Пассивный радиоэлектронный комплекс для определения пространственных координат и элементов движения объекта по угломерным и энергетическим данным радиолокации

Полезная модель относится к области радиолокации и радионавигации и может быть использована для определения координат и элементов движения объекта при помощи пассивного радиоэлектронного комплекса (ПРЭК), установленного на одиночном носителе. Цель полезной модели - повышение функциональности ПРЭК, путем обеспечения возможности определения пространственных координат и элементов движения различных объектов одиночным носителем, без излучения активных радиолокационных сигналов.Указанная цель достигается тем, что в ПРЭК для определения пространственных координат и элементов движения объекта по угломерным и энергетическим данным радиолокации, содержащим антенну, блок обнаружения сигналов по пеленговому каналу, блок сопровождения объекта в пеленговом канале, блок статистических оценок начального пеленга, начального уровня сигнала, начальной величины изменения пеленга и начальной величины изменения расстояния, блок программной реализации фильтров Калмана, блок оценки координат и элементов движения объекта, блок выдачи информации на экран и блок выдачи информации в банки пользователей, введены блок обнаружения сигналов по угломестному каналу, блок сопровождения объекта в угломестном канале, блок измерения угла места на объект и уровней сигнала от объекта, блок вычисления оценок угла места и уровней сигнала в угломестном канале и блок вычисления величины изменения угла места.

Технический результат от внедрения полезной модели заключается в обеспечении возможности оценки пространственных координат, при наблюдении объекта однопозиционным ПРЭК в скрытном режиме сопровождения.

Полезная модель относится к области радиолокации и радионавигации и может быть использована для определения координат и элементов движения объекта при помощи пассивного радиоэлектронного комплекса (ПРЭК), установленного на одиночном носителе.

Цель полезной модели - повышение функциональности ПРЭК, путем обеспечения возможности определения пространственных координат и элементов движения различных объектов одиночным носителем, без излучения активных радиолокационных сигналов.

Уровень техники

Известно измерительное устройство, состоящее из радиолокатора с равномерным циклическим обзором, у которого каждое единичное наблюдение (один цикл обзора) представляет собой совокупность случайных сигналов, содержащих информацию о текущей реализации потока объектов. Эти сигналы после соответствующей обработки, посредством блоков различного назначения, могут быть представлены в виде совокупности случайных точек, каждая из которых характеризуется некоторым набором параметров. (П.А.Бакут, Ю.В.Жилина, Н.А.Иванчук. Обнаружение движущихся объектов. Москва, Советское Радио 1980 г. с.94-96) [1].

К недостаткам известного устройства можно отнести работу радиолокационной станции в активном режиме, что демаскирует носитель, а также невозможность определения дистанции до объекта в пассивном режиме одиночным носителем.

За прототип выбран пассивный радиоэлектронный комплекс (ПРЭК) для однопозиционного определения горизонтальных координат и элементов движения объекта методом линейной фильтрации Калмана - Бьюси по патенту РФ на полезную модель 112446, МПК G01S 11/12, G01S 5/00, 2011 г., опубл. 10.01.2012 г., Бюл. 1 [2].

Комплекс - прототип содержит антенну, блок обнаружения радиолокационного сигнала (блок обнаружения сигнала по пеленговому каналу*, ^*) - здесь и далее название в заявляемом ПРЭК), блок измерения параметров сигнала и пеленгов, блок сопровождения сигнала по пеленгу (блок сопровождения объекта в пеленговом канале*), блок статистической оценки начального пеленга (П_о), начальной величины изменения пеленга (ВИП_о) и начальной величины изменения расстояния (ВИР _о) (блок статистических оценок начального пеленга, начального уровня сигнала, начальной величины изменения пеленга и начальной величины изменения расстояния*), блок построения множества фильтров Калмана (блок программной реализации фильтров Калмана*), блок оценки дистанции до цели и элементов движения объекта (ЭДО) (блок оценки координат и ЭДО*), экран (блок выдачи информации на экран*) и блок освещения текущей обстановки (блок выдачи информации в банки пользователей*).

Комплекс - прототип работает следующим образом.

Антенна непрерывно принимает излучение от объекта, сигналы обрабатываются блоком обнаружения радиолокационного сигнала и поступают в блок измерения параметров сигнала и пеленгов, полученные значения пеленгов поступают в блок сопровождения сигнала по пеленгу, в котором формируется последовательность пеленгов необходимая для получения статистических оценок П_о, ВИП_о и ВИР_о в блоке статистической оценки П_о, ВИП_о и ВИР _о, полученные оценки совместно с измеренными уровнями сигналов позволяют в блоке построения множества фильтров Калмана построить множество фильтров Калмана для получения оценок координат и ЭДО в блоке оценки дистанции до объекта и ЭДО, на основании полученных координат, которые отображаются на экране, формируются данные в блоке освещения текущей обстановки для принятия оперативного решения.

Сущность работы комплекса - прототипа заключается в пассивном измерении горизонтальных координат движущегося объекта при оценивании изменения уровня принимаемого сигнала в процессе наблюдения и пеленга на цель при помощи ПРЭК и справедливо для объектов, работающих в сантиметровом диапазоне длин волн, по измеряемому пеленгу вычисляют начальные значения трехмерного вектора состояний цели, содержащего пеленг (П), величину изменения пеленга (ВИП), величину изменения расстояния (ВИР), которые после измерения мощности сигнала позволяют сформировать четырехмерный вектор состояния объекта, содержащий, кроме трех указанных величин, еще и дистанцию до объекта, в процессе дальнейшего измерения пеленга на объект и мощности сигнала с помощью фильтра Калмана определяют координаты и ЭДО для плоскостной задачи.

Недостатком комплекса - прототипа является малая функциональность из-за невозможности решения пространственной задачи, т.е. невозможности определения кроме пеленга и дистанции еще и угла места объекта.

Указанная цель достигается тем, что путем расширения измеряемого информационного пространства в ПРЭК, помимо определения элементов четырехмерного вектора состояния, включающего в себя пеленг, величину изменения пеленга, величину изменения расстояния и дистанцию до объекта, определяют элементы шестимерного вектора состояния, включающего в себя пеленг, величину изменения пеленга, величину изменения расстояния, дистанцию до объекта, угол места объекта и величину изменения угла места, за счет последовательности измеряемых уровней сигнала по каналу измерения пеленга и каналу измерения угла места объекта совместно с последовательностью измеряемых пеленгов и углов места объекта.

Задача, на решение которой направлена полезная модель

Известны сложности в определении расстояния до сверхдальних объектов многопозиционными системами по угломерным измерениям, но для однопозиционной пассивной системы указанная задача не может быть решена существующими способами и устройствами для их осуществления.

В заявляемом решении фильтрация координат объекта осуществляется с привлечением дополнительной информации с последующим применением адаптивных алгоритмов обработки имеющихся данных. При такой постановке задачи принципиально можно ограничится рассмотрением относительного движения двух тел - объекта и наблюдателя.

Объект наблюдается ПРЭК в режиме сопровождения, причем как объект, так и наблюдатель совершают равномерное прямолинейное движение.

Модель изменения пеленга во времени имеет вид:

где:

П₀ - пеленг цели в начальный момент времени,

- величина изменения пеленга в начальный момент времени,

- величина относительного изменения дистанции в началь-ный момент времени,

- величина изменения дистанции в начальный момент времени,

D₀- дистанция до объекта в начальный момент времени,

t - текущий момент времени,

t₀ - начальный момент времени, в дальнейшем (t-t ₀) обозначается через t.

Модель изменения угла места цели во времени имеет вид:

где:

₀ - угол места в начальный момент времени,

- величина изменения угла места в начальный момент времени.

Известно, что по измерениям только лишь углов П и невозможно без специального маневра определить дистанцию до объекта при однопозиционной системе наблюдения.

Для решения задачи определения дистанции до объекта однопозиционным наблюдателем необходимо использовать дополнительную информацию, каковой является последовательность измеряемых уровней (мощностей) сигнала.

Типичной является ситуация измерения П и различными приборами, входящими в единый комплекс слежения за объектом.

Тогда измерение во времени центрированного уровня сигнала в канале (приборе) измерения П имеет вид:

где:

P_t - мощность принятого сигнала в текущий момент времени,

- мощность принятого сигнала в начальный момент времени.

где:

D₀ - дистанция до объекта в начальный момент времени,

- коэффициент километрического ослабления сигнала на трассе объект - наблюдатель.

Одновременно изменение во времени центрированного уровня сигнала в канале измерения v имеет вид:

Анализ уравнений измерения 1-4 позволяет определить шестимерный вектор состояния

где:

Х - вектор состояний,

x₁-x₆ - компоненты вектора состояний,

Т - знак транспонирования вектора.

Уравнение состояния в таком случае имеет вид:

где:

Х_i+1 - вектор состояний в момент времени t_i+1,

X_i - вектор состояний в момент времени t_i .

Так как уравнения измерения 1-4 являются нелинейными относительно составляющих вектора состояния, то необходимо линеаризовать эти уравнения в окрестности некоторой априорной оценки вектора состояния.

Чем точнее будет эта априорная оценка вектора состояния, тем быстрее будет сходимость дальнейших оценок (в процессе фильтрации по Калману) к истинному значению вектора состояния.

Уравнения калмановской фильтрации (вектор состояния шестимерный, вектор измерения четырехмерный) имеют вид:

где:

, - оценки вектора состояния на i-й и (i+1)-й моменты времени соответственно,

cov X_i, cov X_i+1 - оценки ковариационной матрицы вектора состояния на i-й и (i+1)-й моменты времени соответственно,

grad - градиент функции в

(i+1)-й момент времени,

grad - градиент функции в

(i+1)-й момент времени,

- среднеквадратичное отклонение,

gradU - градиент функции в

(i+1)-й момент времени,

gradU - градиент функции в

(i+1)-й момент времени,

П_i+1, _i+1, U_П,i+1, U_,i+1 - измерения пеленга, угла места, центрированного уровня сигнала в тракте измерения пеленга, центрированного уровня сигнала в тракте измерения угла места соответственно,

П(X_i+1), (X_i+1), U_П(X_i+1), U(X_i+1) - прогнозы пеленга, угла места, центрированного уровня в канале измерения пеленга, центрированного уровня в канале места соответственно,

10

Через регламентированные интервалы времени необходимо пересчитывать вектор состояния с начального момента времени к текущему моменту времени.

Формулы пересчета:

Пересчет ковариационной матрицы вектора состояния с начального момента t₀ к текущему моменту t производится по формуле:

где:

Сущность полезной модели

Сущность заявляемой полезной модели состоит в том, что разработан ПРЭК для пассивного измерения пространственных координат движущихся объектов по оценкам уровня принимаемого сигнала в процессе наблюдения за объектом совместно с оценками пеленга и угла места объекта в соответствующих каналах.

ПРЭК не требует выполнения специальных маневров носителя локационного измерителя или привлечения других носителей, которые обычно применяются при традиционных методах определения местоположения источников излучения радиоволн.

ПРЭК может быть использован в пространственной радиолокации и радионавигации искусственных спутников Земли и других космических аппаратов для целеуказания, определения пространственных координат летящих ракет и самолетов, а также положения наземных излучающих РЛС с летающих объектов.

Полезная модель поясняется структурной схемой, где:

1 - антенна,

2 - блок обнаружения сигналов по пеленговому каналу,

3 - блок обнаружения сигналов по угломестному каналу,

4 - блок сопровождения объекта в пеленговом канале,

5 - блок сопровождения объекта в угломестном канале,

6 - блок статистических оценок начального пеленга (П₀ ), начального уровня сигнала (U₀), начальной величины изменения пеленга (ВИП₀) и начальной величины изменения расстояния (ВИР₀),

7 - блок измерения угла места на объект и уровней сигнала от объекта,

8 - блок вычисления оценок угла места и уровней сигнала в угломестном канале,

9 - блок вычисления оценок величины изменения угла места (ВИУМ),

10 - блок программной реализации фильтров Калмана,

11 - блок оценки координат (дистанции D, пеленга П и угла места ) и элементов движения объекта (скорости V, курса К, величины изменения пеленга ВИП, величины изменения расстояния ВИР и величины изменения угла места ВИУМ),

12 - блок выдачи информации на экран,

13 - блок выдачи информации в банки пользователей.

Осуществление полезной модели

Полезная модель реализуется следующим образом.

Сигналы от объекта, принятые антенной 1, обрабатываются в блоке обнаружения сигналов по пеленговому каналу 2 и в блоке обнаружения сигналов по угломестному каналу 3 для последующего сопровождения объекта, соответственно в блоке сопровождения объекта в пеленговом канале 4 и в блоке сопровождения объекта в угломестном канале 5, далее сигналы от блока 4 поступают в блок статистических оценок начального пеленга, начального уровня сигнала, начальной величины изменения пеленга и начальной величины изменения расстояния 6, а сигналы от блока 5 - в блок измерения угла места на объект и уровней сигнала от объекта 7, в блок вычисления оценок угла места и уровней сигнала в угломестном канале 8 и в блок вычисления оценок величины изменения угла места 9, вычисленные оценки обеспечивают построение множества фильтров Калмана в блоке программной реализации фильтров Калмана 10 для последующего получения в блоке оценки координат и элементов движения объекта 11 текущих оценок координат - дистанции, пеленга и угла места и элементов движения объекта - скорости, курса, величины изменения пеленга, величины изменения расстояния и величины изменения угла места, затем полученные данные поступают в блок выдачи информации на экран 12 и в блок выдачи информации в банки пользователей 13 для освещения текущей обстановки и принятия оперативного решения.

Входной информацией для определения координат могут служить выходные формуляры системы сопровождения объекта в пассивных каналах радиолокационных станций (РЛС). Осуществление полезной модели может быть выполнено путем внедрения реализации алгоритма в программное обеспечение работающих станций или изготовления вычислительного блока - приставки к действующим РЛС при условии измерения РЛС пеленгов, уровней сигналов и углов места объекта.

Возможно изготовление отдельного блока - приставки, который после настройки входа может решать задачу определения пространственных координат в пассивном режиме.

Технический результат от внедрения полезной модели заключается в обеспечении возможности оценки пространственных координат, при наблюдении объекта однопозиционным ПРЭК в скрытном режиме сопровождения.

Указанный технический результат достигается совокупностью отличительных признаков, а именно введением в состав комплекса блока обнаружения сигналов по угломестному каналу, блока сопровождения объекта в угломестном канале, блока измерения угла места на объект и уровней сигнала от объекта, блока вычисления оценок угла места и уровней сигнала в угломестном канале и блока вычисления величины изменения угла места.

Представленные описание и структурная схема заявляемого пассивного радиоэлектронного комплекса позволяют, используя покупные комплектующие изделия, существующие материалы и оснастку, изготовить его промышленным способом и использовать для определения координат - дистанции, пеленга и угла места и элементов движения объекта - скорости, курса, величины изменения пеленга, величины изменения расстояния и величины изменения угла места.

Пассивный радиоэлектронный комплекс для определения пространственных координат и элементов движения объекта по угломерным и энергетическим данным радиолокации, содержащий антенну, блок обнаружения сигналов по пеленговому каналу, блок сопровождения объекта в пеленговом канале, блок статистических оценок начального пеленга, начального уровня сигнала, начальной величины изменения пеленга и начальной величины изменения расстояния, блок программной реализации фильтров Калмана, блок оценки координат и элементов движения объекта, блок выдачи информации на экран и блок выдачи информации в банки пользователей, отличающийся тем, что в состав комплекса введены блок обнаружения сигналов по угломестному каналу, блок сопровождения объекта в угломестном канале, блок измерения угла места на объект и уровней сигнала от объекта, блок вычисления оценок угла места и уровней сигнала в угломестном канале и блок вычисления величины изменения угла места, при этом сигналы от объекта, принятые антенной, обрабатываются в блоке обнаружения сигналов по пеленговому каналу и в блоке обнаружения сигналов по угломестному каналу для последующего сопровождения объекта соответственно в блоке сопровождения объекта в пеленговом канале и в блоке сопровождения объекта в угломестном канале, далее сигналы от блока сопровождения объекта в пеленговом канале поступают в блок статистических оценок начального пеленга, начального уровня сигнала, начальной величины изменения пеленга и начальной величины изменения расстояния, а сигналы от блока сопровождения объекта в угломерном канале - в блок измерения угла места на объект и уровней сигнала от объекта, в блок вычисления оценок угла места и уровней сигнала в угломестном канале и в блок вычисления оценок величины изменения угла места, вычисленные оценки обеспечивают построение множества фильтров Калмана в блоке программной реализации фильтров Калмана для последующего получения в блоке оценки координат и элементов движения объекта текущих оценок координат - дистанции, пеленга и угла места и элементов движения объекта - скорости, курса, величины изменения пеленга, величины изменения расстояния и величины изменения угла места, затем полученные данные поступают в блок выдачи информации на экран и в блок выдачи информации в банки пользователей для освещения текущей обстановки и принятия оперативного решения.