Способ определения пространственных координат движущегося объекта пассивной радиосистемой

Изобретение относится к пассивным радиосистемам, предназначенным для наблюдения за движущимися объектами в радио диапазоне длин волн.

Система состоит из двух взаимно удаленных и ориентированных в пространстве радиоприемников с антенными решетками (АР), составленными из нескольких приемных элементов, которые принимают отраженный от объекта радиосигнал. Ориентация задается матрицей Р поворота трех осей координат второго приемника по отношению к первому приемнику и базовым вектором b, соединяющим центры двух прямоугольных систем координат.

Радиопередатчик, расположенный отдельно от радиоприемников, посылает в отдельные моменты времени t периодический радиосигнал s(t) c известными параметрами в сторону области пересечения диаграмм направленности антенн (ДНА) радиоприемников, которую пересекает движущийся с определенной скоростью объект наблюдения (воздушный или наземный).

Радиоприемники принимают отраженный от объекта полезный радиосигнал, а также помехи в виде сигналов переотражения от местности, возникающие с некоторой задержкой во времени по отношению к полезному сигналу. Присутствуют шумы аппаратуры.

Принятые в радиоприемниках радиосигналы s₁(t) и s₂(t) проходят первичную обработку, преобразуются в q-x измерительных каналах (по числу Q приемных элементов АР) в комплексные спектры на j-х доплеровских частотах ƒ_j. После чего выделяются спектральные составляющие соответствующие доплеровской частоте объекта, которые поступают на устройство (или алгоритм) определения угловых координат объекта (азимута и угла места).

Известные способы определения угловых координат объекта по совокупности выделенных комплексных амплитуд в приемопередающем радиоприемнике. Например, способы, основанные на моноимпульсном [1] и фазовом [2] методах. Для повышения точности выделения комплексных амплитуд известен также способ [3]. Результатом применения данных способов являются угловые координаты объекта (азимут и угол места) ϕ и θ, найденные в системе координат радиоприемника.

Однако для определения пространственных координат объекта в пассивном режиме наблюдения необходимо знать радиальные дальности r₁ и r₂ до объекта. Способы [1-3] рассчитаны на активные радиосистемы с приемопередающими антеннами, где дальности определяются по временной задержке переданного сигнала, и не применимы для пассивных наблюдений.

Известен способ [4] для пассивной системы, состоящей из стереопары пространственно удаленных и взаимно ориентированных приемников, где дальности r₁ и r₂ определяются на основе ортов а₁ и а₂ векторов М₁=r₁а₁ и М₂=r₂а₂ направлений на объект. Орты находятся на основе измеренных в i-х приемниках (i=1, 2) угловых координат объекта ϕ_i, θ_i по формуле:

в местных системах координат O_i,X_i,Y_i,Z_i, где оси O_iZ_i направлены в сторону объекта, оси O_iX_i и O_iZ_i расположены в горизонтальной плоскости, ось O_iY_i - в вертикальной, угол ϕ_i отсчитывается от оси O_iZ_i в плоскости O_i,X_i,Z_i, угол θ_i - в вертикальной плоскости относительно O_i,X_i,Z_i.

Дальности r₁ и r₂ находятся из условия сопряжения векторов М₁ и М₂:

где - вектор а₂, пересчитанный в систему координат первого приемника; е - вектор ошибок сопряжения. Из (2) методом наименьших квадратов определяется вектор оценок дальностей до объекта:

Соединение двух подходов представляет сущность предлагаемого способа определения пространственных координат движущегося объекта. Рассмотрим в качестве прототипа способ [2], который применительно к пассивному наблюдению сводится к следующему.

1. Центры приемных элементов АР в плоскости антенны радиоприемника располагают в точках с координатами (x₁,y₁)=(d/2,0), (х₂,у₂)=(0, d/2), (х₃,у₃)=(-d/2,0), (х₄,у₄)=(0, -d/2), где d - базовое расстояние между центрами приемных элементов.

2. При данном направлении линии визирования антенны фиксируют поступление полезного сигнала s_q{t) на промежутке времени до момента прихода переотраженных сигналов одновременно в q-x приемных каналах: горизонтальном (для 1-го и 3-го приемных элементов) и вертикальном (для 2-го и 4-го приемных элементов).

3. Формируют в цифровой форме временные последовательности s_q(t_j), (n - число временных отсчетов), которые подвергают дискретному преобразованию Фурье (ДПФ). В результате преобразуются в комплексные спектры в q-x каналах,

4. Выделяют спектральные составляющие сигнала на доплеровской частоте ƒ_j, амплитуда которых превышает порог обнаружения полезного сигнала во всех q-x каналах.

5. Находят аргументы комплексных величин - фазы и вычисляют разности фаз по азимуту ϕ для горизонтальных каналов (q=1 и 3) и по углу места θ для вертикальных каналов (q=2 и 4):

Δψ_ϕ = ψ₁-ψ₃, Δψ_θ = ψ₂-ψ₄.

6. Для полученных разностей фаз вычисляют угловые координаты по формуле (λ - длина волны):

Недостаток данного способа заключается в том, что в пассивном режиме работы радиоприемника невозможно найти дальность r до объекта и определить его пространственные координаты.

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение этого недостатка, а именно на определение дальности до объекта в пассивном режиме работы радиоприемников и нахождение его пространственных координат.

Технический результат предлагаемого технического решения достигается применением способа определения пространственных координат движущегося объекта пассивной радиосистемой, который заключается в приеме радиосигнала отражения от объекта антенной радиоприемника с четырьмя приемными элементами, преобразовании этого сигнала в четырех измерительных каналах в спектральные последовательности на доплеровских частотах, выделении четырех спектральных составляющих на доплеровской частоте объекта, нахождении из них разностей фаз и вычислении угловых координат азимута и угла места положения объекта умножением найденных разностей фаз на известный коэффициент, отличающийся тем, что к первому радиоприемнику добавляют второй радиоприемник, пространственно удаленный и взаимно ориентированный с первым матрицей Р поворота осей и базовым вектором b, принимают в радиоприемниках радиосигнал, переданный отдельно расположенным радиопередатчиком и отраженный от объекта, выделяют из принятого сигнала спектральные составляющие на доплеровской частоте объекта в измерительных каналах, определяют из них разности фаз в горизонтальном и вертикальном каналах и умножением разностей фаз на известный коэффициент вычисляют угловые координаты азимута и угла места положения объекта в системах координат двух радиоприемников, после чего на основе найденных угловых координат определяют орты а₁ и а₂ векторов направлений на объект, преобразуют орт а₂ в орт умножением его слева на матрицу Р и вычисляют на основе координат двух векторов a₁, матрицу Н, далее умножают матрицу Н справа на базовый вектор b и получают вектор оценок дальностей r₁ и r₂ до объекта, затем умножают дальности на орты а₁, а₂ и находят векторы М₁=r₁а₁ и М₂=r₂а₂ пространственных координат объекта в системах координат двух приемников.

Алгоритмически способ сводится к следующему.

1. Размещают два взаимно удаленных и ориентированных в пространстве радиоприемника с антеннами в виде АР из четырех приемных элементов.

2. Радиопередатчик, расположенный отдельно от приемников, посылает в определенные моменты времени t периодический радиосигнал s(t) с известными параметрами в сторону области пересечения ДНА приемников, которую пересекает движущийся объект.

3. Радиоприемники принимают отраженные от объекта сигналы соответственно s₁(t) и s₂(t), которые в трактах первичной обработки преобразуются в цифровой форме во временные n-последовательности в q-х приемных каналах каждого i-го приемника (i=1, 2). Временные поледовательности преобразуются с помощью ДПФ в комплексные спектры на j-x доплеровских частотах

4. Выделяются комплексные спектральные составляющие и спектров, соответствующие доплеровской частоте движущегося объекта ƒ_j. Находятся аргументы комплексных величин - фазы и вычисляются разности фаз п азимуту ϕ для горизонтальных каналов (q=1, 3) и по углу места θ для вертикальных каналов (q=2, 4): Δψ_iϕ = ψ_i1-ψ_i3, Δψ_iθ = ψ_i2-ψ_i4, i=1, 2.

Для полученных разностей фаз находятся оценки угловых координат (4):

ϕ_i = kΔψ_iϕ, θ_i = kΔψ_iθ, k=λ/(πd), i=1, 2.

5. Для найденных угловых координат ϕ_i, θ_i, i=1, 2, определяются орты а₁ и а₂ векторов направлений на объект по формуле (1). Координаты орта второго приемника преобразуются в систему координат первого приемника умножением а₂ справа на матрицу Р поворота осей: Из координат двух векторов составляется матрица А по формуле (2) и вычисляется матрица Н по формуле (3).

6. Вычисляется вектор R оценок дальностей r₁ и r₂ до объекта умножением матрицы Н справа на базовый вектор b по формуле (3), и умножением ортов а₁, а₂ на дальности r₁, r₂ находятся векторы М₁=r₁а₁ и М₂=r₂а₂ пространственных координат объекта в системах координат двух приемников.

Предложенный способ, в отличие от активных радиотехнических систем, позволяет в пассивном режиме наблюдения за объектом определить дальности до объекта и его пространственные координаты на основе решения системы уравнений для сопряженных векторов направлений на объект.

Способ может найти применение в пассивных радиотехнических системах слежения за движущимися объектами.

Литература

1. Патент RU 2534224.

2. Патент RU 2572357.

3. Патент RU 2661913.

4. Патент RU 2681518.

Способ определения пространственных координат движущегося объекта пассивной радиосистемой, заключающийся в приеме радиосигнала отражения от объекта антенной радиоприемника с четырьмя приемными элементами, преобразовании этого сигнала в четырех измерительных каналах в спектральные последовательности на доплеровских частотах, выделении четырех спектральных составляющих на доплеровской частоте объекта, нахождении из них разностей фаз и вычислении угловых координат азимута и угла места положения объекта умножением найденных разностей фаз на известный коэффициент, отличающийся тем, что к первому радиоприемнику добавляют второй радиоприемник, пространственно удаленный и взаимно ориентированный с первым матрицей Р поворота осей и базовым вектором b, принимают в радиоприемниках радиосигнал, переданный отдельно расположенным радиопередатчиком и отраженный от объекта, выделяют из принятого сигнала спектральные составляющие на доплеровской частоте объекта в измерительных каналах, определяют из них разности фаз в горизонтальном и вертикальном каналах и умножением разностей фаз на известный коэффициент вычисляют угловые координаты азимута и угла места положения объекта в системах координат двух радиоприемников, после чего на основе найденных угловых координат определяют орты а₁ и а₂ векторов направлений на объект, преобразуют орт а₂ в орт умножением его слева на матрицу Р и вычисляют на основе координат двух векторов матрицу Н, далее умножают матрицу Н справа на базовый вектор b и получают вектор оценок дальностей r₁ и r₂ до объекта, затем умножают дальности на орты а₁, а₂ и находят векторы М₁=r₁a₁ и М₂=r₂a₂ пространственных координат объекта в системах координат двух приемников.