Беззапросная однопозиционная радиоэлектронная система для определения параметров движения радиоизлучающего объекта

Полезная модель относится к радиолокации, а именно к устройствам беззапросной радионавигации с режимом пассивного обнаружения, установленным на различных одиночных носителях и может быть использована для определения параметров движения радиоизлучающих объектов. Сущность полезной модели заключается в том, что в беззапросном однопозиционном радиоэлектронном устройстве (БОРУ) для определения параметров движения радиоизлучающего объекта (РИО), содержащим радиолокационную антенну, устройство первичной обработки принятых сигналов, устройство автоматического сопровождения объекта по направлению (углу), измеритель, запоминающее устройство и вычислитель, антенна выполнена пассивной и размещена на одиночном носителе, а в состав дополнительно введены экран и блок освещения текущей обстановки, для отображения полученной информации и принятия оперативного решения. Технический результат заключается в беззапросном однопозиционном определении параметров относительного перемещения БОРУ и РИО с заданной точностью при соблюдении скрытности работы, т.е. при работе антенны системы в пассивном режиме.

Полезная модель относится к радиолокации, а именно к устройствам беззапросной радионавигации с режимом пассивного обнаружения, установленным на различных одиночных носителях, и может быть использована для определения параметров движения радиоизлучающих объектов (РИО).

Решаемой задачей является однопозиционное определение параметров относительного перемещения беззапросного однопозиционного радиоэлектронного устройства (БОРУ) и РИО с заданной точностью при соблюдении скрытности работы, т.е. при работе антенны устройства в пассивном режиме.

Известен способ определения курсового угла и координат местоположения объектов, заключающийся в определении указанных параметров и по радионавигационным сигналам космических аппаратов спутниковых радионавигационных систем и интегрального доплеровского или фазового метода измерений радионавигационного параметра и двойной разности фаз прохождения фронтом волны навигационного радиосигнала одного и того же спутника до двух пространственно разнесенных антенн. Для реализации этого способа используются четыре приемные устройства одночастотного навигационного радиосигнала одного и того же навигационного искусственного спутника Земли, антенны которых пространственно взаимно ортогонально разнесены между собой и образуют прямоугольную систему координат, оси которой параллельны осям объекта. При одновременном приеме упомянутого сигнала спутника осуществляется выделение колебаний с частотой, равной разности доплеровских сдвигов частоты в каждой ортогональной паре, принятых антенно-приемными устройствами, одно из которых в каждой паре является ведущим, а другое - ведомым, для чего в ведомых приемных устройствах в качестве гетероидных сигналов используются сигналы генераторов, управляющих напряжением систем фазовой автоподстройки частот ведущих приемных устройств, затем производят измерение разностей доплеровских сдвигов частоты, измерение отношения разностей доплеровских приращений и определение собственно курсового угла и координат местоположения объекта. При этом точность измерений обеспечивается исключением погрешностей до значения коэффициента взаимной корреляции, обусловленных нестабильностью сигналов генераторов, условиями распространения радиоволн, тепловым шумом, нелинейностью фазовых диаграмм антенн и их углового перемещения относительно центра масс объекта (Патент РФ 2022294, МПК⁵ G01S 5/10, 1992 г., опубл. 30.10.1994 г.) [1].

Недостатком известного способа и устройства для его осуществления является необходимость в создании сложной системы космических аппаратов, два из которых обеспечивают измерительную базу дистанции, а один - угловые измерения по данным активных демаскирующих радионавигационных сигналов от базовых космических аппаратов, т.е. невозможность однопозиционного определения параметров движения объекта, излучающего активные радиолокационные сигналы, в пассивном, скрытном режиме работы.

Известен также способ (варианты) и система для определения положения объекта, состоящая из неподвижной наземной станции с терминалом связи в виде передатчика, интерфейса с базой данных и процессора, кроме того станция включает в себя основную и вспомогательную антенны, основной и вспомогательный искусственные спутники Земли с ретрансляторами, размещенные на геосинхронной орбите на линии прямой видимости со станцией и наземным подвижным объектом, например автомобилем, имеющим терминал связи с антенной, при этом основная антенна находится в зоне прямой видимости с основным спутником и может следить за ним (Патент РФ 2084916, МПК⁶ G01S 5/10, H04B 7/185, 1990 г., опубл. 20.07. 1997 г.) [2].

Способ реализуется следующим образом. Отдельные периодические сигналы передаются со станции через основной и вспомогательный спутники Земли, положения которых должны быть заранее известны, к объекту, позицию которого нужно определить (в вариантах количество передатчиков и спутников может быть увеличено). Фазовый сдвиг в периодических характеристиках периодических сигналов, полученных от спутников, измеряется на объекте, при этом фазовый сдвиг характеризует относительную разницу во времени прохождения сигналов, идущих разными путями к объекту. Объект посылает через основной спутник обратный сигнал, указывающий на измеренную относительную временную разницу, этот сигнал используется в дальнейшем в соответствии с местным временем объекта, которое корректируется по приему периодического сигнала, посылаемого через основной спутник, и является началом особого временного периода, определяемого режимом работы станции. На станции используют задержку прохождения сигнала, определяемую разницей между тактовым импульсом текущей передачи и тактовым импульсом приема обратного сигнала, а также измененную временную разницу, посылаемую с обратным сигналом для вычисления расстояний между основным и вспомогательным спутниками до объекта, из которых определяется его положение.

Недостатками известного способа и системы для его осуществления является необходимость в создании сложной системы искусственных спутников Земли, наземной станции с приемо-передающими антеннами и приемо-передающей антенны объекта, использование активных демаскирующих радионавигационных сигналов от спутников, станции и объекта, т.е., невозможность однопозиционного определения параметров движения объекта, излучающего активные радиолокационные сигналы, в пассивном, скрытном режиме работы, а также то, что положения спутников должны быть заранее известны.

За прототип принято 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 (устройств) различного назначения, могут быть представлены в виде совокупности случайных точек, каждая из которых характеризуется некоторым набором параметров (П.А. Бакут, Ю.В. Жулина, Н.А. Иванчук. Обнаружение движущихся объектов, Москва, Советское Радио, 1980 г., с.94-96) [3].

Недостатком прототипа является невозможность обеспечения скрытности работы из-за использования многопозиционной системы с несколькими активными антеннами для определения параметров объекта, поскольку работа активной (излучающей) антенны, а также неизбежный обмен информацией совместно работающих антенн, по меньшей мере, на двух носителях демаскирует систему в целом.

Сущность полезной модели заключается в том, что в беззапросном однопозиционном радиоэлектронном устройстве (БОРУ) для определения параметров движения радиоизлучающего объекта (РИО), содержащим радиолокационную антенну, устройство первичной обработки принятых сигналов, устройство автоматического сопровождения объекта по направлению (углу), измеритель, запоминающее устройство и вычислитель, антенна выполнена пассивной и размещена на одиночном носителе, а в состав дополнительно введены экран и блок освещения текущей обстановки, при этом антенна принимает сигналы от РИО и передает их в устройство первичной обработки принятых сигналов, где происходит выделение полезного сигнала от помех, далее полезный сигнал поступает в устройство автоматического сопровождения объекта по направлению и в измеритель, где происходит измерение пеленгов и амплитуд принимаемого полезного сигнала через заданные интервалы времени t_i, затем измеренные параметры поступают в вычислитель, где производится расчет значения невязки =П_изм - П_расч между измеренными и заранее рассчитанными пеленгами, хранящимися в запоминающем устройстве, при необходимости, одновременно устраняется проблема неоднозначности и реализуется механизм логического вывода о принадлежности параметров относительного перемещения БОРУ и РИО к конкретному интервалу, на основании полученной информации, которая отображается на экране, формируются данные в блоке освещения текущей обстановки для принятия оперативного решения.

Сущность полезной модели поясняется структурной схемой (фиг.1), где:

1 - радиолокационная антенна;

2 - устройство первичной обработки принятых сигналов;

3 - устройство автоматического сопровождения объекта по направлению;

4 - измеритель;

5 - вычислитель;

6 - запоминающее устройство (банк данных, классификатор объектов);

7 - экран;

8 - блок освещения текущей обстановки.

Устройство работает следующим образом.

Определение параметров РИО производят при равномерной и прямолинейной траектории относительного перемещения БОРУ и РИО.

Радиолокационная антенна 1 принимает сигналы от РИО (на схеме не показан) и передает их в устройство первичной обработки принятых сигналов 2, где происходит выделение полезного сигнала на фоне помех, далее полезный сигнал поступает в устройство автоматического сопровождения объекта по направлению 3 и в измеритель 4, где происходит измерение пеленгов П₁, П₂ П_i на РИО и амплитуд принимаемого полезного сигнала U₁, U₂ U_i от РИО через заданные интервалы времени t, разделение пространства возможных значений параметров относительного перемещения R (дальность), V_R (радиальная скорость относительного перемещения), V (тангенциальная составляющая скорости относительного перемещения) на интервалы (R_min÷R₁ , R₁÷R₂, R_i-1÷R_max); (V_Rmin ÷V_R1, V_R1÷V_R2, V_Ri-1÷V_Rmax); (V_min÷V₁, V₁÷V₂, V_i-1÷V_max), расчет в каждом интервале на i-й момент времени t_i значений угла пеленга П_iрасч на РИО для средних, в пределах интервала значений R, V_R, V, вычисление разности (П_i - П_iрасч ) для каждого интервала и нахождение интервала с минимальным значением этой разности, значения параметров относительного перемещения которого считают истинными. Для исключения возможности неоднозначности, когда одно и то же значение пеленга соответствует различным комбинациям R₁ V_R, V используют измерение и сравнение амплитуд радиосигналов, принимаемых в соседние интервалы времени t_i-1÷t _i. На следующем этапе измерения деление возможных интервалов изменения параметров относительного перемещения БОРУ и РИО проводят в пределах выявленного интервала. Процедуру продолжают до получения необходимой точности измерения параметров относительного перемещения, затем измеренные параметры поступают в вычислитель 5, где производится расчет значения невязки =П_изм - П_расч между измеренными и заранее рассчитанными пеленгами, хранящимися в запоминающем устройстве 6, при необходимости, одновременно устраняется проблема неоднозначности и реализуется механизм логического вывода о принадлежности параметров относительного перемещения БОРУ и РИО к конкретному интервалу, на основании полученной информации, которая отображается на экране 7, формируются данные в блоке освещения текущей обстановки 8 для принятия оперативного решения.

Устройство позволяет определить параметры относительного перемещения БОРУ и РИО при произвольном ракурсе траектории их относительного перемещения. Параметры такой траектории в декартовой системе координат могут быть определены уравнением текущего значения дальности

,

где: R₀ - начальное значение дальности до РИО,

V_R - радиальная составляющая скорости относительного перемещения БОРУ и РИО,

V - тангенциальная составляющая скорости относительного перемещения наблюдателя и РИО,

t_i - текущее время наблюдения.

Приращение пеленга П определяется по формуле

,

Кроме того, из уравнения 1 можно записать соотношение

,

где: - отношение амплитуд сигналов, принимаемых при начальном и текущем измерениях пеленга,

- коэффициент километрического затухания радиоволн в атмосфере.

Таким образом, имеются три уравнения - уравнение состояния 1 и уравнения измерения 2 и 3, при четырех неизвестных (R₀, R_тек, V_R, V). Как известно, прямого однозначного решения задачи определения неизвестных параметров в этом случае не существует. Определение полного набора параметров относительного перемещения возможно либо при работе БОРУ в активном режиме, либо при многопозиционном наблюдении. К недостаткам этих режимов относятся потеря собственной скрытности и большие затраты энергии на формирование зондирующего сигнала (активный режим), а также наличие не мене двух разнесенных в пространстве антенн (многопозиционный режим). При этом определение координат объекта и параметров его движения в многопозиционном режиме определяется методом триангуляции, разностно-дальномерным или угломерно-дальномерным способом. Причем чем больше расстояние между антеннами, тем точнее определение параметров относительного перемещения. Применение таких методов в пределах одного наблюдателя затруднено ввиду невозможности большого разнесения антенн. При задействовании нескольких БОРУ требуется организация обмена информацией между ними, что опять же нарушает собственную скрытность работы, и кроме того, при наличии в зоне обзора нескольких РИО возникает проблема их идентификации.

Идея алгоритма для решения задачи беззапросного однопозиционного определения параметров относительного перемещения БОРУ и РИО поясняется графической схемой (фиг.2) и заключается в использовании априорной информации о параметрах относительного перемещения, которая всегда присутствует в том или ином виде.

Алгоритм решения задачи в геометрическом виде состоит в следующем.

Из ОСА по теореме синусов справедливо соотношение

,

далее

,

подставляя 5 в 4, получаем

,

или

,

где угол наклона траектории ,

затем

,

и

,

с учетом соотношения 3 получаем

.

Первым итерационным шагом алгоритма является разбиение всего априори известного диапазона возможных значений изменения параметров R₀, V_R, V на участки с грубым шагом (~20% от всего диапазона возможных значений). Таким образом, вся зона априорной неопределенности возможных значений R₀, V_R, V делится на более мелкие ячейки. В каждой такой ячейке по формуле 2 рассчитываются изменения пеленга П_расч за выбранный интервал времени t. Затем по первому измеренному приращению пеленга П _изм за этот интервал находится ячейка с минимальным значением невязки П=П_изм-П_расч. В качестве истинных принимаются параметры той ячейки, невязка в которой имеет минимальное значение. Для устранения возможной неоднозначности, когда одно и то же значение невязки соответствует разным ячейкам, используют второе измерение - измерение амплитуд принимаемого сигнала. На фиг.2 видно, что в случае неоднозначного измерения различие между возможными вариантами относительного перемещения заключается в угле наклона траектории, причем если

,

как следует из геометрии задачи на фиг.2 нетрудно убедиться, что

.

Сравнением tg _ист с tg _расч (отношением V_R/V для каждой ячейки) по минимуму невязки =(tg _ист - tg _расч) обеспечивают однозначность определения ячейки параметров относительного перемежения.

Следующий итерационный шаг проводят внутри выявленной ячейки. Количество шагов итерации определяется требуемой точностью определения параметров относительного перемещения.

В результате необходимого количества итерационных шагов определяют параметры относительного перемещения наблюдателя и РИО с заданной точностью в беззапросном однопозиционном режиме при произвольном ракурсе их относительного перемещения.

Технический результат заключается в беззапросном однопозиционном определении параметров относительного перемещения БОРУ и РИО с заданной точностью при соблюдении скрытности работы, т.е. при работе антенны системы в пассивном режиме.

Указанный технический результат достигается совокупностью отличительных признаков, а именно выполнением антенны пассивной и размещением ее на одиночном носителе, а также введением в состав системы экрана и блока освещения текущей обстановки.

Представленные описание и структурная схема заявляемого устройства позволяют, используя покупные комплектующие изделия, существующие материалы, технологию и оснастку, изготовить его промышленным способом и применяя описанный алгоритм решения задачи использовать для определения параметров относительного перемещения БОРУ и РИО с заданной точностью при соблюдении скрытности работы, т.е. при работе антенны БОРУ в пассивном режиме, а также для выведения полученных данных на экран и блок освещения текущей обстановки для принятия оперативного решения.

Беззапросное однопозиционное радиоэлектронное устройство (БОРУ) для определения параметров движения радиоизлучающего объекта (РИО), содержащее радиолокационную антенну, устройство первичной обработки принятых сигналов, устройство автоматического сопровождения объекта по направлению, измеритель, запоминающее устройство и вычислитель, отличающееся тем, что антенна выполнена пассивной и размещена на одиночном носителе, а в состав дополнительно введены экран и блок освещения текущей обстановки, при этом антенна принимает сигналы от РИО и передает эти сигналы с помехами в устройство первичной обработки принятых сигналов, где происходит выделение полезного сигнала на фоне помех, далее полезный сигнал поступает в устройство автоматического сопровождения объекта по направлению и в измеритель, где происходит измерение пеленгов и амплитуд принимаемого полезного сигнала через заданные интервалы времени, затем измеренные параметры поступают в вычислитель, где производится расчет значения невязки между измеренными и заранее рассчитанными пеленгами, хранящимися в запоминающем устройстве, при необходимости, одновременно устраняется проблема неоднозначности и реализуется механизм логического вывода о принадлежности параметров относительного перемещения БОРУ и РИО к конкретному интервалу, на основании полученной информации, которая отображаются на экране, формируются данные в блоке освещения текущей обстановки для принятия оперативного решения.