECTION OF SPEED AND MOTION DIRECTION FOR CARRIER OF SURVEILLANCE RADAR

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к способам и технике пассивной радиолокации, и может быть использовано при создании многопозиционных пассивных РЛС.
Известны традиционные радиотехнические способы определения скорости носителя обзорной РЛС группировкой наземных приемных пунктов: триангуляционный (угломерный), разностно-дальномерный и их различные сочетания. Так, при триангуляционном способе [1] скорость носителя обзорной РЛС определяется как производная от расстояния, пройденного носителем обзорной РЛС за промежуток времени между несколькими оценками его местоположения. Данный способ отличается простотой реализации и минимально необходимым вычислительным ресурсом.
Разностно-дальномерный способ [2, стр.321-322], [3, стр.238] позволяет определить скорость носителя обзорной РЛС по результатам нескольких измерений разностей времени прихода сигналов обзорной РЛС на ведущий и ведомые приемные пункты.
Существенным недостатком способов-аналогов является необходимость завязки траектории движения носителя обзорной РЛС для последующей оценки его направления движения, что потребует значительного времени и многократных измерений его местоположения. Кроме того, при разностно-дальномерном способе оценивания скорости носителя при большой частоте следования импульсов обзорной РЛС появляется неоднозначность измерения его местоположения, которую устранить практически невозможно, а также имеются ограничения на максимальное расстояние между приемными пунктами, так как они должны одновременно находиться в створе диаграммы направленности антенны обзорной РЛС.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ определения скорости и направления движения носителя обзорной РЛС многопозиционной пассивной радиолокационной станцией (МПРЛС), описанный в [3, стр.382-387].
rj
gj
gj
gj
g
j
g
j
Сущность способа-прототипа поясняется фиг.1, где представлено взаимное расположение МПРЛС и носителя обзорной РЛС на плоскости. На фиг.1 обозначены:  и V - вектор скорости носителя обзорной РЛС и его радиальная скорость относительно j-го приемного пункта (ПП), где ; R - расстояние между ведущим (g-м) и j-м ПП, которое известно и постоянно, , g≠j; α1, α2 - углы пересечения линий положения g-го и j-го ПП в точке истинного положения носителя обзорной РЛС при первой и второй оценке его местоположения; D1, D1 и D2, D2 - дальности от g-го и j-го ПП до носителя обзорной РЛС соответственно при первой и второй оценке его местоположения;  - расстояние, которое преодолевает носитель обзорной РЛС за время
пер
ППg
τ
Т - время перемещения носителя обзорной РЛС из одного элемента разрешения по угловой координате g-го ПП в другой элемент разрешения; Δθ - ширина диаграммы направленности (ШДН) антенны g-го ПП; V - тангенциальная скорость носителя обзорной РЛС, максимальная относительно одного из ПП, например g-го ПП; ,  и ,  - средние значения пеленгов на носитель обзорной РЛС, определенные g-м и j-м ПП соответственно при первой и второй оценке местоположения носителя обзорной РЛС.
Определение скорости и направления движения носителя обзорной РЛС в способе-прототипе основано на выполнении следующих операций (фиг.2):
1. Прием m пачек радиоимпульсов от обзорной РЛС j-м ПП в течение времени нахождения носителя обзорной РЛС в луче его диаграммы направленности
mj
u
u
nm
0
где A(t) - функция изменения огибающей m-й пачки радиоимпульсов, принятой j-м ПП; S(t) - функция модуляции единичного радиоимпульса длительностью τ; T - период следования импульсов в пачке; φ(t) - закон изменения фазы единичного радиоимпульса в m-й пачке; f - частота зондирующего сигнала обзорной РЛС;
0
λ - длина волны зондирующего сигнала обзорной РЛС;  - количество радиоимпульсов в пачке, обусловленное ШДН антенны, частотой следования импульсов и скоростью обзора пространства РЛС.
jm
2. Измерение j-м ПП пеленга на работающую обзорную РЛС β1 по каждой m-й принятой пачке импульсов обзорной РЛС и получение усредненного значения пеленга на обзорную РЛС
3. Передача усредненного значения пеленга  на ведущий ПП.
4. Расчет значения угла пересечения линий положения g-го и j-го ПП в точке истинного положения носителя обзорной РЛС
5. Расчет значения дальности от носителя обзорной РЛС до ведущего ПП [4, стр.150]
6. Повторение операций п.п.1-5 при перемещении носителя обзорной РЛС в соседний элемент разрешения по угловой координате (луч диаграммы направленности) j-го ПП с целью определения второго среднего значения дальности от носителя обзорной РЛС до ведущего ПП
7. Расчет значения скорости носителя обзорной РЛС относительно ведущего ПП
Точность определения скорости носителя обзорной РЛС способом-прототипом определяется следующим выражением [5, стр.278]
где
D1g
g
β1g
D1j
j
β1j
D2g
g
β2g
D2j
j
β2j
- среднеквадратические ошибки (СКО) определения точек пересечения линий положения носителя обзорной РЛС g-го и j-го ПП при первой и второй оценке его местоположения соответственно; z - количество оценок местоположения носителя обзорной РЛС; σ=D1σ, σ=D1σ, σ=D2σ, σ=D2σ [7, стр.234] - СКО определения линий положения g-го и j-го ПП при первой и второй оценке местоположения носителя обзорной РЛС соответственно; , , ,  - СКО определения пеленгов на обзорную РЛС g-м и j-м ПП при первой и второй оценке его местоположения соответственно, определяемые по формуле [2, стр.186]
g
j
где q, q - отношения сигнал/шум по мощности для соответствующего ПП.
g
j
Значения q, q определяются по формуле [6, стр.118]
и
где  [6, стр.236] энергия сигнала РЛС на входе соответствующих ПП, Р - импульсная мощность обзорной РЛС;  - длительность пачки радиоимпульсов обзорной РЛС;
РЛС
обз
РЛС
БЛg
БЛj
0
б
ш
б
ш
-23
Δθ - ШДН антенны обзорной РЛС; Т - время обзора пространства РЛС; G - коэффициент усиления антенны обзорной РЛС; G, G - коэффициенты, характеризующие уровень боковых лепестков диаграммы направленности антенны обзорной РЛС в направлении на соответствующий ПП;  - скважность радиоимпульсов, излучаемых обзорной РЛС; N=kT°Kν [6, стр.246] - спектральная плотность шума на входе g-го и j-го ПП, k=1,38·10 [Дж/град] - постоянная Больцмана, T°=300К -абсолютная температура в градусах Кельвина, К - коэффициент шума приемных устройств g-го и j-го ПП; ν - коэффициент, характеризующий потери энергии излученного сигнала РЛС в антенно-фидерном тракте ПП.
К недостаткам способа-прототипа относятся:
- низкая точность определения результирующей скорости носителя обзорной РЛС при малом количестве z;
- большое время, затрачиваемое на оценку направления движения носителя обзорной РЛС.
Техническим результатом изобретения является повышение точности и сокращение времени определения скорости и направления движения носителя обзорной РЛС в многопозиционной пассивной РЛС.
j
0j
g
gj
0g
0j
0g
Указанный технический результат достигается тем, что в j-м приемном пункте определяют пеленг на обзорную РЛС β и частоту сигнала обзорной РЛС f и передают их значения на ведущий приемный пункт, на ведущем приемном пункте определяют пеленг на обзорную РЛС β и разность частот ΔF=f-f, где f - частота сигнала обзорной РЛС, измеренная ведущим приемным пунктом, рассчитывают угол между вектором скорости носителя обзорной РЛС и линией, соединяющей носитель обзорной РЛС и j-й приемный пункт по формуле
gj
g
j
где  - угол между вектором скорости носителя обзорной РЛС и линией, соединяющей носитель обзорной РЛС и g-й приемный пункт; α=β-β - угол пересечения линий положения g-го и j-го приемных пунктов в точке истинного положения носителя обзорной РЛС;
g(j+1)
g
j+1
α=β-β - угол пересечения линий положения g-го и j+1-го приемных пунктов в точке истинного положения носителя обзорной РЛС; знак «+» принимается, если j-й приемный пункт находится слева от g-го приемного пункта, знак «-» выбирается, если j-й приемный пункт находится справа от g-го приемного пункта; а скорость носителя обзорной РЛС определяют по формуле
Сущность изобретения поясняется фиг.3, где представлено взаимное расположение приемных пунктов и носителя обзорной РЛС на плоскости для случая J=3.
На фиг.2 обозначены:
31
32
R и R - расстояния между ПП, которые известны и постоянны;
- вектор скорости носителя обзорной РЛС и радиальные скорости относительно соответствующего ПП;
1
2
3
γ, γ и γ - углы между вектором скорости носителя обзорной РЛС и линиями, соединяющими носитель обзорной РЛС с соответствующим ПП;
1
2
3
β, β, β - пеленги на обзорную РЛС, определенные соответствующими ПП;
31
32
α, α - углы пересечения линий положения ПП3, ПП1 и ПП3, ПП2 соответственно в точке истинного положения носителя обзорной РЛС.
В качестве ведущего ПП назначен ПП3. Принято, что носитель обзорной РЛС движется прямолинейно и равномерно относительно МПРЛС.
В предлагаемом способе выполняется следующая последовательность операций (фиг.4):
1. Прием первой пачки радиоимпульсов (1) от обзорной РЛС каждым ПП.
1
2
3
01
02
03
2. Определение каждым ПП пеленгов на работающую обзорную РЛС β, β, β и несущей частоты обзорной РЛС f, f, f.
1
2
01
02
3. Передача значений пеленгов β, β и несущих частот сигнала обзорной РЛС f, f на ПП3.
4. Определение на ПП3 значений углов пересечения линий положения ПП1, ПП3 и ПП2, ПП3 в точке истинного положения носителя обзорной РЛС
31
03
01
32
03
02
5. Определение на ПП3 значений разностей частот сигнала (1) ΔF=f-f и ΔF=f-f.
1
2
3
6. Расчет на ПП3 значений углов γ, γ и γ
7. Определение на ПП3 скорости носителя обзорной РЛС
и усреднение полученных оценок
Таким образом, в предлагаемом способе определения скорости и направления движения носителя обзорной РЛС новыми существенными признаками изобретения являются:
1. Оценка несущих частот сигналов обзорной РЛС в каждом ПП.
2. Вычисление на ведущем ПП по первой пачке радиоимпульсов значений разностей частот сигнала обзорной РЛС.
1
2
3
3. Расчет углов γ, γ и γ (12)-(13) и оценка скорости носителя обзорной РЛС (14)-(15).
01
0J
1
J
g1
gJ
g1
J
1
J
На фиг.5 представлен вариант построения МПРЛС, состоящей из J ПП, в которой реализован предлагаемый способ определения скорости и направления движения обзорной РЛС. Каждый ПП состоит из однотипного приемного устройства (ПрУ), в котором определяются несущая частота f…f и пеленг на обзорную РЛС β…β. Ведущий ПП (g-й ПП), кроме того, включает в себя: вычитающие устройства 1.1…1.j, осуществляющие вычисление значений ΔF…ΔF и α…αg, два делителя 2; J-1 блоков вычисления скорости носителя обзорной РЛС  (БВСН РЛС 1…БВСН РЛС J-1); J-1 блоков вычисления направления движения носителя обзорной РЛС (углов между вектором скорости носителя обзорной РЛС и линией, соединяющей носитель обзорной РЛС и соответствующий ПП γ…γ БВНД РЛС 1…БВНД РЛС J-1) и сумматор 5, реализующие вычисления по формулам (12)-(13) и (14)-(15).
g
j
j+1
Каждый БВСН РЛС включает в себя следующие устройства: три вычислителя синуса 3.g, 3.j, 3.j+1, осуществляющие определение синуса углов γ, γ и γ; два вычитающих устройства 1.g и 1.j; два делителя 2.j и 2.j+1 и два умножителя 7.j и 7.j+1.
gj
g(j+1)
gj
g(j+1)
Каждый БВНД РЛС включает в себя: три вычитающих устройства 1.g, 1.j, 1.j+1; два делителя 2.j; два вычислителя синуса 3.j и 3.j+1, осуществляющие вычисление синусов углов α и α, два вычислителя косинуса 4.j, 4.j+1, осуществляющие вычисление косинусов углов α и α; три сумматора 5.g, 5.j. 5.j+1; вычислитель арктангенса 6.j; два умножителя 7.j, 7.j+1 и две схемы выбора знака 8.j.
Порядок определения скорости и направления движения носителя обзорной РЛС в предлагаемой МПРЛС заключается в следующем.
1
J
01
0J
Сигнал обзорной РЛС поступает на вход всех приемных пунктов МПРЛС. В ПрУ каждого ПП вычисляются пеленги на обзорную РЛС β…β и значения несущей частоты f…f. Полученные значения пеленгов и несущих частот сигнала обзорной РЛС передаются на g-й ПП.
0g
g
g1
gJ
g1…
gJ
0g
0
На ведущем ПП полученные значения пеленгов и несущих частот поступают на первые входы соответствующих устройств 1.1…1.J. На их вторые входы подаются значения f и β. В результате на выходах устройств 1.1…1.J формируются значения ΔF…ΔF и αα. Значение f также подается на вход устройства 2, на второй вход которого поступает постоянное значение скорости света (с). В результате на выходе устройства 2 формируется значение λ.
g1
gJ
g1…
gJ
Значения ΔF…ΔF и αα поступают на соответствующие блоки вычисления направления движения носителя обзорной РЛС, где проводятся следующие операции.
g1…
gJ
gj
g(j+1)
g
В блоках 3.1…3.J и 4.1…4.J вычисляются значения синусов и косинусов углов αα соответственно. Далее в устройствах 1.j и 1.j+1 проводятся операции вычитания постоянного значения «1» из полученных значений косинусов углов α и α. Полученные разности подаются на входы устройств 7.j, на вторые входы которых подается результат вычислений в блоке 2.j. С выходов устройств 7.j полученные произведения подаются на сумматоры 5.j, выходы которых подключены к устройству 2.j. Результат деления поступает на устройство 6.j, на выходе которого формируется значение угла γ.
g
gj
g(j+1)
gj
g(j+1)
Значение угла γ подается на вход устройств 5.j и 1.j. На вторые входы устройств подаются значения углов α и α с выходов устройств 8.j. Значение угла α или α поступает на выход соответствующего устройства 8.j только при наличии разрешающего сигнала определенного уровня «Л» или «П» (сигнал о местоположении соответствующего ПП слева или справа от ведущего ПП)
j
j+1
j+1
j
В итоге на выходе устройства 5.j формируется значение угла γ или γ, на выходе устройства 1.j - значение угла γ или γ.
В результате вычислений на выходах БВНД РЛС формируются значения углов
1
J
γ…γ, которые характеризуют положение носителя обзорной РЛС относительно каждого ПП МПРЛС.
g
j
j+1
g
j
j+1
gj
g(j+1)
0
Значения углов γ, γ и γ поступают на устройства 3.j соответствующих БВСН РЛС. С выходов устройств 3.j значения синусов углов γ, γ и γ поступают на устройства 1.j. Полученные разности синусов поступают на устройства 2.j, на вторые входы которых поступают значения ΔF и ΔF. Результаты деления подаются на устройства 7.j, на вторые входы которых подается значение λ с выхода устройства 2. С выходов устройств 7.j значения скорости носителя обзорной РЛС  и  поступают на устройство 5. Сумма всех значений  полученная во всех БВСН РЛС, с выхода устройства 5 поступает на вход устройства 2, на второй вход которого подается постоянное значение J-1. В результате на выходе устройства 2 формируется значение скорости носителя обзорной РЛС .
Все устройства, входящие в состав ведущего ПП и имеющие одинаковый номер, аналогичны по составу и принципу работы. Конструкция устройств 1…7 основана на использовании известных аналоговых и цифровых элементов и технических трудностей в реализации не представляет. Схема выбора знака 8 может состоять из мультиплексора с одним управляемым входом.
Оценка реализуемости и эффективности предлагаемого способа определения скорости и направления движения обзорной РЛС проводилась методом математического моделирования на ЭВМ. Операции 1-4 (фиг.4) известны, их реализация аналогична прототипу, а операции 5-7 были реализованы программно в среде MathCAD.
В результате моделирования была оценена точность определения скорости и направления движения носителя обзорной РЛС предлагаемым способом и степень влияния на нее величин, входящих в выражения (12)-(15).
и
и
и
0
РЛС
РЛС
обз
пачки
31
32
ПП
3
-6
-3
3
-3
В качестве исходных данных было принято, что носитель обзорной РЛС движется прямолинейно и равномерно относительно МПРЛС со скоростью ; значение Р=10 Вт; длительность импульса τ=10 с; период следования Т=10 с, следовательно, Q=10; λ=0,03 м, значение Δθ в азимутальной и угломестной плоскости составляет 3°, тогда G=4000; Т=5 с, тогда τ=42·10 с; дальность от ведущего ПП до носителя обзорной РЛС D3 принимала значения 50, 100 и 150 км; расстояния R=R=20 км; значение Δθ в азимутальной и угломестной плоскости составляет 1,5°.
31
32
31
32
31
3
1
32
3
2
Были заданы 10000 реализаций углов пересечения линий положения α и α в точке истинного положения носителя обзорной РЛС и разностей частот сигнала обзорной РЛС ΔF, ΔF, распределенных по нормальному закону с математическим ожиданием α=β-β, α=β-β, ,  соответственно,
r31
r3
r1
r32
r3
r2
где ΔV=V-V, ΔV=V-V и дисперсией, определяемой выражениями
где , ,  определяются по формуле (7); , ,  - СКО определения частоты сигнала обзорной РЛС соответствующим ПП, вычисляемая по формулам [2, стр.185]:
1
2
3
где q, q, q - отношения сигнал/шум по мощности соответствующего ПП, определяемые по формуле (8).
3
Подставляя полученные в (7), (8) и (18) значения в (16) и (17) и проведя нелинейные преобразования сформированных случайных последовательностей  были получены значения математического ожидания  и дисперсии оценки скорости носителя обзорной РЛС . При заданных дальностях D, равных 50, 100 и 150 км, значения  составили 2,963, 3,471 и 3,929 м/с соответственно. Полученные значения  были сопоставлены с потенциальной точностью оценки скорости движения носителя обзорной РЛС, определяемой по формуле [4, стр.140]
пер
п
пачки
На фиг.6 представлены зависимости  от времени наблюдения носителя обзорной РЛС t=zT для способа-прототипа. На фиг.7 представлены зависимости потенциальной  от времени t=m·τ для заданных условий и значения , полученные в предлагаемом способе при значениях D3=50, 100 и 150 км. Из анализа графических зависимостей видно, что СКО определения скорости носителя обзорной РЛС в предлагаемом способе в отличие от прототипа практически не зависит от дальности до него.
Результаты сравнительного анализа точностей оценки скорости носителя обзорной РЛС способом-прототипом и предлагаемым способом для приведенных выше условий представлены в таблице.
Как видно из таблицы, в способе-прототипе для достижения точности определения скорости носителя обзорной РЛС, полученной в предлагаемом способе, необходимо выполнить не менее 6 оценок местоположения носителя обзорной РЛС, что составит в зависимости от дальности до носителя обзорной РЛС более 25 с. Следовательно, выигрыш по времени, возникающий в результате применения предлагаемого способа, составляет более 590 раз и возможен при приеме одной пачки импульсов от обзорной РЛС.
Таким образом, введение новых существенных признаков позволяет в МПРЛС достичь более высокой точности определения скорости и направления движения носителя обзорной РЛС при меньшем времени наблюдения по сравнению с прототипом.
Источники информации
1. Мамошин В.Р. Патент РФ №2279105 от 02.08.2004 г. на изобретение «Комплексный способ определения координат и параметров траекторного движения авиационно-космических объектов, наблюдаемых группировкой станций слежения». БИ №18 от 27.06.2006 г.
2. Смирнов Ю.А. Радиотехническая разведка. - М.: Воениздат, 2001. - 456 с.
3. Черняк B.C. Многопозиционная радиолокация. - М.: Радио и связь, 1993. - 416 с.
4. Караваев В.В., Сазонов В.В. Статистическая теория пассивной локации. - М.: Радио и связь, 1987. - 240 с.
5. Сосулин Ю.Г. Теоретические основы радиолокации и радионавигации: Учеб. пособие для вузов - М.: Радио и связь, 1992. - 304 с.
6. Ширман Я.Д. Теоретические основы радиолокации: Учеб. пособие для вузов. - М.: Сов. радио, 1970. - 560 с.
7. Казаринов Ю.М. Радиотехнические системы. Учеб. для вузов. - М.: Высшая школа. 1990. - 496 с.