СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ ДО ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ
METHOD FOR DETERMINING THE DISTANCE TO THE SURFACE OF EARTH

Изобретение относится к области радиолокационной техники и может быть использовано при построении различных радиолокационных систем, предназначенных для определения дальности от движущегося объекта до поверхности земли, использующих принцип отражения радиоволн.
Известен аналог - способ определения дальности до поверхности земли (В.И. Вербицкий, Н.Н. Калмыков, С.А. Мельников, В.В. Соловьев, А.С. Рыжков. Радиовысотомер больших высот с ФКМ сигналом, Сборник трудов Третьей Всероссийской научно-технической конференции «Радиовысотометрия-2010», Каменск-Уральский, 2010 г., стр. 206-210), применяемый в радиовысотомерах, заключающийся в излучении зондирующих сигналов в направлении поверхности земли, в качестве которых используют радиоимпульсы с непериодической фазокодовой внутриимпульсной манипуляцией.
Реализация способа-аналога заключается в следующем.
Задают диапазон определяемых дальностей.
Используют в качестве зондирующих сигналов радиоимпульсы с непериодической фазокодовой внутриимпульсной манипуляцией.
Определяют параметры радиоимпульсов, исходя из требований:
- радиоимпульсы должны иметь постоянные длительность  и период повторения
- радиоимпульсы должны состоять из N монохроматических субимпульсов длительностью τ, где N - постоянная величина;
- максимальная длительность радиоимпульсов  должна быть ограничена временем распространения сигнала от нижней границы диапазона определяемых дальностей до поверхности земли и обратно.
Реализуют фазокодовую внутриимпульсную манипуляцию модулированием М-последовательностями начальных фаз субимпульсов, принимающих одно из двух значений 0 или π.
н
Излучают в направлении поверхности земли зондирующие сигналы на постоянной несущей частоте ƒ.
Принимают сигналы, отраженные от поверхности земли.
Проводят согласованную фильтрацию отраженных сигналов с использованием в качестве весовых коэффициентов кодов, формирующих модулирующие М-последовательности.
Определяют дальность до поверхности земли.
В способе-аналоге радиоимпульсы имеют постоянные длительность  и количество N монохроматических субимпульсов длительностью τ, что требует увеличения уровня мощности излучаемых радиоимпульсов при определении дальности до поверхности земли вблизи верхней границы диапазона определяемых дальностей.
Излучение зондирующих сигналов на постоянной несущей частоте с большим уровнем пиковой мощности излучаемых радиоимпульсов приводит к снижению функциональных возможностей способа при определении дальности до поверхности земли.
Известен способ определения дальности до поверхности земли (патент №2637817 РФ, МПК G01S 13/32 (2006.01). Способ определения дальности до поверхности земли / Кузнецов А.Я., Куликов Ю.М., Марков А.В., Хрусталев А.А. // Изобретения. Полезные модели. - 2017. - Опубл. 07.12.2017. - Бюл. №34.), выбранный за прототип, применяемый в радиовысотомерах, заключающийся в излучении зондирующих сигналов в направлении поверхности земли, в качестве которых используют радиоимпульсы с непериодической фазокодовой внутриимпульсной манипуляцией.
Реализация способа-прототипа заключается в следующем.
Задают диапазон определяемых дальностей.
н
Используют в качестве зондирующих сигналов радиоимпульсы с непериодической фазокодовой внутриимпульсной манипуляцией, имеющие несущую частоту ƒ, длительность  период повторения  и состоящие из N монохроматических субимпульсов длительностью τ.
Реализуют фазокодовую внутриимпульсную манипуляцию модулированием М-последовательностями начальных фаз субимпульсов, принимающих одно из двух значений 0 или π.
н
нi
Осуществляют перестройку несущей частоты ƒ радиоимпульсов от радиоимпульса к радиоимпульсу по случайному равновероятному закону в заданном диапазоне частот в каждом периоде повторения радиоимпульсов. Несущая частота ƒ для каждого i-го радиоимпульса постоянна.
Изменяют от радиоимпульса к радиоимпульсу длительность радиоимпульсов, период повторения радиоимпульсов и количество монохроматических субимпульсов в радиоимпульсе.
1
Определяют длительность  радиоимпульсов в i-ом периоде повторения радиоимпульсов как разность между временем распространения сигнала от движущегося объекта до поверхности земли и обратно для дальности, определенной в (i-1)-ом периоде и первой временной константой k, определяемой условиями определения дальности до поверхности земли.
В начале работы за дальность до поверхности земли, определенную в (i-1)-ом периоде повторения, принимают дальность до поверхности земли, определенную с помощью иных средств измерений.
2
Определяют значение периода повторения  для i-го радиоимпульса как сумму времени распространения сигнала от движущегося объекта до поверхности земли и обратно для дальности, определенной в (i-1)-ом периоде и второй временной константы k, определяемой временем, необходимым на перестройку несущей частоты от радиоимпульса к радиоимпульсу в каждом периоде повторения по случайному равновероятному закону в заданном диапазоне частот и временем, необходимым на прием сигналов, отраженных от поверхности земли в заданном секторе углов.
i
Определяют количество N монохроматических субимпульсов в i-ом радиоимпульсе как отношение длительности радиоимпульса в i-ом периоде повторения к длительности монохроматических субимпульсов (постоянная величина) с округлением до ближайшего целого в меньшую сторону.
нi
Излучают в направлении поверхности земли зондирующие сигналы на перестраиваемой от радиоимпульса к радиоимпульсу несущей частоте ƒ.
Принимают сигналы, отраженные от поверхности земли.
Проводят согласованную фильтрацию отраженных сигналов с использованием в качестве весовых коэффициентов кодов, формирующих модулирующие М-последовательности.
Определяют дальность до поверхности земли.
Недостатком способа-прототипа является низкая автономность работы при определении дальности до поверхности земли.
В способе-прототипе в начале работы за дальность до поверхности земли, определенную в (i-1)-ом периоде повторения, принимают дальность до поверхности земли, определенную с помощью иных средств измерений. Т.е. необходимо наличие иных средств измерений, которые должны определить дальность до поверхности земли в момент начала работы.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение автономности работы способа при определении дальности до поверхности земли.
н
н
1
2
i
3
4
j
i
Технический результат достигается тем, что в способе определения дальности до поверхности земли, заключающемся в излучении зондирующих сигналов в направлении поверхности земли, использовании в качестве зондирующих сигналов радиоимпульсов, имеющих несущую частоту ƒ, длительность  период повторения  и состоящих из N монохроматических субимпульсов длительностью τ, с непериодической фазокодовой внутриимпульсной манипуляцией, которую реализуют модулированием М-последовательностями начальных фаз субимпульсов, принимающих одно из двух значений 0 или π, перестройке несущей частоты ƒ радиоимпульсов от радиоимпульса к радиоимпульсу по случайному равновероятному закону в каждом периоде повторения, изменении от радиоимпульса к радиоимпульсу длительности радиоимпульсов, периода повторения радиоимпульсов и количества монохроматических субимпульсов, определении длительности  радиоимпульсов в i-ом периоде повторения радиоимпульсов как разности между временем распространения сигнала от движущегося объекта до поверхности земли и обратно для дальности, определенной в (i-1)-ом периоде и первой временной константой k, определяемой условиями определения дальности до поверхности земли, определении значения периода повторения  для i-го радиоимпульса как сумму времени распространения сигнала от движущегося объекта до поверхности земли и обратно для дальности, определенной в (i-1)-ом периоде, длительности  радиоимпульсов в i-ом периоде и второй временной константы k, определяемой временем, необходимым на перестройку несущей частоты от радиоимпульса к радиоимпульсу в каждом периоде повторения по случайному равновероятному закону в заданном диапазоне частот и временем, необходимым на прием сигналов, отраженных от поверхности земли в заданном секторе углов, определении количества N монохроматических субимпульсов в i-ом радиоимпульсе как отношения длительности радиоимпульса в i-ом периоде повторения к длительности монохроматических субимпульсов (постоянная величина) с округлением до ближайшего целого в меньшую сторону, приеме сигналов, отраженных от поверхности земли, проведении согласованной фильтрации отраженных сигналов с использованием в качестве весовых коэффициентов кодов, формирующих модулирующие М-последовательности, и определении дальности до поверхности земли в способ определения дальности до поверхности земли (основной этап) введен предварительный этап обнаружения отраженных сигналов и грубого определения дальности до поверхности земли, причем на предварительном этапе обнаружения отраженных сигналов и грубого определения дальности диапазон определяемых дальностей до поверхности земли разбивают на j поддиапазонов, где первый поддиапазон начинают с минимальной дальности до поверхности, а последний - заканчивают максимальной дальностью до поверхности, на предварительном этапе обнаружения отраженных сигналов и грубого определения дальности до поверхности земли в каждом поддиапазоне определяемых дальностей длительности радиоимпульсов, период повторения радиоимпульсов и количество монохроматических субимпульсов устанавливают фиксированными, для каждого j-го поддиапазона определяемых дальностей длительность  радиоимпульсов определяют как разность между временем распространения сигнала от движущегося объекта до поверхности земли и обратно для минимальной дальности данного поддиапазона и третьей временной константой k, определяемой условиями определения дальности до поверхности земли на предварительном этапе обнаружения отраженных сигналов и грубого определения дальности до поверхности земли, для каждого j-го поддиапазона определяемых дальностей период повторения радиоимпульсов  определяют как сумму времени распространения сигнала от движущегося объекта до поверхности земли и обратно для максимальной дальности данного поддиапазона, длительности  радиоимпульса для j-го поддиапазона и четвертой временной константы k, определяемой временем, необходимым на перестройку несущей частоты от радиоимпульса к радиоимпульсу в каждом периоде повторения по случайному равновероятному закону в заданном диапазоне частот и временем, необходимым на прием сигналов, отраженных от поверхности земли в заданном секторе углов на предварительном этапе обнаружения отраженных сигналов и грубого определения дальности до поверхности земли, для каждого j-го поддиапазона определяемых дальностей, количество N монохроматических субимпульсов в радиоимпульсе определяют как отношение длительности  радиоимпульсов к длительности монохроматических субимпульсов (постоянная величина) с округлением до ближайшего целого в меньшую сторону, обнаружение отраженных сигналов начинают в первом поддиапазоне, причем число проинтегрированных отраженных сигналов, необходимых для обнаружения, определяют с учетом заданных коэффициента различимости и вероятности ложной тревоги, при отсутствии обнаружения в первом поддиапазоне обнаружение отраженных сигналов осуществляют во втором поддиапазоне, и так проводят обнаружение отраженных сигналов во всех поддиапазонах, последовательно увеличивая номер поддиапазона, после обнаружения отраженных сигналов в одном из поддиапазонов грубо определяют дальность до поверхности земли и переходят к основному этапу определения дальности до поверхности земли, используют значение грубо определенной дальности до поверхности земли в качестве дальности, определенной в (i-1)-ом периоде, определяют длительности  радиоимпульсов в i-ом периоде повторения радиоимпульсов, период повторения  для i-го радиоимпульса и количество N монохроматических субимпульсов в i-ом радиоимпульсе и производят точное определение дальности до поверхности земли.
Способ определения дальности до поверхности земли реализуется следующим образом.
Реализуют предварительный этап обнаружения отраженных сигналов и грубого определения дальности до поверхности земли следующим образом.
Используют в качестве зондирующих сигналов радиоимпульсы с непериодической фазокодовой внутриимпульсной манипуляцией.
Реализуют фазокодовую внутриимпульсную манипуляцию модулированием М-последовательностями начальных фаз субимпульсов, принимающих одно из двух значений 0 или π.
j
Определяют параметры радиоимпульсов: значения длительности  и периода повторения  радиоимпульсов, количества монохроматических субимпульсов N длительностью τ.
j
Длительность  период повторения радиоимпульсов  и количество монохроматических субимпульсов N устанавливают фиксированными, для каждого j-го поддиапазона определяемых дальностей.
min(j)
3
Длительность  радиоимпульсов для j-го поддиапазона определяют, как разность между временем распространения сигнала от движущегося объекта до поверхности земли и обратно для минимальной дальности данного поддиапазона t и третьей временной константой k, определяемой для каждого j-го поддиапазона на предварительном этапе обнаружения отраженных сигналов и грубого определения дальности до поверхности земли.
Время распространения сигнала от движущегося объекта до поверхности земли и обратно для минимальной дальности j-го поддиапазона равно:
(j)
где R - минимальная дальность j-го поддиапазона;
с - скорость распространения электромагнитных волн.
Значение длительности  радиоимпульса для j-го поддиапазона определяют:
3
где k - третья временная константа, определяемая условиями определения дальности до поверхности земли.
мз
где t - время, определяемое величиной «мертвой» зоны приемника измерителя дальности при измерении дальности;
- время, определяемое погрешностью измерения дальности измерителя дальности для j-го поддиапазона дальности;
- время, определяемое максимальным изменением высоты рельефа поверхности земли за время обнаружения отраженных сигналов и грубого определения дальности до поверхности земли в j-м поддиапазоне дальности;
всj
t - время, определяемое изменением дальности до поверхности земли за время обнаружения отраженных сигналов и грубого определения дальности до поверхности земли в j-м поддиапазоне дальности при наличии вертикальной скорости движения движущегося объекта.
max(j)
4
Значение периода повторения  для j-го поддиапазона определяют, как сумму времени распространения сигнала от движущегося объекта до поверхности земли и обратно для максимальной дальности данного поддиапазона t, длительности  радиоимпульса для j-го поддиапазона и четвертой временной константы k, определяемой для j-го поддиапазона на предварительном этапе обнаружения отраженных сигналов и грубого определения дальности до поверхности земли.
Значение периода повторения  для j-го поддиапазона определяют:
где
- время, необходимое на перестройку несущей частоты от радиоимпульса к радиоимпульсу в каждом периоде повторения по случайному (равновероятному) закону в заданном диапазоне частот для j-го поддиапазона;
- время, необходимое на прием сигналов, отраженных от поверхности земли в заданном секторе углов для j-го поддиапазона.
j
Количество N монохроматических субимпульсов в радиоимпульсе определяют как отношение длительности  радиоимпульсов к длительности монохроматических субимпульсов (постоянная величина) с округлением до ближайшего целого в меньшую сторону.
i
Количество N монохроматических субимпульсов для j-го поддиапазона определяют:
где ⎣ ⎦ - округление до ближайшего целого в меньшую сторону;
- длительность радиоимпульса в j-м поддиапазоне;
τ - длительность монохроматических субимпульсов (постоянная величина).
нi
нi
нi
Излучают в направлении поверхности земли зондирующие сигналы на перестраиваемой от радиоимпульса к радиоимпульсу несущей частоте ƒ. Перестройку несущей частоты ƒ производят в каждом периоде повторения по случайному (равновероятному) закону в заданном диапазоне частот. Несущая частота ƒ для каждого i-го радиоимпульса постоянна.
Принимают отраженные от поверхности земли зондирующие сигналы.
Проводят согласованную фильтрацию отраженных сигналов с использованием в качестве весовых коэффициентов кодов, формирующих модулирующие М-последовательности.
Производят обнаружение отраженных сигналов. Обнаружение отраженных сигналов начинают в первом поддиапазоне, причем число проинтегрированных отраженных сигналов, необходимых для обнаружения, определяют с учетом заданного коэффициента различимости и заданной вероятности ложной тревоги, при отсутствии обнаружения в первом поддиапазоне обнаружение отраженных сигналов осуществляют во втором поддиапазоне, и так проводят обнаружение отраженных сигналов во всех поддиапазонах, последовательно увеличивая номер поддиапазона.
Поиск и обнаружение сигнала, отраженного от поверхности земли в j-м поддиапазоне, производят во временном интервале, соответствующем временному интервалу от минимального значения измеряемой дальности данного поддиапазона до максимального значения измеряемой дальности данного поддиапазона, разбитом на М парциальных интервалов (М>>1) времени равной длительности Δt, каждому из которых соответствует свой селектирующий импульс.
Поиск и обнаружение отраженного сигнала производят одновременно по всем селектирующим импульсам, что сокращает время обнаружения сигнала.
M
Отраженный сигнал считается обнаруженным, когда в одном из селектирующих импульсов Δt∈MΔt происходит превышение порога накопления р (р>1).
Чем больше значение порога накопления р, тем больше отраженных сигналов надо проинтегрировать и тем выше вероятность правильного обнаружения и меньше вероятность ложного срабатывания при обнаружении отраженного сигнала.
На практике максимальное значение порога накопления р ограничено временем, в течение которого сигнал, отраженный от поверхности земли, находится в пределах одного и того же селектирующего импульса. За счет интегрирования (накопления) отраженных сигналов обнаружение отраженных сигналов происходит с низкой вероятностью ложной тревоги и высокой вероятностью правильного обнаружения и может происходить при значениях отношения сигнал-шум близких к единице.
Поле обнаружения отраженных сигналов в одном из поддиапазонов определяют грубое значение дальности до поверхности земли в данном поддиапазоне.
з(j)
з(j)
Временную задержку t измеряют между моментом излучения зондирующего сигнала и фронтом селектирующего импульса, в котором произошло обнаружение отраженного сигнала. Значение t определяет грубое значение дальности до поверхности земли.
j
На предварительном этапе обнаружения отраженных сигналов и грубого определения дальности до поверхности земли диапазон определяемых дальностей до поверхности земли разбивают на j поддиапазонов, в каждом поддиапазоне определяемых дальностей длительности радиоимпульсов, период повторения радиоимпульсов и количество монохроматических субимпульсов устанавливают фиксированными, для каждого j-го поддиапазона определяемых дальностей длительность  радиоимпульсов устанавливают в соответствии с (2), период повторения радиоимпульсов  устанавливают в соответствии с (4), количество N монохроматических субимпульсов в радиоимпульсе устанавливают в соответствии с (6).
Такой выбор длительности радиоимпульсов, периода повторения радиоимпульсов и количества монохроматических субимпульсов приводит к снижению энергетического потенциала за счет увеличения скважности радиоимпульсов и снижения средней мощности излучаемых радиоимпульсов. На предварительном этапе обнаружения отраженных сигналов и грубого определения дальности до поверхности земли данное снижение энергетического потенциала компенсируют за счет интегрирования отраженных сигналов, причем число проинтегрированных отраженных сигналов, необходимых для обнаружения, определяют с учетом заданных коэффициента различимости и вероятности ложной тревоги.
Таким образом, число проинтегрированных отраженных сигналов будет определять допустимое снижение энергетического потенциала за счет увеличения скважности радиоимпульсов и определять количество поддиапазонов, на который разбивают диапазон определяемых дальностей до поверхности земли.
Основной этап определения дальности до поверхности земли осуществляется следующим образом.
i
Определяют параметры радиоимпульсов: длительность  и период повторения  радиоимпульсов, количество N монохроматических субимпульсов длительностью τ.
i
Длительность  периода повторения  радиоимпульсов и количество N монохроматических субимпульсов в i-ом периоде повторения радиоимпульсов определяют в зависимости от дальности до поверхности земли, определенной в (i-1)-ом периоде повторения (в предыдущем периоде повторения).
Значение длительности  радиоимпульса в i-ом периоде повторения определяют:
з(i-1)
где t - время распространения сигнала от движущегося объекта до поверхности земли и обратно для дальности, определенной в (i-1)-ом периоде.
(i-1)
где R - дальность до поверхности земли, определенная в (i-1)-ом периоде повторения;
1
k - первая временная константа, определяемая условиями определения дальности до поверхности земли.
мз
где t - время, определяемое величиной «мертвой» зоны приемника измерителя дальности при измерении дальности;
- время, определяемое погрешностью измерения дальности измерителя дальности;
- время, определяемое максимальным изменением высоты рельефа поверхности земли за один период повторения радиоимпульсов;
вс
t - время, определяемое изменением дальности до поверхности земли за один период повторения радиоимпульсов при наличии вертикальной скорости движения движущегося объекта.
з(j)
В начале работы на втором этапе за время распространения сигнала от движущегося объекта до поверхности земли и обратно для дальности, определенной в (i-1)-ом периоде повторения, принимают грубое значение дальности до поверхности земли t, определенное на первом этапе.
Значение периода повторения  для i-го радиоимпульса определяют:
где
- время, необходимое на перестройку несущей частоты от радиоимпульса к радиоимпульсу в каждом периоде повторения по случайному (равновероятному) закону в заданном диапазоне частот;
- время, необходимое на прием сигналов, отраженных от поверхности земли в заданном секторе углов.
i
Количество N монохроматических субимпульсов в i-ом радиоимпульсе определяют:
где ⎣ ⎦ - округление до ближайшего целого в меньшую сторону;
- длительность радиоимпульса в i-ом периоде повторения;
τ - длительность монохроматических субимпульсов (постоянная величина).
нi
Излучают в направлении поверхности земли зондирующие сигналы на перестраиваемой от радиоимпульса к радиоимпульсу несущей частоте ƒ.
Принимают сигналы, отраженные от поверхности земли.
Проводят согласованную фильтрацию отраженных сигналов с использованием в качестве весовых коэффициентов кодов, формирующих модулирующие М-последовательности.
Осуществляют точное определение дальности до поверхности земли без интегрирования отраженных сигналов.
При потере отраженных сигналов на основном этапе переходят к предварительному этапу обнаружения отраженных сигналов и грубого определения дальности до поверхности земли для повторного обнаружения отраженных сигналов.
Данный способ определения дальности до поверхности земли имеет существенные отличия от прототипа, поскольку обеспечивается повышение автономности работы при определении дальности до поверхности земли, т.к. отсутствует необходимость наличия иных средств измерений, которые должны определить дальность до поверхности земли в момент начала работы.
Кроме того, данный способ определения дальности до поверхности земли имеет дополнительные существенные отличия от аналога.
В данном способе определения дальности до поверхности земли обеспечивается расширение функциональных возможностей при определении дальности до поверхности земли за счет:
- перестройки несущей частоты радиоимпульсов от радиоимпульса к радиоимпульсу по случайному равновероятному закону;
- снижения требований к стабильности фазы зондирующих сигналов. Стабильность фазы зондирующих сигналов требуется не за время полного периода зондирующих сигналов, а лишь за время, соответствующее времени излучения данного радиоимпульса. А эффект Доплера практически не оказывает влияния при обработке отраженных сигналов, т.к. осуществляется перестройка несущей частоты радиоимпульсов от радиоимпульса к радиоимпульсу по случайному равновероятному закону.
- снижения уровня пиковой мощности излучаемых радиоимпульсов, которое обусловлено двумя факторами:
i
i
а) значение длительности  радиоимпульса в i-ом периоде повторения - величина переменная и определяется дальностью до поверхности земли, измеренной в предыдущем периоде измерений (временем распространения сигнала от движущегося объекта до поверхности земли и обратно для дальности, определенной в предыдущем периоде). Это позволяет изменять количество N монохроматических субимпульсов длительностью τ в излучаемых радиоимпульсах, увеличивая их количество при увеличении измеряемой дальности, и, тем самым, не требовать увеличения уровня мощности излучаемых радиоимпульсов при определении дальности до поверхности земли вблизи верхней границы диапазона определяемых дальностей. Так N, может составлять единицы при малых дальностях и сотни - при больших дальностях. При этом выигрыш в отношении сигнал/шум за счет когерентной обработки может составить десятки децибел;
б) значение периода повторения  для i-го радиоимпульса - величина переменная и определяется значением длительности  радиоимпульса в i-ом периоде повторения, временем распространения сигнала от движущегося объекта до поверхности земли и обратно для дальности, определенной в предыдущем периоде и константой, значение которой в основном определяется временем, необходимым на перестройку несущей частоты от радиоимпульса к радиоимпульсу в каждом периоде повторения. Это позволяет изменять значение периода повторения  для i-го радиоимпульса, обеспечивая однозначность измерения дальности до поверхности земли. Необходимо отметить, что наличие константы приводит к тому, что скважность радиоимпульсов является переменной и уменьшается при увеличении измеряемой дальности, тем самым увеличивая среднюю мощность излучаемых радиоимпульсов. Так скважность радиоимпульсов может составлять единицы при больших дальностях и сотни (и даже тысячи) - при малых дальностях.
Таким образом, данный способ определения дальности до поверхности земли имеет существенные отличия от известных способов определения дальности, поскольку обеспечивается повышение автономности и скрытности работы при определении дальности до поверхности земли.