Пассивный радиоэлектронный комплекс для определения пространственных координат и элементов движения объекта по угломерным и энергетическим данным радиолокации
Полезная модель относится к области радиолокации и может быть использована для определения координат объектов при помощи одиночного пассивного радиоэлектронного комплекса. Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что, в пассивном радиоэлектронном комплексе для определения пространственных координат и элементов движения объекта по угломерным и энергетическим данным радиолокации, содержащем антенну, блок обнаружения сигнала от объекта, блок сопровождения объекта, блок измерения мощности сигнала от объекта, блок измерения пеленга на объект (П), блок вычисления статистических оценок начального пеленга (П0 ), начального временного изменения пеленга (ВИП0) и начального относительного временного изменения расстояния (ВИР 0), блок вычисления оценок текущих координат и элементов движения объекта (ЭДО), блок выдачи информации на экран и блок выдачи информации в банки пользователей, в состав введены блок измерения угла места объекта (
), блок вычисления статистических оценок начального угла места объекта (0) и начального временного изменения угла места объекта (ВИУМ0), блок вычисления оценок начальной дистанции (D0), блок формирования шестимерного вектора начального состояния и блок программной реализации фильтра Калмана, при этом сигналы от объекта принятые антенной, обрабатываются в блоке обнаружения сигнала от объекта, для последующего сопровождения объекта в блоке сопровождения объекта и измерения мощности сигнала от объекта в блоке измерения мощности сигнала от объекта, измерения П в блоке измерения П и измерения в блоке измерения , далее сигналы от блока измерения мощности сигнала от объекта и блока измерения П поступают в блок вычисления статистических оценок П0, ВИП0 и относительной ВИР 0 для вычисления статистических оценок П0, ВИП 0 и относительного ВИР0, а сигналы от блока измерения поступают в блок вычисления статистических оценок 0 и ВИУМ0 для вычисления статистических оценок 0 и ВИУМ0 и последующего вычисления оценок D0 в блоке вычисления оценок D0, формирования шестимерного вектора начального состояния D0, П 0, 0, ВИП0, относительного ВИР0 и ВИУМ0, в блоке формирования шестимерного вектора начального состояния (формирование нулевой гипотезы о начальных координатах объекта), программной реализации фильтра Калмана (уточнение нулевой гипотезы о начальных координатах объекта) в блоке программной реализации. фильтра Калмана и вычисления оценок текущих координат D, П и и ЭДО и К в блоке оценки текущих координат и ЭДО, 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. Технический результат заключается в обеспечении определения пространственных координат и элементов движения объектов, при наблюдении объектов однопозиционным ПРЭК в скрытном режиме сопровождения.
Полезная модель относится к области радиолокации и может быть использована для определения координат объектов при помощи одиночного пассивного радиоэлектронного комплекса.
Цель полезной модели - определение пространственных координат и элементов движения объектов пассивным однопозиционным радиоэлектронным комплексом.
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 требует значительных энергозатрат, 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 от объекта*, *) - здесь и далее название в заявляемом ПРЭК), блок измерения параметров сигнала и пеленгов (блок измерения мощности сигнала от объекта* и блок измерения пеленга на объект*), блок сопровождения сигнала по пеленгу (блок сопровождения объекта*), блок статистической оценки начального пеленга (П0), начальной величины временного изменения пеленга (ВИП0 ) и начальной величины временного изменения расстояния (ВИР 0) (блок вычисления статистических оценок П0 , ВИП0 и относительного ВИР0*), блок построения множества фильтров Калмана (блок программной реализации фильтров Калмана*), блок оценки дистанции до цели и элементов движения объекта (ЭДО) (блок вычисления оценок текущих координат и ЭДО*), экран (блок выдачи информации на экран*) и блок освещения текущей обстановки (блок выдачи информации в банки пользователей*).
Недостатком комплекса - прототипа является невозможность решения пространственной задачи, т.е. неполное (ограниченное) использование информации содержащейся в измеряемых уровнях сигнала.
Решаемой задачей является обеспечение определения пространственных координат и элементов движения объектов ПРЭК в скрытном (пассивном) режиме работы.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что, в пассивном радиоэлектронном комплексе для определения пространственных координат и элементов движения объекта по угломерным и энергетическим данным радиолокации, содержащем антенну, блок обнаружения сигнала от объекта, блок сопровождения объекта, блок измерения мощности сигнала от объекта, блок измерения пеленга на объект (П), блок вычисления статистических оценок начального пеленга (П0 ), начального временного изменения пеленга (ВИП0) и начального относительного временного изменения расстояния (ВИР 0), блок вычисления оценок текущих координат и элементов движения объекта (ЭДО), блок выдачи информации на экран и блок выдачи информации в банки пользователей,
в состав введены блок измерения угла места объекта (), блок вычисления статистических оценок начального угла места объекта (0) и начального временного изменения угла места объекта (ВИУМ0), блок вычисления оценок начальной дистанции (D0), блок формирования шестимерного вектора начального состояния и блок программной реализации фильтра Калмана, при этом сигналы от объекта принятые антенной, обрабатываются в блоке обнаружения сигнала от объекта, для последующего сопровождения объекта в блоке сопровождения объекта и измерения мощности сигнала от объекта в блоке измерения мощности сигнала от объекта, измерения П в блоке измерения П и измерения в блоке измерения , далее сигналы от блока измерения мощности сигнала от объекта и блока измерения П поступают в блок вычисления статистических оценок П0, ВИП0 и относительной ВИР 0 для вычисления статистических оценок П0, ВИП 0 и относительного ВИР0, а сигналы от блока измерения поступают в блок вычисления статистических оценок 0 и ВИУМ0 для вычисления статистических оценок 0 и ВИУМ0 и последующего вычисления оценок D0 в блоке вычисления оценок D0, формирования шестимерного вектора начального состояния D 0, П0, 0, ВИП0, относительного ВИР0 и ВИУМ0, в блоке формирования шестимерного вектора начального состояния (формирование нулевой гипотезы о начальных координатах объекта), программной реализации фильтра Калмана (уточнение нулевой гипотезы о начальных координатах объекта) в блоке программной реализации фильтра Калмана и вычисления оценок текущих координат D, П и и ЭДО и К в блоке оценки текущих координат и ЭДО, 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.
Модель изменения пеленга во времени имеет вид:
где:
П0 - пеленг цели в начальный момент времени,
- временное изменение пеленга в начальный момент времени
- относительное временное изменение дистанции в начальный момент времени,
- временное изменение дистанции в начальный момент времени,
D0 - дистанция до объекта в начальный момент времени,
t - текущий момент времени,
t0 - начальный момент времени, в дальнейшем (t-t0) обозначается через t.
Модель изменения угла места цели во времени имеет вид:
где:
0 - угол места в начальный момент времени,
- временное изменение 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 центрированной мощности сигнала имеет вид:
Назовем величину
уровнем измеряемого сигнала, а с учетом (3) и (4) получим
где:
Pt - мощность принятого сигнала в текущий момент времени,
Рt0 - мощность принятого сигнала в начальный момент времени.
Из простых геометрических отношений известно, что:
тогда из (6) с учетом (7) получаем связь между уровнем сигнала и дистанцией до объекта в начальный момент времени:
где:
D0 - дистанция до объекта в начальный момент времени,
- коэффициент километрического ослабления сигнала на трассе объект - наблюдатель.
Из (8) легко получить выражение для D0
Анализ уравнений измерения (1 - 3,9), позволяет определить шестимерный вектор состояния (формирование нулевой гипотезы о начальных координатах объекта)
где:
X - вектор состояний,
x1-x6 - компоненты вектора состояний,
Т - знак транспонирования вектора.
Уравнение состояния в таком случае имеет вид:
где:
Xi+1 - вектор состояний в момент времени ti+1,
Xi - вектор состояний в момент времени ti .
Так как уравнения измерения (1-3) 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 Xi, cov Xi+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
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,
Пi+1 , i±1, UП,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 (Xi+1), (Xi+1), UП (Xi+1), U(Xi+1) - прогнозы пеленга, угла места, центрированного уровня в канале измерения пеленга, центрированного уровня в канале места соответственно,
Через регламентированные. интервалы времени необходимо пересчитывать вектор состояния с начального момента времени к текущему моменту времени.
Формулы пересчета:
Величины a,b,c вычисляются по следующим формулам:
Пересчет ковариационной матрицы вектора состояния с начального момента t0 к текущему моменту t производится по формуле:
где:
Сущность полезной модели поясняется структурной схемой, где:
1 - антенна,
2 - блок обнаружения сигнала от объекта,
3 - блок сопровождения объекта,
4 - блок измерения мощности сигнала от объекта,
5 - блок измерения пеленга на объект (П),
6 - блок измерения угла места объекта (),
7 - блок вычисления статистических оценок начального пеленга (П0), начального временного изменения пеленга (ВИП0) и начального относительного временного изменения расстояния (ВИР0),
8 - блок вычисления статистических оценок начального угла места объекта (0) и начального временного изменения угла места объекта (ВИУМ0),
9 - блок вычисления оценок начального значения дистанции (D0),
10 - блок формирования шестимерного вектора начального состояния (D0, П0, 0, ВИП0, ВИР0 и ВИУМ 0),
11 - блок программной реализации фильтра Калмана,
12 - блок вычисления оценок текущих координат (дистанции (D) и П и элементов движения объекта (скорости () и курса (К),
13 - блок выдачи информации на экран,
14 - блок выдачи информации в банки пользователей.
Заявляемый ПРЭК работает следующим образом.
Сигналы от объекта, принятые антенной 1, обрабатываются в блоке 2 обнаружения сигнала от объекта, для последующего сопровождения объекта в блоке 3 сопровождения объекта и измерения мощности сигнала от объекта в блоке 4 измерения мощности сигнала от объекта, измерения П в блоке 5 измерения П и измерения в блоке 6 измерения , далее сигналы от блока 4 измерения мощности сигнала от объекта и блока 5 измерения П поступают в блок 7 вычисления статистических оценок П0, ВИП0 и относительной ВИР 0 для вычисления статистических оценок П0, ВИП 0 и относительного ВИР0, а сигналы от блока 6 измерения поступают в блок 8 вычисления статистических оценок 0 и ВИУМ0 для вычисления статистических оценок 0 и ВИУМ0 и последующего вычисления оценок D0 в блоке 9 вычисления оценок D0 , формирования шестимерного вектора начального состояния D 0, П0, 0, ВИП0, относительного ВИР0 и ВИУМ0, в блоке 10 формирования шестимерного вектора начального состояния, программной реализации фильтра Калмана в блоке 11 программной реализации фильтра Калмана и вычисления оценок текущих координат D, П и и ЭДО и К в блоке 12 оценки текущих координат и ЭДО, затем полученные данные поступают в блок 13 выдачи информации на экран и в блок 14 выдачи информации в банки пользователей для освещения текущей обстановки и принятия оперативного решения.
Заявляемый ПРЭК позволяет по оценкам уровня принимаемого сигнала в процессе наблюдения за объектом совместно с оценками пеленга и угла места объекта определять пространственные координаты и элементы движения объектов различной природы, комплекс не требует выполнения специальных маневров носителя локационного измерителя или привлечения других носителей, которые обычно применяются при традиционных методах определения местоположения источников излучения радиоволн, и может быть использован в пространственной радиолокации для целеуказания.
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 и элементов движения объекта в пассивном режиме.
Технический результат заключается в обеспечении определения пространственных координат и элементов движения объектов, при наблюдении объектов однопозиционным ПРЭК в скрытном режиме сопровождения.
Указанный технический результат достигается совокупностью отличительных признаков, а именно введением в состав комплекса блока измерения угла места объекта (), блока вычисления статистических оценок начального угла места объекта (0) и начального временного изменения угла места объекта (ВИУМ0), блока вычисления оценок начального значения дистанции (D0), блока формирования шестимерного вектора начального состояния и блока программной реализации фильтра Калмана.
Представленные описание и структурная схема заявляемого ПРЭК позволяют, используя покупные комплектующие изделия, существующие технологию, материалы и оснастку, изготовить его промышленным способом и использовать для определения координат - дистанции, пеленга и угла места и элементов движения объекта - скорости и курса.
Пассивный радиоэлектронный комплекс для определения пространственных координат и элементов движения объекта по угломерным и энергетическим данным радиолокации, содержащий антенну, блок обнаружения сигнала от объекта, блок сопровождения объекта, блок измерения мощности сигнала от объекта, блок измерения пеленга на объект (П), блок вычисления статистических оценок начального пеленга (П0 ), начального временного изменения пеленга (ВИП0) и начального относительного временного изменения расстояния (ВИР 0), блок вычисления оценок текущих координат и элементов движения объекта (ЭДО), блок выдачи информации на экран и блок выдачи информации в банки пользователей, отличающийся тем, что в состав введены блок измерения угла места объекта (), блок вычисления статистических оценок начального угла места объекта (0) и начального временного изменения угла места объекта (ВИУМ0), блок вычисления оценок начальной дистанции (D0), блок формирования шестимерного вектора начального состояния и блок программной реализации фильтра Калмана, при этом сигналы от объекта, принятые антенной, обрабатываются в блоке обнаружения сигнала от объекта для последующего сопровождения объекта в блоке сопровождения объекта и измерения мощности сигнала от объекта в блоке измерения мощности сигнала от объекта, измерения П в блоке измерения П и измерения в блоке измерения , далее сигналы от блока измерения мощности сигнала от объекта и блока измерения П поступают в блок вычисления статистических оценок П0, ВИП0 и относительного ВИР 0 для вычисления статистических оценок П0, ВИП 0 и относительного ВИР0, а сигналы от блока измерения V поступают в блок вычисления статистических оценок 0 и ВИУМ0 для вычисления статистических 0 и ВИУМ0 и последующего вычисления оценок D0 в блоке вычисления оценок D0, формирования шестимерного вектора начального состояния D 0, П0, 0, ВИП0, относительного ВИР0 и ВИУМ0, в блоке формирования шестимерного вектора начального состояния, программной реализации фильтра Калмана в блоке программной реализации фильтра Калмана и вычисления оценок текущих координат дистанции (D), П и и ЭДО скорости (V) и курса (К) в блоке оценки текущих координат и ЭДО, 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.
