Система для определения координат цели в системе запрос-ответ
SYSTEM FOR DETERMINING THE COORDINATES OF THE TARGET IN A REQUEST-RESPONSE SYSTEM

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано при определении координат цели в системе запрос-ответ в системах вторичной радиолокации, преимущественно имеющих в своем составе антенны, раскрывы которых образованы одномерными линейками излучателей.
Из уровня техники известны различные системы определения координат цели. Одной из систем реализуется обзор окружающего пространства лучом радиолокатора, имеющим форму иглы, фиксация отраженных сигналов и определение координат цели по факту наличия отраженного сигнала, как текущего направления луча в пространстве и дальности до цели, пропорциональной задержке прихода отраженного от цели сигнала. Недостатком такой системы является сложность антенной системы, формирующей луч радиолокатора в форме иглы, и большая мощность передатчика радиолокатора, так как система относится к системам первичной (пассивной) радиолокации.
Другой системой реализуется определение координат самой целью с помощью оборудования цели и передача координат запрашивающему объекту. Недостатком этого способа является низкая помехоустойчивость системы «запросчик-ответчик».
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является изобретение «Способ и система для определения координат цели в системе запрос-ответ» (патент RU 2631117 С1), которое выбрано в качестве прототипа.
Для определения координат цели прототип включает в себя имеющую заданное направление прицеливания антенну, систему запрос-ответ, выполненную с возможностью сопоставления как минимум трех параметров, представляющих положение цели, положение носителя и направление прицеливания антенны для определения местоположения цели, а также цифровое вычислительное устройство (ЦВУ), выполненное с возможностью вычисления координат цели при любом положении носителя и антенны на носителе, датчик высоты, причем первый вход-выход системы «запрос-ответ» связан с антенной, направленной на цель, второй вход-выход системы «запрос-ответ» соединен с входом-выходом цифрового вычислительного устройства, первый вход ЦВУ соединен с выходом датчика высоты, а также датчики углового положения антенны, направляемой на цель, выход которых соединен со вторым входом ЦВУ, при этом антенна выполнена с раскрывом в виде одномерной линейки излучателей, в которой равным углам отклонения направления на цель от плоскости, перпендикулярной линии раскрыва антенны, соответствует воронка.
При использовании прототипа для определения координат цели разворачивают антенну (или носитель с антенной, если антенна неподвижна относительно носителя) в направлении цели так, чтобы ответ от цели оказался в основном лепестке диаграммы направленности антенны. В процессе циклов «Запрос носителя» - «Ответ от цели» система получает ответные сигналы от цели и с помощью ЦВУ, используя математическое описание диаграммы направленности (ДН) антенны, определяет в локальной системе координат (ЛСК) антенны отклонение направления ответных сигналов от плоскости, перпендикулярной направлению раскрыва антенны и проходящей через центр раскрыва антенны. Система определяет дальность D до цели преобразованием интервала времени от выдачи запроса до получения ответа от цели. С помощью ЦВУ по отклонению направления ответных сигналов от плоскости, перпендикулярной направлению раскрыва антенны и проходящей через центр раскрыва антенны, и измеренной дальности до цели, система определяет в ЛСК антенны положение плоскости, в которой расположена цель, как плоскости основания круглого конуса, образующей которого является направление ответных сигналов от цели, а осью - направление раскрыва антенны. С помощью ЦВУ система пересчитывает в нормальную систему координат (НСК) носителя положение плоскости, в которой расположена цель, используя информацию об угловом положении носителя в пространстве и угловом положении антенны на носителе, получаемых, соответственно, от датчиков углового положения носителя и от датчиков углового положения антенны на носителе. Система определяет в НСК носителя положение плоскости высоты цели, используя полученную от цели в циклах «Запрос носителя» - «Ответ от цели» информацию о высоте цели и полученную от датчиков носителя информацию о высоте носителя. С помощью ЦВУ система находит решения совокупности математических уравнений, описывающих в НСК носителя положение сферы равной дальности D до цели, положение плоскости, в которой расположена цель, и положение плоскости высоты цели. Найденные решения являются координатами возможных положений цели, из которых система выбирает решение, удовлетворяющее условию минимального отклонения направления на цель от заданного направления (например, от направления целеуказания).
Недостатком и технической проблемой прототипа является невозможность использования системы, если отсутствует возможность получения информации о высоте цели, получаемой из ответов цели, например при наличии помех, не позволяющих достоверно выделить из ответов цели информацию о ее высоте. В этом случае система, описываемая прототипом, неспособна определить координаты цели, т.к. не может определить плоскость высоты цели и найти являющиеся координатами возможных местоположений цели решения системы уравнений, в которую входит, в том числе и уравнение, описывающее положение плоскости высоты цели.
Технический результат изобретения заключается в решении технической проблемы прототипа, т.е. в обеспечении возможности определения координат цели в случае, когда информация о высоте цели в системе «запрос-ответ» отсутствует.
Технический результат достигается тем, что система для определения координат цели в системе запрос-ответ, размещенная на носителе, включает в себя направляемую на цель первую антенну, раскрыв которой выполнен в виде одномерной линейки излучателей, и рабочий сектор диаграммы направленности которой соответствует как минимум, части круглого конуса, ось вращения которого совпадает с направлением раскрыва линейки излучателей, систему «запрос-ответ», цифровое вычислительное устройство (ЦВУ), выполненное с возможностью вычисления координат цели при любом положении носителя и антенн на носителе, датчик высоты носителя, датчики углового положения первой антенны, направляемой на цель, причем первый вход-выход системы «запрос-ответ» связан с первой антенной, направленной на цель, второй вход-выход системы «запрос-ответ» соединен с входом-выходом ЦВУ, первый вход ЦВУ соединен с выходом датчика высоты носителя, второй вход ЦВУ соединен с выходом датчиков углового положения первой антенны. Система дополнительно включает направляемую на цель вторую антенну, рабочий сектор ДН которой хотя бы частично совпадает с рабочим сектором ДН первой антенны, вход-выход второй антенны связан с третьим входом-выходом системы «запрос-ответ», при этом раскрыв второй антенны выполнен в виде одномерной линейки излучателей, рабочий сектор диаграммы направленности второй антенны соответствует как минимум, части круглого конуса, ось вращения которого совпадает с направлением раскрыва линейки излучателей второй антенны и непараллельна оси вращения круглого конуса, соответствующего ДН первой антенны, а также датчики углового положения второй антенны, выход которых соединен с третьим входом ЦВУ, которое выполнено с возможностью сопоставления как минимум четырех параметров, представляющих положение цели, положение носителя, и направления прицеливания первой и второй антенн для определения местоположения цели.
При определении координат цели антенны на носителе прицеливаются в направлении цели так, чтобы имелась возможность одновременной пеленгации цели обеими антеннами. Датчики углового положения антенн отслеживают направления прицеливания (направления линий раскрыва линеек излучателей соответствующих антенн или другие направления, однозначно определенные в ЛСК соответствующей антенны), т.е. измеряют угловые рассогласования указанных направлений от осей координат связанной системы координат (ССК) носителя и передают измеренные значения в ЦВУ для использования в вычислениях.
Для определения координат цели система производит пеленгование (определение отклонения направления на цель от линии раскрыва, соответствующей одномерной линейки излучателей) цели первой и второй антеннами. Промежуток времени между пеленгованием цели первой антенной и пеленгованием цели второй антенной обеспечивается таким, чтобы при математических расчетах координат изменением положения цели за этот промежуток времени можно было бы пренебречь. При пеленговании цели система также определяет дальность D до цели преобразованием в значение дальности интервала времени от запроса системы «запрос-ответ» до ответа цели.
После пеленгования цели и измерения дальности до нее, в системе определяются математические выражения в ЛСК соответствующей антенны, описывающие плоскости пеленга цели первой и второй антеннами. Указанные выражения являются уравнениями плоскостей оснований круглых конусов, оси которых совпадают с линиями раскрыва соответствующих линеек излучателей антенн, а образующими конусов являются направления на цель, полученные в результате пеленгования цели первой и второй антеннами, при этом длина образующих конусов равна дальности D до цели.
После преобразования координат, использованных в математических выражениях, описывающих плоскости пеленга первой и второй антеннами, из ЛСК соответствующей антенны в единую систему координат (например, в систему координат НСК носителя) в системе появляется возможность определения координат возможных местоположений цели путем решения системы уравнений, которые описывают в единой системе координат (например, в системе координат НСК носителя) сферу дальности до цели, первую плоскость пеленга цели (плоскость пеленга цели первой антенной) и вторую плоскость пеленга цели (плоскость пеленга цели второй антенной). Координатами возможных местоположений цели будут являться координаты точек пересечения сферы равной дальности до цели, плоскости пеленга цели первой антенной, и плоскости пеленга цели второй антенной. Из максимально двух точек пересечения система отбирает точку, которая имеет меньшее отклонение от заданного направления, например - от направления целеуказания, получаемого системой.
Сущность изобретения поясняется рисунками Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3.
На Фиг. 1 представлены:
- первая (антенна 1) и вторая (антенна 2) антенны, а также линии расположения их излучателей;
- связанная система координат (ССК) носителя
- локальные системы координат ЛСК1  и ЛСК2  первой и второй антенн соответственно;
- заданные углы поворота α1, α2 осей ОХ и OZ систем координат соответственно ЛСК 1, ЛСК2 вокруг оси OY.
Системы координат определены в соответствии с ГОСТ 20058-80. Начала  систем координат ЛСК1, ЛСК2 совпадают с центрами излучения соответствующих антенн. Оси  систем координат параллельны между собой.
В связи с тем, что смещение начал  систем координат в начало системы координат  вносит пренебрежимо малые погрешности в определении координат цели по сравнению с координатами цели, определенными для истинных положений  в математических выражениях, характеризующих способ, принято, что начала  систем координат совпадают с началом системы координат
На Фиг. 2 (в НСК носителя) представлены:
- нормальная система координат (НСК) носителя, ССК носителя и ЛСК1, ЛСК2 антенн, при этом начала координат НСК, ССК, ЛСК1 и ЛСК2 совпадают (точка О на Фиг. 2, точка  на Фиг. 1), и оси  также совпадают;
- первая (антенна 1) и вторая (антенна 2) системы «запрос-ответ»;
- линии OA и ОВ расположения излучателей первой и второй антенн, направления которых совпадают с направлениями осей  ЛСК соответствующей антенны, а оси  образуют с осью  ССК носителя углы α1, α2;
- круглые конусы пеленга цели первой и второй антенной, оси вращения которых совпадают с линиями расположения излучателей первой и второй антенны, основания конусов пересекают линии расположения излучателей первой и второй антенны в точках А и В соответственно, образующие конусов составляют с осями  соответствующей антенны углы соответственно β1 и β2 (углы пеленга цели первой и второй антенной), а длины образующих конусов равны измеренной дальности до цели D;
- окружности пересечения сферы равной дальности D до цели плоскостями оснований конусов пеленга;
- точки Т1 и Т2 возможного местоположения цели.
На Фиг. 3 представлены:
- носитель 1, на котором располагается система для определения координат цели в системе запрос-ответ;
- направляемая на цель первая антенна 2;
- система «запрос-ответ» 3;
- цифровое вычислительное устройство (ЦВУ) 4;
- датчик высоты носителя 5;
- датчики углового положения первой антенны 6;
- направляемая на цель вторая антенна 7;
- датчики углового положения второй антенны 8;
- функциональные связи между составными частями системы в виде соединительных линий со стрелками.
Система для определения координат цели в системе запрос-ответ (Фиг. 3), размещенная на носителе 1, включает направляемую на цель первую антенну 2, раскрыв которой выполнен в виде одномерной линейки излучателей, и рабочий сектор диаграммы направленности которой соответствует как минимум, части круглого конуса, ось вращения которого совпадает с направлением раскрыва линейки излучателей, систему «запрос-ответ» 3, цифровое вычислительное устройство (ЦВУ) 4 (в частном случае может быть составной частью системы «запрос-ответ»), выполненное с возможностью вычисления координат цели при любом положении носителя 1 и антенн на носителе, датчик высоты носителя 5 (в частном случае может быть составной частью носителя), датчики углового положения первой антенны 6 (в частном случае могут быть составной частью носителя), причем первый вход-выход системы «запрос-ответ» 3 связан с первой антенной 2, второй вход-выход системы «запрос-ответ» 3 соединен с входом-выходом ЦВУ 4, первый вход ЦВУ 4 соединен с выходом датчика высоты носителя 5, второй вход ЦВУ 4 соединен с выходом датчиков углового положения первой антенны 6. Дополнительно система для определения координат цели включает направляемую на цель вторую антенну 7, рабочий сектор ДН которой хотя бы частично совпадает с рабочим сектором ДН первой антенны, вход-выход второй антенны связан с третьим входом-выходом системы «запрос-ответ» 3, при этом раскрыв второй антенны 7 выполнен в виде одномерной линейки излучателей, рабочий сектор диаграммы направленности второй антенны соответствует как минимум, части круглого конуса, ось вращения которого совпадает с направлением раскрыва линейки излучателей, а также датчики углового положения второй антенны 8 (в частном случае могут быть составной частью носителя), выход которых соединен с третьим входом ЦВУ 4, которое выполнено с возможностью сопоставления как минимум четырех параметров, представляющих положение цели, положение носителя 1, направления прицеливания первой 2 и второй 7 антенн для определения местоположения цели.
Система для определения координат цели в системе запрос-ответ работает следующим образом.
1. Разворачивают антенны 2 и 7 на носителе (или носитель с антеннами, если они неподвижны относительно носителя) в направлении цели так, чтобы ответ от цели оказался в основном лепестке диаграмм направленности (ДН) обеих антенн.
2. В процессе исполнения циклов «Запрос носителя» - «Ответ от цели» попеременно через первую и вторую антенны система получает ответные сигналы от цели и с помощью ЦВУ, используя измеренные уровни сигналов от цели на выходах антенн и математические описания ДН антенн, определяет для первой и второй антенн значения углов β1, β2 отклонения в ЛСК антенн направлений ответных сигналов от направлений линеек излучателей соответствующей антенны. Векторы направлений на цель из начал координат ЛСК первой и второй антенн являются образующими круглых конусов пеленга цели первой и второй антеннами. Если пеленги цели определить двумя антеннами невозможно, определение координат цели системой не производится.
3. В процессе исполнения циклов «Запрос носителя» - «Ответ от цели» система определяет дальность D до цели преобразованием измеренного системой интервала времени от выдачи запроса до получения ответа от цели.
4. Система с помощью ЦВУ определяет в ЛСК первой и второй антенн координаты точек А и В пересечения плоскостей, в которых расположена цель (плоскостей оснований круглых конусов пеленга цели), с линиями расположения линеек излучателей соответствующей антенны, используя значение D дальности до цели и значения β1, β2 углов отклонения направлений ответных сигналов от цели от направлений линеек излучателей соответствующей антенны:
5. Система с помощью ЦВУ пересчитывает координаты точек А и В в НСК носителя, используя для пересчета координат, например, матрицы M1_LSK1toNSK и M2_LSK2toNSK преобразования составляющих вектора (по ГОСТ 20058-80) из ЛСК1 и ЛСК2 соответственно. При вычислении матрицы преобразования составляющих вектора используются значения углов рыскания, тангажа и крена носителя, получаемых ЦВУ от датчиков, определяющих положение носителя, и значения углов рыскания, тангажа и крена соответствующей антенны на носителе, получаемых ЦВУ от датчиков углового положения соответствующей антенны:
6. Система с помощью ЦВУ вычисляет возможные местоположения цели как корни системы из трех уравнений, описывающих в НСК носителя сферу равной дальности до цели, плоскость пеленга цели первой антенной и плоскость пеленга цели второй антенной. Корни системы уравнений являются координатами возможных местоположений цели.
Уравнение сферы равной дальности D до цели в системе координат НСК имеет вид:
где  - координаты точек, принадлежащих
поверхности сферы равной дальности до цели.
Уравнения плоскостей пеленга, входящие в систему уравнений, составляются с использованием следующих сведений из курса аналитической геометрии в пространстве [Л1, Л2]:
а) прямая, проходящая через две точки М0[х0; у0; z0] и M1[x1; y1; z1], описывается уравнением:
w
С учетом того, что для целей осуществления изобретения такими прямыми являются линии направления линеек  излучателей соответствующей антенны, начала (точки М0) которых расположены в начале координат (точке с координатами [0; 0; 0]), а концы (точки M1) - в точках с координатами  и  соответственно, уравнения прямых будут иметь вид:
б) плоскость, проходящая через точку M1[x1; y1; z1] перпендикулярно прямой
, описывается уравнением:
или после преобразования:
Значение  равно квадрату длины вектора из начала координат в точку
Для целей осуществления изобретения значения  равны квадратам длин векторов, соединяющих точку начала координат с точками А и В, поэтому при осуществлении изобретения эти значения будут равны соответственно (D*cos β1) и (D*cos β2).
С учетом вышеизложенного, уравнения плоскостей пеленга цели первой и второй антеннами будут иметь вид:
где  - координаты точек, принадлежащих одновременно обеим плоскостям пеленга.
7. Координаты  точек пересечения сферы равной дальности и плоскостей пеленга должны одновременно удовлетворять всем уравнениям системы уравнений, описывающих сферу равной дальности до цели и плоскости пеленга (т.е. быть корнями этой системы уравнений):
Для простоты записи выражений введены обозначения:
8. Проводя преобразования уравнений плоскостей пеленга цели, можно показать, что значения координат  связаны со значением координаты x_nsk выражениями:
Подставляя выражения для координат  в уравнение системы, описывающее сферу равной дальности, решая полученное уравнение относительно  и учитывая выражения для  можно показать, что корни  и  системы уравнений будут определяться следующими выражениями (с учетом введенных ранее обозначений):
9. Аналогично п. 8, значения координат  и  связаны со значением координаты  выражениями:
а корни системы уравнений будут определяться выражениями:
10. Аналогично п. 8, значения координат x_nsk и y_nsk связаны со значением координаты z_nsk выражениями:
а корни системы уравнений будут определяться выражениями:
11. В зависимости от того, какое значение из совокупности значений g, h, r не равно нулю, система с помощью ЦВУ вычисляет математические выражения для  и  по одному из пунктов 8, 9 или 10 настоящего описания изобретения.
Вычисленные значения  и  являются координатами  и  возможных точек местоположения цели:
12. Система с помощью ЦВУ проверяет значения координат  возможных местоположений цели на допустимость значений (цель должна располагаться выше уровня земной поверхности с учетом высоты полета носителя Hc, получаемой от датчика высоты носителя):
и
Неудовлетворяющие этому требованию точки возможного местоположения цели системой из дальнейшего анализа исключаются.
1
2
13. Система с помощью ЦВУ отбирает местоположение цели, имеющее наименьшее отклонение от направления целеуказания. Наименьшему отклонению направления на цель от направления целеуказания соответствует меньший из углов x, x между векторами возможных точек местоположения цели и вектором целеуказания, и, соответственно, большее значение косинуса этого угла:
где  - угол между вектором целеуказания и направлением на i-e местоположение цели и координаты i-го местоположения цели соответственно.
После определения косинусов углов между вектором целеуказания и каждым из направлений на возможные местоположения цели система производит отбор того местоположения, для которого указанный косинус угла имеет наибольшее значение.
Координаты отобранного местоположения принимаются в качестве координат цели.