Устройство дистанционного зондирования земли при помощи многопозиционной радиолокационной системы

Полезная модель относится к области радиолокации, может быть использовано в системах дистанционного зондирования Земли с мобильных носителей. Технический результат - повышение оперативности получения радиоизображений подстилающей поверхности Земли и упрощение устройства.

Устройство содержит передающую и приемную позицию, которая содержит слабонаправленную антенну, антенную систему, а также приемники отраженных навигационных сигналов, формирователи последовательности значений мощности, формирователи полных радиоизображений, устройство визуализации текущих радиоизображений, устройство хранения цифровой карты местности, датчик высоты полета, тангажа и крена ВЛА, навигационную аппаратуру потребителя. 5 ил.

Полезная модель относится к области радиолокации и может быть использована в системах дистанционного зондирования Земли с мобильных носителей.

Известен способ и устройство дистанционного зондирования Земли с помощью авиационной многопозиционной радиолокационной системы с синтезированной апертурой (МП РСА) (см. Радиолокационные станции обзора Земли /под ред. Г.С.Кондратенкова. - М.: Радио и связь, 1983, 272., стр.), использующий одну приемо-передающую и две приемные позиции. Такие МП РСА используются на практике, однако они не обладают оперативностью съемки, поскольку для получения изображения участка местности необходимо, во-первых, записать радиоголограмму отраженного сигнала, во-вторых, доставить ее пункт обработки и, в-третьих, синтезировать радиоизображение. Поэтому такие МП РСА не используются для оперативного обзора поверхности Земли.

Наиболее близким по своей сущности к заявляемой полезной модели (прототипом) следует считать устройство дистанционного зондирования Земли, описанное в патенте 2278398 с приоритетом от 06 июля 2004 г. (авторы Сахно И.В., Фатеев В.Ф.). Устройство включает N передающих и одну приемную позицию и осуществляет следующие операции:

1. С борта N передающих позиций (ПРД) излучают N независимых ортогональных сигналов S₁....S_N.

2. Ориентируют диаграммы направленности (ДН) всех N передающих позиций на заданный участок земной поверхности.

3. Диаграмму направленности первой приемной антенны направляют в сторону заданного участка земной поверхности, а ДН второй слабонаправленной приемной антенны ориентируют по направлению на N передающих позиций.

4. На борту приемной позиции при помощи антенны, ориентированной в направлении заданного участка земной поверхности, принимают N ортогональных сигналов отраженных от наблюдаемого участка земной поверхности.

5. На борту приемной позиции при помощи антенны, ориентированной по направлению на передающие позиции, принимают N ортогональных сигналов прямого распространения S_1ПР......S_NПР , непосредственно поступающих с N передающих позиций.

6. Из сигналов распространения выделяют информацию о состоянии каждого передатчика и его носителя, а также о состоянии среды распространения.

7. На борту приемной позиции для каждой пары из соответствующих друг другу N прямых и отраженных сигналов записывают N радиолокационных голограмм, соответствующих N различным ракурсам облучения наблюдаемого участка земной поверхности каждым из носителей передатчика.

8. На борту приемной позиции синтезируют одновременно N раз-норакурсных радиолокационных изображений (РЛИ) наблюдаемого участка земной поверхности.

9. Производят совместный анализ набора из N разноракурсных РЛИ.

Данное устройство обладает низкой оперативностью получения радиоизображений местности, поскольку операции 7 (запись голо грамм), 8 (синтез радиоизображений) и 9 (анализ радиоизображений) требуют значительного времени. При современном уровне развития бортовой вычислительной техники при использовании сигналов космических навигационных систем ГЛОНАСС и GPS задержка в получении радиоизображений достигает десятков минут, а все устройство обработки является очень сложным и обладает большими габаритами, весом и энергопотреблением. По этой причине использование рассматриваемого устройства для оперативного контроля участков Земли с борта малогабаритных беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) затруднительно в силу больших габаритов и энергопотребления устройства и неэффективно в силу невозможности наблюдения Земли в реальном масштабе времени.

Технический результат полезной модели заключается в повышении оперативности получения радиоизображений подстилающей поверхности Земли и упрощении устройства.

Устройство дистанционного зондирования Земли содержит передающую позицию, включающую передатчики ортогональных зондирующих сигналов, и приемную позицию, расположенную на борту воздушного летательного аппарата, содержащую слабонаправленную антенну и антенную систему, формирующую М независимых неперекрывающихся лучей диаграммы направленности. Диаграммы направленности слабонаправленной антенны и антенной системы ориентированы в сторону передатчиков передающей позиции и земной поверхности соответственно. Антенная система подключена соответственно к приемникам отраженных навигационных сигналов, выходами соединенные с формирователями последовательности значений мощности указанных сигналов, выходами соединенными с формирователями полных радиоизображений, выходами соединенными с первым входом устройства визуализации текущих радиоизображений, со вторыми, третьими и четвертыми входами которого соединены выход бортового устройства хранения цифровой карты местности, бортового датчика высоты полета, тангажа и крена ВЛА, и навигационной аппаратуры потребителя, ко входу которой подключена слабонаправленная антенна, выходы устройства визуализации текущих радиоизображений соединены со входом средства радиосвязи.

Перечень операций, которые осуществляет устройство, отличается от прототипа и заключается в следующем:

1. С борта N передающих позиций передатчики (ПРД) излучают N независимых навигационных ортогональных зондирующих сигналов S₁....S_N .

2. Ориентируют диаграммы направленности (ДН) всех N передающих позиций на заданный участок земной поверхности.

3. В слабонаправленной антенне каждой приемной позиции формируют один или несколько лучей диаграммы направленности и направляют их в сторону передающих позиций.

4. В антенных системе приемных позиций формируют М независимых неперекрывающихся лучей диаграммы направленности и направляют их в сторону наблюдаемого участка земной поверхности.

5. На борту приемной позиции при помощи лучей, ориентированных на передающие позиции, принимают N ортогональных зондирующих сигналов прямого распространения непосредственно от N передающих позиций.

6. Из ортогональных зондирующих сигналов прямого распространения выделяют информацию о состоянии каждого передатчика и его носителя, а также о среде распространения.

7. Отраженные от участков земной поверхности навигационные ортогональные зондирующие сигналы N передающих позиций принимают на приемной позиции по М независимым приемным лучам на М независимых приемников (по одному на каждый луч).

8. В каждом приемнике измеряют время прихода отраженных ортогональных зондирующих сигналов от последовательности m элементарных участков земной поверхности, «накрытых» соответствующим приемным лучом.

9. На выходе каждого приемника формируют последовательность значений мощности отраженных сигналов S_отр1-N всех N передающих позиций для каждого m-го элементарного участка, и суммируют эти мощности с учетом информации о состоянии каждого передатчика, его носителя и среде распространения.

11. Формируют огибающую радиояркости элементарных участков земной поверхности. Для этого результаты суммирования мощности принимаемых отраженных сигналов выстраивают на временной оси по времени прихода отраженных сигналов: от наиболее раннего до наиболее позднего.

12. Огибающую радиояркости подают на систему временной развертки устройства визуализации, проводят анализ результатов радиолокационного наблюдения участка земной поверхности, выделяя самую яркую точку и определяют координаты цели (объекта), путем совмещения радиоизображения с цифровой картой местности.

Устройство дистанционного зондирования Земли при помощи многопозиционной радиолокационной системы (РЛС) на основе сигналов спутниковых систем навигации ГЛОНАСС, GPS, GALILEO, поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема устройства, получения радиолокационного изображения земной поверхности при помощи многопозиционной РЛС

На фиг.2 показано расположение ДН относительно земной поверхности и приемной позиции

На фиг.3 показаны диаграммы мощности отраженных от элементарных участков земной поверхности сигналов

На фиг.4 показано радиоизображение участка земной поверхности

На фиг.5 показана схема определения границ следа ДН На чертежах введены следующие обозначения:

1 - передающие позиции в виде навигационных космических аппаратов (НКА) спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС, GPS, GALILEO, с передатчиками, излучающими навигационные ортогональные зондирующие сигналы S₁, S₂..S_N , где N - число одновременно видимых КА в данной точке земной поверхности;

2 - борт воздушного летательного аппарата (ВЛА) - приемная позиция;

3, 4 - участки земной поверхности, облучаемые навигационными ортогональными зондирующими сигналами S₁S_N;

5 - слабонаправленная антенна для приема сигналов прямого распространения (опорных сигналов) S_1ПРS_NПР непосредственно от НКА;

6, 7 - антенная система ВЛА, например, в виде антенн бокового обзора, для приема отраженных от элементов отражения сигналов S_1oтpS_Nотр слева и справа от фюзеляжа;

8, 9 - неперекрывающиеся лучи диаграммы направленности антенн бокового обзора 6 и 7, направленные в обе стороны от фюзеляжа на участки 4 и 3 соответственно;

10 - навигационная аппаратура потребителя (НАП) систем ГЛОНАСС, GPS, GALILEO, определяющая координаты, скорость и курс ВЛА;

11 - бортовой датчик высоты полета, тангажа и крена ВЛА;

12 - бортовое устройство хранения цифровой карты местности (ЦКМ), над которой перемещается ВЛА;

13₁, 13₂ - приемники отраженных навигационных сигналов S_1oтpS_Noтр, подключенные к антеннам бокового обзора 6 и 7 соответственно;

14₁, 14₂ - формирователь последовательности значений мощности сигналов, отраженных от элементарных участников m земной поверхности, (формирователи элементарных строк радиоизображений);

15₁ , 15₂ - формирователи полных радиоизображений, соответствующих обеим антеннам бокового обзора;

16₁ , 16₂ - устройство визуализации текущих радиоизображений;

17 - средство радиосвязи для оперативной передачи текущего радиоизображения на пункт приема;

18 - антенна радиосвязи;

19 - бортовое устройство хранения шкалы времени.

Устройство включает в себя передающие позиции 1 и приемную позицию 2, которая размещается на борту воздушного летательного аппарата. Передающие позиции включают в себя передатчики ортогональных зондирующих сигналов. В качестве передающих позиций используются навигационные космические аппараты (НКА) 1₁, 1₂, 1_N спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС, GPS, GALILEO, которые движутся по орбитам высотой около 20 тысяч километров над Землей. Передатчики излучают в сторону земной поверхности зондирующие сигналы в виде широкополосных шумоподобных сигналов в диапазонах f₁ =1,5 ГГц и f₂=1,2 ГГц. В формировании радиоизображений на борту воздушного летательного аппарата (ВЛА) 2 участвуют все видимые НКА, число которых для ВЛА составляет 6-12 штук одновременно для каждой из систем (ГЛОНАСС, GPS, GALILEO).

В качестве ВЛА-носителя приемной аппаратуры может использоваться как пилотируемый, так и беспилотный аппарат (БПЛА) (самолет, вертолет, крылатая ракета, воздушный шар и т.д.)

Устройство функционирует следующим образом:

1. С борта передающих позиций (1), в качестве которых используются НКА систем ГЛОНАСС, GPS, GALILEO, передатчики в направлении Земли излучают N навигационных ортогональных зондирующих сигналов S ₁S_N в двух частотных диапазонных f₁ и f₂, которые облучают участки земной поверхности 3 и 4.

2. Диаграммы направленности (ДН) антенн бокового обзора ВЛА 6 и 7 ориентируют в сторону поверхности Земли слева и справа от фюзеляжа ВЛА 2 (фиг.2 вид сзади), а диаграмму направленности слабонаправленной антенны 5 ориентируют по направлению в верхнюю полусферу пространства в сторону N видимых НКА. При этом ДН антенны 5 перекрывает верхнюю полусферу пространства (=170÷180°), a неперекрывающиеся лучи 8 и 9 ДН антенн 6 и 7 «накрывают» участки поверхности 3 и 4 соответственно. По этим лучам отраженные сигналы S_1oтpS_Nотр (фиг.1, фиг.2) через антенны 6 и 7 направляют на вход приемников отраженных сигналов 13₁ и 13 ₂ соответственно, где их разделяют по номерам облучающих спутников.

3. На борту приемной позиции 2 при помощи антенны 5, ориентированной в верхнюю полусферу пространства и подключенного к ней НАЛ 10 принимают N ортогональных зондирующих сигналов прямого распространения S_1прS_Nпр от передающих позиций 1₁-1 _N.

4. Из сигналов прямого распространения в НАП 10 выделяют эфемеридную информацию о всех видимых НКА, синхронизируют бортовое устройство хранения шкалы времени 19 по временному сигналу НКА и определяют текущие координаты X, Y проекции ВЛА на поверхность Земли, скорость и курс ВЛА.

5. С помощью датчика 11 определяют текущую высоту Н ВЛА, а также угол тангажа и угол крена , которые влияют на положение лучей 8 и 9 ДН антенн бокового обзора 6 и 7 (фиг.2). По этим параметрам определяют размеры «накрываемых» лучами 8 и 9 участков земной поверхности 3 и 4. Размеры участков 3 и 4 равны, если ширина лучей 8 и 9 одинакова, а =0.

6. В устройстве визуализации текущих радиоизображений 16₁ и 16₂ координаты середины цифровой карты местности (ЦКА) из бортового устройства хранения 12 согласуют с координатами ВЛА 2 X, Y, поступающими из НАП 10, а направления осей ЦКМ - согласуют с курсом ВЛА, поступающим с датчика 11.

7. В формирователях 14₁ и 14₂ формируют последовательности значений мощности сигналов, отраженных от элементарных участков земной поверхности.

Сущность этой операции поясним на примере правой антенны бокового обзора 9, луч которой накрывает участок местности 3 (фиг.3). Минимально разрешаемая длина _m элементарного участка земной поверхности m определяется длительностью элементарного сигнала ₀ псевдослучайной последовательности, формирующей сигналы S₁-S_N НКА: _m=₀с, где С - скорость света.

Сигналы от передатчиков НКА S₁, S₂..S_N одновременно отражаются от элементарного участка земной поверхности m. При этом мощности отраженных от этого участка сигналов составляют , . С выхода приемника 13₂ эти сигналы снимаются раздельно и поступают на формирователь 14₂. В формирователе 14₂ эти мощности суммируются и получают для одного элементарного участка m сумму мощностей

Для всех элементарных участков вдоль следа диаграммы направленности 1з формируют последовательность значений суммарной мощности (фиг.3) как функцию текущей длины 1₃ следа ДН:

которая представляет элементарную строку радиоизображения для момента времени t_j. Эту строку записывают в память формирователя 14₂.

В формирователе 14₁ аналогично формируют и записывают строку левого радиоизображения (для участка местности 4) как функцию текущей длины 14₄ следа ДН:

8. В формирователях 15₁ и 15₂ формируют и записывают радиоизображения R ₃, R₄ участков местности как зависимость суммарной мощности отраженных сигналов от расстояния вдоль следа диаграммы направленности антенн 1₃, 1₄ и от времени t (фиг.4):

;

9. В устройствах 16₁, 16 ₂ выполняют визуализацию радиоизображений и совмещают их с цифровой картой местности из бортового устройства хранения ЦКМ 12.

Совмещение с ЦКМ производится по точкам: по координатам X, Y ВЛА и координатам границ следа ДН 9 на участке земной поверхности 3: и фиг.5).

Координаты границ следа определяются из формул:

;

,

где ₁ и ₂ - углы наклона границ ДН к вертикали,

Н - высота полета ВЛА.

При наличии крена координаты границ ДН определяются из формул

;

.

После совмещения ЦКМ и полученных радиоизображений производят их анализ и определяют координаты целей на земной поверхности по их координатам на совмещенной ЦКМ

10. С помощью средства радиосвязи 17 и антенны радиосвязи 18 текущие радиоизображения, в случае необходимости, передают на пункт приема.

11. С помощью бортового устройства хранения шкалы времени 19 синхронизируют все устройства формирования радиоизображений. Устройство обладает следующими преимуществами

1. Устройство получается значительно проще, нежели устройство прототипа, поскольку в его составе отсутствует устройство записи голограмм и синтезирования радиоизображений. Вес предлагаемого устройства и его энергопотребления в несколько раз меньше.

2. Устройство обеспечивает более высокую оперативность получения радиоизображения, характеризуемую задержкой при их получении в единицу времени. В прототипе, в силу необходимости синтезирования, задержка достигает десятков минут.

3. Оценим разрешающую способность вдоль и поперек пути.

Разрешающая способность вдоль пути определяется соотношением

где -длина волны радиоизлучения;

D _прм - длина апертуры антенны, которая формирует ширину бокового луча;

R - расстояние до цели.

При =0,2 м (f=1, 5 ГГц),

D _прм=2 м, R=500 м имеем х=50 м.

С уменьшением высоты полета разрешающая способность возрастает.

Разрешающая способность поперек пути определяется, как отмечалось, длительностью элементарного сигнала псевдослучайной М-последовательности, формирующей навигационный сигнал: ₁=₀с. Для системы Глонасс ₀=0,2 мкс. Для GPS ₀=0,1 мкс.

Соответственно _1глон=60 м, _1GPS=30 м.

Эти характеристики не хуже чем у прототипа.

Устройство позволяет получить изображения целей, замаскированных по технологии «стеле». Это объясняется облучением целей сигналами спутников практически с разных сторон в режиме многопозиционной радиолокации.

Устройство обеспечивают невосприимчивость радиолокатора к пассивной помехе типа уголковые отражатели, которая эффективна только в монолокации.

6 Способ и устройство допускают существенное увеличение отношения сигнал/шум при приеме отраженных от земли сигналов спутников. При использовании НАЛ, одновременно принимающих сигналы систем ГЛОНАСС GPS, GALILEO в двух частотных диапазонах f₁=1,5 ГГц и f₂=1,2 ГГц и при среднем числе видимых НКА каждой системы 10 штук получаем коэффициент увеличения отношения сигнал/шум до 60 (10×3×2). Предлагаемый способ целесообразно использовать на борту малогабаритных воздушных летательных аппаратов типа микросамолетов, беспилотных летательных аппаратов, дирижаблей, воздушных шаров.

Устройство дистанционного зондирования Земли при помощи многопозиционных радиолокационных систем, содержащее передающую позицию, включающую передатчики ортогональных зондирующих сигналов, и приемную позицию, расположенную на борту воздушного летательного аппарата (ВЛА), содержащую слабонаправленную антенну и антенную систему, формирующую М независимых неперекрывающихся лучей диаграммы направленности, диаграммы направленности слабонаправленной антенны и антенной системы ориентированы в сторону передатчиков передающей позиции и земной поверхности соответственно, антенная система подключена соответственно к приемникам отраженных навигационных сигналов, выходами соединенные с формирователями последовательности значений мощности указанных сигналов, выходами соединенными с формирователями полных радиоизображений, выходами соединенными с первым входом устройства визуализации текущих радиоизображений, со вторыми, третьими и четвертыми входами которого соединены выход бортового устройства хранения цифровой карты местности, бортового датчика высоты полета, тангажа и крена ВЛА, и навигационной аппаратуры потребителя, ко входу которой подключена слабонаправленная антенна, выходы устройств визуализации текущих радиоизображений соединены со входами средства радиосвязи.