СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТРАЕКТОРИИ ДВИЖЕНИЯ ЦЕЛЕЙ В ОБЗОРНЫХ РЛС
METHOD OF DETERMINING TRAJECTORY PARAMETERS OF TARGETS IN SURVEILLANCE RADAR STATIONS

Изобретение относится к области радиолокации, в частности к способам определения параметров траектории движения объектов, и может быть использовано в алгоритмах сопровождения целей радиолокационными станциями (РЛС), осуществляющими последовательный круговой или секторный обзор пространства.
Известен комплексный способ определения координат и параметров траектории движения авиационно-космических объектов, наблюдаемых группировкой станций слежения [1].
Недостатками данного способа-аналога являются, во-первых, необходимость наличия группировки станций слежения и межстанционных дуплексных каналов информационной связи, во-вторых, сложность синхронизации группировки станций при необходимости обзора пространства.
Кроме того, известен способ определения параметров траектории движения воздушных целей в обзорных РЛС [2, с.303].
К недостаткам этого способа-аналога относятся, во-первых, большое время, затрачиваемое на оценку параметров траектории движения цели, во-вторых, низкая точность определения параметров траектории движения цели при малом количестве обзоров пространства.
rt
τt
Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ определения параметров траектории движения (радиальной V и тангенциальной v скоростей) воздушных целей (ВЦ) за один обзор пространства методом инверсного синтезирования апертуры антенны (ИСА) путем когерентного накопления отраженных от цели эхо-сигналов и специальной обработки этих сигналов [3], основанный на выполнении следующих операций (фиг.1):
1. Прием сигнала от цели в процессе обзора пространства РЛС:
ц
и
и
обз
обз
и
обз
и
Λ
kt
max
Λ
Λ
.
.
где  - текущее значение диаграммы направленности антенны (ДНА) в направлении на ВЦ; β - азимут ВЦ; β(nT)=2π(1-nT/T); n - номер зондирующего сигнала; ; N=int{T/T}; int{} - символ вычисления целого значения от выражения {}; Т - период обзора пространства; Т - период следования импульсов; t - время задержки эхо-сигнала от локальных центров рассеивания (ЛЦР); λ - длина волны излучения; r=kΔr - дальность до ВЦ, находящейся в k-м  элементе разрешения по дальности Δr,  (r - максимальная граница зоны обзора РЛС по дальности), и состоящей из  ЛЦР;  - номер обзора пространства; Ψ - фаза переотражения и начальная фаза в момент t;  - аддитивная смесь шума на входе аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и шумов дискретизации и квантования принятого сигнала.
Выражение (1) описывает сигнал с амплитудной и фазовой модуляцией, вызываемой изменением во времени ракурса ВЦ и перемещением в пространстве диаграммы направленности антенны (ДНА) РЛС. При этом первый множитель характеризует огибающую сигнала, второй - среднюю доплеровскую частоту, а третий - комплексный модулирующий множитель, обусловленный изменением ракурса ВЦ.
Затем производится регистрация квадратурных составляющих эхо-сигнала (1), вычисление его комплексной формы и запись в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).
2. Формирование G матриц опорных сигналов размером P×L×К, элементы которых определяют по формуле:
цt
r
τ
rmax
r
τmax
τ
rmax
τmax
rt
τt
.
где  - номер отсчета дискретного опорного сигнала;  и  - значения расчетных радиальной и тангенциальной составляющих скорости ВЦ V; {} - знак множества; Δv и Δv - шаги дискретизации скоростей  и  соответственно;  и L=V/Δv - номер и максимальное количество расчетных значений скорости  соответственно;  и Р=V/Δv - номер и максимальное количество расчетных значений скорости  соответственно; V и V - максимальные значения скоростей V и V соответственно.
3. Умножение n-го принятого сигнала  на каждый элемент соответствующей матрицы опорных сигналов
4. Формирование матрицы результирующих сигналов путем суммирования одноименных элементов матриц опорных сигналов по g
5. Вычисление модуля результирующего сигнала:
0t
0t
0t
k
6. В канале определяются индексы p, l и k, при которых элементы матриц U(n, р, l, t) принимают максимальное значение, и производится оценка дальности ВЦ как:
7. Оценивается радиальная скорость ВЦ:
8. Производится оценка тангенциальной скорости ВЦ:
9. Для текущего обзора пространства t оценивается линейная скорость ВЦ:
10. Производится расчет курсового угла ВЦ:
Недостатки способа-прототипа:
прот
- требуется большой объем вычислительных ресурсов, пропорциональный размерности опорной функции (N=P×L×K), и высокая производительность процессора ЭВМ;
- ограничение на пропускную способность (количество ВЦ, обслуживаемых за один обзор), обусловленное ограничениями на возможности ЭВМ.
Задачей предлагаемого способа является уменьшение вычислительных затрат и увеличение пропускной способности устройства, реализующего предлагаемый способ.
rt
τt
0t
0t
0t
r
τ
r
Для решения поставленной задачи в способе определения параметров траектории движения объектов - радиальной V и тангенциальной V скоростей - за один обзор пространства, заключающемся в приеме радиолокационной станцией эхо-сигналов; регистрации их квадратурных составляющих; вычислении их комплексной формы и записи в оперативное запоминающее устройство; формировании G матриц опорных сигналов, включающих возможные параметры траектории движения объекта: дальности, радиальной и тангенциальной скоростей; формировании результирующего сигнала путем умножения принятого сигнала на соответствующий элемент матрицы опорных сигналов и суммировании G элементов полученной матрицы по ; вычислении модуля каждого элемента матрицы результирующего сигнала и определении номеров строк p, столбцов l и k-го элемента дальности матрицы, при которых элементы модуля матрицы результирующих сигналов принимают максимальное значение; расчете на первом обзоре пространства радиальной и тангенциальной скоростей и дальности цели как ,  и , где Δv, Δv и Δ - дискреты по радиальной, тангенциальной скоростям и по дальности соответственно,  - номер обзора пространства; расчете линейной скорости  и курсового угла цели  согласно изобретению ограничивают на следующий (t+1)-й обзор пространства количество элементов опорной функции за счет формирования строба ее параметров путем экстраполяции дальности до цели , ее курсового угла  и радиальной  и тангенциальной  составляющих вектора скорости, причем центр строба определяют по формулам:
,
, ,
, ,
обз
где Т - период обзора пространства,
а размеры строба по дальности, радиальной и тангенциальной скоростям цели рассчитывают по формулам:
,
,
,
где  и  - среднеквадратическая погрешность измерения составляющих вектора скорости  и  соответственно.
Предлагаемый способ заключается в следующем.
1. Первичная оценка параметров (, , ) формируется исходя из выражений (1-9).
2. Центр строба параметров опорной функции определяется в результате экстраполяции дальности до ВЦ  ее курсового угла  и составляющих вектора скорости  на следующий (t+1)-й обзор [4]:
где  - оценка изменения азимута ВЦ за один обзор пространства; .
(t+1)
r(t+1)
τ(t+1)
3. По результатам обработки в первом обзоре выбираются размеры строба (Δr, ΔV, ΔV) на следующий (t+1)-й обзор, которые рассчитываются следующим образом
где  и  - среднеквадратические погрешности измерения вектора скорости  и , которые вычисляются по методике, представленной в [5].
4. Формирование N матриц опорных сигналов (3) размером, определяемым выражением (11), на следующий (t+1)-й обзор.
Таким образом, в предлагаемом способе определения параметров траектории движения воздушных целей в соответствии с выражениями (8-12) производится формирование границ строба по дальности, радиальной и тангенциальной скоростям при вторичной обработке радиолокационной информации (РЛИ), тем самым появляется возможность ограничения количества элементов опорной функции (3) и, как следствие, снижение требований к объему памяти и производительности процессора вычислительного устройства обзорной РЛС, увеличение пропускной способности устройства, осуществляющего предлагаемый способ, по сравнению с устройством, реализующим способ-прототип.
Новыми существенными признаками изобретения являются:
1. Экстраполяция параметров опорного сигнала по дальности, радиальной и тангенциальной скоростям ( на (t+1)-й обзор пространства путем определения центра строба
2. Определение размеров строба  на (t+1)-й обзор пространства;
3. Формирование опорной функции (3) с ограничением количества элементов в соответствии с выражением (11).
При этом уменьшение объема памяти и, тем самым, снижение требований к объему вычислительных затрат и производительности процессора вычислительного устройства обзорной РЛС (выигрыша по сравнению со способом-прототипом) будет определяться как
прот
где N=P×L×K - размерность опорной функции в способе прототипе.
С учетом зависимостей, полученных в [4, 5], после элементарных преобразований выражение (12) примет следующий вид
rtmax
max
цt
τtmax
max
цt
β
где V=Vcosα и V=Vsinα; q - отношение сигнал/шум на выходе приемного устройства РЛС; θ (рад) - азимутальная ширина ДНА РЛС по уровню половинной мощности.
Оценим выигрыш предлагаемого способа.
обз
τt
max
tmax
kt
На основе выражения (13) получены графические зависимости (фиг.3) уменьшения объема вычислительных затрат W вычислительного устройства обзорной РЛС за счет реализации предлагаемого способа при λ=0,12 м; Т=10, 20…60 с; V=254.46 м/с; V=639 м/с (например, самолет тактической авиации F-4 имеет максимальную скорость 640 м/с); r=360 км; r=20 км.
Таким образом, как видно из фиг.3, с помощью вновь введенных процедур достигается значительное уменьшение объема вычислительных затрат предлагаемым способом (количество элементов опорной функции может быть уменьшено на 9-11 порядков) и, тем самым, увеличение выигрыша по времени, затраченного на обработку полученных данных.
Следовательно, введение новых существенных признаков позволит в обзорных РЛС значительно сократить объем вычислительных затрат по сравнению со способом-прототипом.
Сущность предлагаемого способа поясняется фиг.1-3.
На фиг.1 представлена совокупность операций, составляющих сущность способа-прототипа.
На фиг.2 представлена совокупность операций, составляющих сущность предлагаемого способа.
На фиг.3 представлен график, показывающий выигрыш в объеме вычислительных затрат за счет реализации предлагаемого способа по сравнению с прототипом.
Оценка реализуемости и эффективности предлагаемого способа проводилась методом математического моделирования на ЭВМ. Операции 1-7, 11 известны, их реализация аналогична прототипу, а остальные операции можно реализовать аппаратно (на программируемых логических интегральных схемах) или программно (на ЭВМ).
Источники информации
1. Мамошин В.Р. Комплексный способ определения координат и параметров траекторного движения авиационно-космических объектов, наблюдаемых группировкой станций слежения. Патент на изобретение РФ №2279105 от 02.08.2004. Бюллетень №18 от 27.06.2006 г.
2. Бакулев П.А. // Радиолокационные системы. Учебник для вузов. - М.: Радиотехника, 2004, 320 с.
3. Лихачев В.П., Мубарак Н.X. Способ определения параметров траектории движения воздушных целей в обзорных РЛС. Патент на изобретение РФ №2337378 от 02.07.2007. Бюллетень №30 от 27.10.2008 - прототип.
4. Сосулин Ю.Г. Теоретические основы радиолокации и радионавигации: Учеб. пособие для вузов - М.: Радио и связь, 1992. - 304 с.
5. Коновалов А.Ю., Купряшкин И.Ф., Лихачев В.П. Точность оценки вектора линейной скорости цели при инверсном синтезировании апертуры антенны в условиях обзора пространства. - М.: Радиотехника. Антенны, №5, 2009. - С.65-69.