Способ радиолокации пассивных космических объектов

 

Изобретение относится к области радиолокации пассивных космических объектов, в частности осколков космического мусора, и может быть использовано при осуществлении радиолокационного обзора с целью обнаружения названных осколков, представляющих опасность для эксплуатируемых КА и космических станций. В способе радиолокации движущихся объектов, основанном на излучении зондирующего сигнала, приеме отраженного сигнала и его обработке, включающей фильтрацию доплеровских частот, осуществляют в процессе обработки отраженного сигнала снятие фазовой модуляции и сжатие частотного спектра названного сигнала путем мультипликативного переноса частотного спектра указанного сигнала. При обработке отраженного сигнала изменяют величину коэффициента мультипликативного переноса в зависимости от значения параметров движения объекта, задавая указанную величину обратно пропорциональной произведению скорости вращения объекта и его диаметра. Достигаемым техническим результатом является возможность благодаря восстановлению когерентности принимаемого сигнала использовать для обнаружения пассивных космических объектов доплеровские радиолокационные системы, что обеспечивает увеличение дальности пеленгации и повышение вероятности своевременного обнаружения приближающихся осколков космического мусора. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области радиолокации пассивных космических объектов, в частности осколков космического мусора, и может быть использовано при осуществлении радиолокационного обзора с целью обнаружения фрагментов разрушившихся космических аппаратов (КА) и последних ступеней ракет-носителей (РН), представляющих опасность для эксплуатируемых КА и космических станций из-за риска столкновения с названными осколками.

Характерной особенностью неуправляемых (пассивных) космических объектов, в том числе находящихся на орбите космических осколков, является их вращение из-за отсутствия сопротивления воздуха. Поверхности осколка, например фрагмента обшивки корпуса РН, отражающие зондирующий сигнал в процессе радиолокации, меняют свое взаимное положение при вращении фрагмента. При этом возникают флуктуации не только амплитуды, но частоты и фазы отраженного сигнала. Ступенчатые изменения частоты и фазы отраженного сигнала вызывают фазовую модуляцию (манипуляцию) названного сигнала, который вследствии этого становится некогерентным. При этом девиация частоты сигнала зависит от скорости вращения осколка (фрагмента) и его размеров или в общем случае от произведения указанных величин. Частота модуляции (манипуляции) отраженного сигнала зависит в основном от относительной скорости перемещения отражающих поверхностей осколка, которая, в свою очередь, зависит от размеров и скорости вращения последнего. Как уже было сказано, ввиду отсутствия демпфирующей среды, скорость вращения осколка в независимости от его размеров может быть достаточно высокой.

Известен способ идентификации движущихся объектов, основанный на многократном измерении посредством радиолокатора пеленга на космический объект, (см. патент РФ N 2124462, 6 МКИ В 64 G 9/00. Способ идентификации движущихся объектов. Анташев А.Б. и др.). Недостаток названного способа заключается в том, что он не обеспечивает измерения пеленга на космический объект, если принимаемый радиосигнал не является когерентным.

Известен также способ радиолокации движущихся объектов, основанный на излучении зондирующею сигнала, приеме отраженного от объекта сигнала и его обработке, включающей фильтрацию доплеровских частот (см. Радиолокационные устройства /В. В.Васин, О.В. Власов, И.В.Григорин-Рябов и др. Под ред. В.В. Григорина-Рябова. - M.: Сов. радио, 1970. - с. 392 398). Эффективность данного способа существенно снижается в случае некогерентности сигнала, что является недостатком способа.

Прототипом предлагаемого изобретения выбран наиболее близкий к заявляемому способ селекции космических объектов, основанный на радиопеленгации объектов и измерении параметров их движения посредством доплеровской локации, включающий когерентную обработку принимаемого сигнала (см. патент РФ N 2090469, 6 МКИ В 64 G 9/00 Способ селекции космических объектов. Атнашев А. Б. и др.).

Основным недостатком способа радиолокации, описанного в прототипе, как и выше названных, является то, что он не обеспечивает доплеровской фильтрации сигнала, если последний не является когерентным, в результате теряются все преимущества доплеровской системы, что вызывает существенное уменьшение предельной дальности радиолокации космических объектов. Естественно, указанный недостаток известного способа затрудняет пеленгацию и обнаружение представляющих опасность осколков космического мусора.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является восстановление когерентности принимаемого флуктуирующего сигнала, что обеспечивает применение наиболее чувствительных доплеровских радиолокационных систем, позволяющих осуществить своевременное обнаружение приближающихся к КА осколков космического мусора.

Указанная задача решается тем, что, используя способ радиолокации движущихся объектов, основанный на излучении зондирующего сигнала, приеме отраженного сигнала и его обработке, включающей фильтрацию доплеровских частот, осуществляют в процессе обработки отраженного сигнала снятие фазовой модуляции (манипуляции) и сжатие частотного спектра названного сигнала, при этом снятие фазовой модуляции и сжатие частотного спектра отраженного сигнала осуществляют путем мультипликативного переноса частотного спектра указанного сигнала. При обработке отраженного сигнала путем мультипликативного переноса частотного спектра изменяют величину коэффициента мультипликативного переноса в зависимости от значения параметров движения, скорости вращения и максимальных размеров пеленгуемого объекта, задавая указанную величину, обратно пропорциональной произведению скорости вращения объекта и его диаметра. Мультипликативный перенос частотного спектра при обработке сигнала осуществляют посредством транпонирования спектра сигнала.

Техническим результатом изобретения является восстановление когерентности принимаемого сигнала, что позволяет использовать для обнаружения осколков доплеровские радиолокационные системы, тем самым обеспечить увеличение дальности пеленгации и повышение вероятности своевременного обнаружения приближающихся осколков космического мусора.

Сущность изобретения поясняется на примере работы радиолокатора, блочная схема которого представлена на фиг. 1, на фиг. 2 изображена упрощенная схема устройства транспонирования частоты.

Радиолокатор согласно фиг. 1 содержит передатчик 1, связанный с излучающей антенной 2, приемник 3, соединенный с приемной антенной 4, к которой подключен преобразователь 5 частоты приемника, связанный с усилителем 6 промежуточной частоты (УПЧ), выход которого соединен с устройствами 7 транспонирования спектра, подключенными к оконечному устройству 8, управляющее устройство 9, связанное с устройствами 7 транспонирования спектра.

В свою очередь, устройство 7 транспонирования спектра в соответствии с фиг. 2 содержит входной фильтр 10, к которому подключено запоминающее устройство (ЗУ) 11, связанное непосредственно и через задерживающий элемент 12 с входами умножителя 13, с выходом которого соединен полосовой фильтр (ПФ) 14, выход которого является выходом данного устройства, подключенный к управляющему устройству 9 блок 15 управления задержкой, связанный с управляющим входом задерживающего элемента 12.

Устройства 7 транспонирования спектра, входящие в состав приемника описанного радиолокатора, различаются в основном по частоте настройки ПФ 14, выполняющих в данной схеме обработки сигнала роль фильтров доплеровских частот.

В качестве задерживающего элемента 12 в устройстве 7 транспонирования спектра, как и в известных схемах, осуществляющих названное преобразование, (см. , например, а.с. N 305558 СССР, МКИ H 03 D7/00. Способ транспонирования спектра сигнала, Денисенко А. Н. ), может быть использовано записывающее устройство (магнитофон) с регулируемыми параметрами лентопротяжного механизма, который вместе с тем выполняет функцию ЗУ 11.

Радиолокацию осколка космического мусора осуществляют следующим образом.

Зондирующий сигнал, генерируемый передатчиком 1, излучают с помощью антенны 2. Отраженный от осколка сигнал принимают посредством антенны 4 и подают на вход преобразователя 5 частоты приемника 3. После преобразования частоты в указанном преобразователе, которое осуществляется, как обычно, путем гетеродинирования сигнала, и усиления в УПЧ 6 сигнал направляют на входные фильтры 10 каждого из устройств 7 транспонирования спектра. После предварительной фильтрации сигнал записывают с помощью ЗУ 11. Затем сигнал подают непосредственно, а также через задерживающий элемент 12 на входы умножителя 13, где производят перемножение исходного и задержанного сигналов. Выходной сигнал умножителя 13 содержит высокочастотную и низкочастотную составляющие, при этом частота последней равна разности частот исходного и задержанного сигналов. Посредством фильтрации в ПФ 14 выделяют упомянутую составляющую с разностной частотой. Благодаря указанной обработке осуществляется транспонирование спектра (мультипликативный перенос), при котором происходит сжатие частотного спектра, а также снятие фазовой модуляции сигнала. После накопления и доплеровской фильтрации сигнала с помощью ПФ 14, сигналы со всех ПФ 14 подают на оконечное устройство 8, где выделяют максимальный по амплитуде сигнал, по которому судят о наличии в зоне действия радиолокатора объекта (космического осколка).

Степень сжатия частотного спектра при его транспонировании определяется коэффициентом мультипликативного переноса k_м = F/ f, где f, F - ширина полосы частот сигнала до и после его транспонирования соответственно. Нетрудно видеть, что k_м < 1. Указанный коэффициент, определяющий степень сжатия частотного спектра, можно регулировать, задавая соответствующую скорость изменения задержки сигнала во времени, в частности, путем изменения параметров лентопротяжного механизма магнитофона. Конкретно, для уменьшения коэффициента k_м уменьшают скорость изменения задержки во времени. Уменьшенному значению данного коэффициента соответствует большая степень сжатия спектра.

Сжатие частотного спектра сопровождается делением частоты в k_м ^-1 раз. Следовательно, так же в k_м ^-1 раз уменьшается фазовый угол, являющийся аргументом периодической функции, представляющей сигнал. Таким образом за счет мультипликативного переноса спектра фактически устраняют фазовый сдвиг между концом и началом соседних фрагментов сигнала. Что подтвердилось при моделировании указанного процесса.

Очевидно, степень сжатия частотного спектра флуктуирующего сигнала должна быть достаточной для необходимого уменьшения девиации частоты (для обеспечения когерентности) сигнала, накапливаемого в ПФ 14. Поэтому для более эффективного решения поставленной задачи изменяют величину коэффициента мультипликативного переноса, задающего степень сжатия частотного спектра, определяя указанную величину в зависимости от размеров пеленгуемого объекта и его скорости вращения, значения которых можно прогнозировать по измерениям, осуществляемым станциями слежения или предназначенными для этих целей наземными службами. Для уменьшения названного коэффициента уменьшают скорость изменения задержки сигнала во времени. Если коэффициент k_м необходимо увеличить, тогда названную скорость повышают.

Изменение коэффициента k_м мультипликативного переноса осуществляют, управляя с помощью управляющего устройства 9 блоком 15 управления задержкой, посредством которого задают скорость изменения задержки во времени. Уменьшение указанного коэффициента для повышения степени сжатия спектра производят, когда размеры (диаметр) осколка, а также скорость его вращения и соответственно девиация частоты отраженного сигнала увеличены и наоборот.

Как показали исследования, в частности моделирование процесса обработки сигнала на ЭВМ, для обеспечения минимальных габаритов устройства транспонирования спектра и лучшей адаптации системы целесообразно использовать цифровые схемы обработки колебаний. Подобная реализация, что также показала опытная проверка, отличается высокой стабильностью работы и вместе с тем обеспечивает возможность изменения коэффициента k_м мультипликативного переноса более чем на порядок в зависимости от требуемой степени сжатия частотного спектра сигнала.

Таким образом восстановление когерентности принимаемого сигнала позволяет использовать доплеровские радиолокационные системы для обнаружения приближающихся пассивных космических объектов, в том числе осколков, что обеспечивает увеличение дальности пеленгации названных объектов и повышение вероятности своевременного обнаружения опасных из-за риска столкновения осколков космического мусора.

Формула изобретения

1. Способ обработки радиолокационного сигнала, основанный на излучении зондирующего сигнала, приеме отраженного от движущегося объекта сигнала, преобразовании частоты принятого сигнала, например, путем его гетеродинирования, усилении сигнала и осуществлении доплеровской фильтрации преобразованного сигнала, отличающийся тем, что перед доплеровской фильтрацией преобразованного сигнала путем мультипликативного переноса его частоты осуществляют снятие фазовой модуляции и сжатие частотного спектра указанного сигнала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину коэффициента мультипликативного переноса частоты указанного сигнала изменяют в зависимости от прогнозируемых значений параметров движения и размеров движущегося объекта, задавая соответствующую упомянутым значениям параметров степень сжатия частотного спектра сигнала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2