СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОРИЕНТАЦИИ ОБЪЕКТА Российский патент 1995 года по МПК B64G3/00 

Изобретение относится к радиолокационной технике и может быть использован при проектировании информационных систем для решения таких задач, как автоматическое причаливание и стыковка космических аппаратов в космосе, обеспечение оптимального пути захода судов в бухту, посадка самолетов на неподготовленные площадки и т.д.

Известны способы, использующие резонансную область частот излучаемого сигнала. Такие способы позволяют оценить форму и ракурс облучаемого объекта, но требуют наличия априорной информации об объекте и облучения его с разных сторон. Поэтому они в настоящее время не нашли своего применения.

Аналог-прототип используется для причаливания и стыковки космического корабля "Союз" со станцией "Мир".

В прототипе с объекта излучается сигнал, модулированный по амплитуде и частоте, при этом глубина амплитудной модуляции зависит от величины отклонения линии визирования (ЛВ) от продольной оси объекта, а в сигнале частотной модуляции заложена информация о направлении ее отклонения, сигнал принимают на "Союзе" и определяют интересующие углы отклонения ЛВ по курсу и тангажу от продольной оси данного объекта (станции "Мир").

Недостатком прототипа является то, что он не позволяет вести измерения при отсутствии активного ответа (излучения с исследуемого объекта).

Целью изобретения является осуществление измерения в условиях отсутствия активного ответа.

Это достигается за счет обеспечения когерентности излучаемого сигнала, отражения его на объекте и модулирования по фазе двумя парами законов модуляции с осуществлением временного сдвига между первыми законами по зависимости f₁ от величины отклонения линии визирования от продольной оси объекта по курсу ϑ и временного сдвига между вторыми законами по зависимости f₂ от величины отклонения по тангажу ν, обработки принятого сигнала методом синтезирования апертуры для каждого из четырех законов модуляции и выбора для рассмотрения перед определением временной задержки закона относительно самого себя максимального из накопленных сигнала для данного закона обработки: определения временных сдвигов между законами в парах и использования зависимостей f₁ и f₂ при определении ориентации данного объекта.

На фиг. 1 и 2 представлены геометрия измерений и устройство для осуществления способа соответственно.

Устройство содержит первый 1 и второй 2 уголковые отражатели, космический объект 3, местоположение 4 измерителя на продольной оси, местоположение 5 измерителя при ϑ 90^о, модулятор 6, радиолокационную станцию 7, канал 8 обработки сигнала по первому закону, канал 9 обработки сигнала по второму закону, канал 10 обработки сигнала по третьему закону, канал 11 обработки сигнала по четвертому закону, первое вычитающее устройство 12, блок 13 определения углового отклонения по курсу, второе вычитающее устройство 14, блок 15 определения углового отклонения по тангажу.

П р и м е р (см. фиг.1). Пусть отражатели 1 и 2 установлены на космическом объекте 3 и вращаются с угловой скоростью Ω в горизонтальной плоскости. Их облучают и принимают отраженный сигнал. В результате их вращения (движения относительно корпуса космического объекта 3) отраженный от них сигнал для измерителя 4 (наблюдателя), находящегося на продольной оси Х, приобретает дополнительный доплеровский сдвиг:
Δf_Д(t) cos(Ωt+ϕ_o) где V Ω R линейная скорость вращения уголковых отражателей;
R радиус их вращения;
ϕ_o угол в начальный момент времени в горизонтальной плоскости между осью Y и направлением на уголковый отражатель из точки 0 (начальная фаза).

Т.е. наблюдается фазовая модуляция отраженного сигнала
ΔΦ(t) sin(Ωt+ϕ_o)) причем она одинакова от действия каждого уголкового отражателя.

Если измеритель 4 находится в точке 5, то от действия уголкового отражателя 1 закон изменения частоты и фазы
Δf_Д1(t) sin(Ωt+ϕ_o)
ΔΦ₁(t) cos(Ωt+ϕ_o) соответственно, а для второго уголкового отражателя закон изменения частоты и фазы будет несколько иным
Δf_Д2(t) (-sin(Ωt+ϕ_o))
ΔΦ₂(t) cos(Ωt+ϕ_o) соответственно. Для обработки желательно (для большей чувствительности измерений), чтобы было как можно больше,
K так, чтобы К π реально, например, иметь R 15,7 см и λ 10 см.

Таким образом видно, что законы модуляции сместились на 180^оотносительно друг друга, в то время как угол между измерителем в точке 5 и продольной осью Х относительно начала системы координат объекта в точке 0 составляет 90^о. Обобщая отметим, что при угле ϑ углового отклонения измерителя относительно строительной оси Х законы смещаются на этот же угол ϑ но в разные "стороны", т.е. фазовый сдвиг между ними будет составлять 2 ϑ
Но в таком случае необходимо знать какой, из принятых сигнал отражен от первого, а какой от второго уголкового отражателя, так как без этого возникает неоднозначность измеренного угла, он может быть измерен с точностью наоборот, так как неизвестно из фазы какого из них вычитается другой. Различать сигналы можно либо по амплитуде, увеличив эффективную площадь отражения одного из отражателей, либо по поляризации, поворачивая ее на одном из них, либо по частоте модулирующего сигнала фазы (частоты), вращая один с частотой Ω₁ другой Ω₂ либо по частоте огибающей принятого сигнала, применяя, как в примере, уголковые отражатели и т.д.

Предлагается различать сигналы по частоте сигнала фазовой (частотной) модуляции. При отражении вдоль задаваемой (продольной) оси первый закон модуляции описывается формулой
Δ Φ₁ Кsin( Ω₁t + ϕ₀₁ ), (1) второй закон модуляции описывается формулой:
Δ Φ₂ Ksin( Ω₂ t + ϕ₀₂ ) (2) где Ω₁,Ω₂ частота вращения первого и второго отражателей, соответственно;
ϕ₀₁, ϕ₀₂ начальная фаза вращения первого и второго отражателей соответственно.

При приеме отраженного сигнала по ЛВ, составляющей угол с заданной осью эти законы модуляции, описываются следующими формулами:
Δ Φ₁ (t) Ksin( Ω₁ (t-t_p) + ϕ₀₁ ϑ );
Δ Φ₂ (t) Ksin( Ω₂ (t-t_p) + ϕ₀₂ + ϑ )' где t_p задержка законов при распространении сигналов от объекта до измерителя;
ϑ смещение начальной фазы каждого закона из-за наличия угла ϑ
Законы модуляции смещаются относительно самих себя, первый на фазу ϑ второй на фазу ϑ Чтобы определить угол, можно найти разность между фазовым сдвигом второго закона относительно самого себя и фазовым сдвигом первого закона также относительно самого себя Δ ϕ ϕ₀₂ Ω₂ t_p + ϑ ( ϕ₀₁ Ω₁ t_p 2 ϑ + t_p ( Ω₁ Ω₂ ) + ϕ₀₂ ϕ₁ )
Вторым слагаемым можно пренебречь ввиду малости t_p. а можно и учесть по задержке принятого сигнала относительно излученного. Таким образом угол курса по измеренному взаимному сдвигу законов определяется формулой
Ψ
Величину t_p можно также исключить, если сравнивать принятые сигналы не по фазе, а по времени. Для этого найти временной сдвиг первого закона относительно самого себя t_c1 и временной сдвиг второго закона относительно самого себя t_c2. Эти смещения можно определить, применяя методы обработки сигнала при синтезировании апертуры антенны радиолокатора, где используется линейный, проходящий через ноль, закон изменения доплеровского сдвига частоты отраженного сигнала (по фазе этот закон квадратичный).

В данном примере для определения временного сдвига закона модуляции необходимо вновь модулировать уже принятый сигнал по тому же закону модуляции, но с обратным знаком и с различными временными сдвигами относительно опорного (того, который наблюдается на продольной оси, ϑ= 0, с точки, близкой к т.0, t_p 0, этот закон задан). Покажем это на примере обработки сигнала по первому закону, связанному с первым отражателем. Результирующая фаза, образованная двумя модуляциями (при отражении и после приема)
Φ_p= Ksint-t+ϕ₀₁--sint+ϕ₀₁+Ω₁t
2Ksint+ϕ₀₁+ sin
Анализируя полученное выражение, можно заключить, что эта фазовая добавка равна нулю, а значит сигнал после вторичной модуляции будет синфазным, если второй синус в формуле также будет равен нулю. Иначе будет присутствовать гармоническое изменение от первого синуса. Этот сигнал, как и при синтезировании апертуры, накапливают. Чем больше число К, равное , тем легче при малых значениях ϑ будет выделить максимальный сигнал. Очевидно, что сигнал за период накопления Т будет максимальным при синфазности, т.е. (см. второй синус) при
t_c1= -t_p- T
Таким образом, для определения временного сдвига закона относительно самого себя к обработке по методу синтезирования добавляют операцию сравнения полученных накопленных сигналов и выбора той выполненной при модуляции временной задержки эталонного закона, при которой накопленный сигнал максимален. В предлагаемом способе отсутствует миграция дальности, которую необходимо учитывать, как это делается при синтезировании, так как в данном случае отсутствует взаимное движение объектов, связанное с наличием используемого доплеровского сдвига, иначе отражатели не выходят за пределы элемента разрешения по дальности. Что касается формы отражателей, то и желательно их для увеличения отношения сигнал/(шум + мешающие отражения от корпуса объекта) выполнить с равной в плоскости вращения эффективной поверхностью отражения (шарообразные, из набора уголковых отражателей и пр.).

Аналогично измеряется временной сдвиг второго закона относительно самого себя, он описывается формулой
t_c2= -t_p+
Затем определяется разность полученных (измеренных) сдвигов
Δt_Ψ t_c2-t_c1= t_p+ + t_p+ Ψ
И угол курса определяется по формуле
Ψ Δt_Ψ
В этом случае на приемной стороне для определения t_c1 и t_c2необходимо знать законы модуляции (1,2), из которых Ω₁ и Ω₂используются для определения ϑ
Этот вариант более приемлем, так как временные сдвиги рассматривают для любых законов модуляции, в то время, как фазовые относятся только к гармоническим.

Таким образом, предлагается следующая последовательность операций. Для определения угла курсаϑ
излучают когерентный сигнал;
отражают его на объекте, модулируют по фазе двумя законами Z1 и Z2 и осуществляют временной сдвиг между ними по заданной зависимости f1 от угла отклонения ЛВ от продольной оси по курсу ϑ
принимают отраженный сигнал;
измеряют временные сдвиги известных законов Z1 и Z2 относительно самих себя;
определяют разность найденных сдвигов;
затем по известной зависимости f₁1 определяют угол отклонения ЛВ от продольной оси объекта по курсу.

Для определения углового отклонения по тангенсу ν выполняют аналогичные операции с использованием законов Z3 и Z4, а также зависимости 2, связывающей их взаимный временной сдвиг с интересующим углом.

Приведем отмеченные законы и зависимости при использовании гармонических законов
Z1 Ksin( Ω₁ t + ϕ₀₁);
Z2 Ksin( Ω₂ t + ϕ₀₂);
Z3 Ksin( Ω₃ t + ϕ₀₃ );
Z4 Ksin( Ω₄ t + ϕ₀₄);
Δt_Ψ f₁(Ψ) Ψ
Δt_υ f₂(υ) υ
Устройство (см. фиг.2) содержит модулятор 6, радиолокационную станцию 7, соединенные с ее выходом четыре канала: обработки сигнала по первому закону 8, обработки сигнала по второму закону 9, обработки сигнала по третьему закону 10 и обработки сигнала по четвертому закону 11, соединенные с выходом первого канала с выходом второго канала первое вычитающее устройство 12 и последовательно соединенный с ним блок определения углового отклонения по курсу 13, соединенное с выходом третьего и выходом четвертого канала второе вычитающее устройство 14 и последовательно соединенный с ним блок определения углового отклонения по тангенсу 15.

Модулятор 6 может быть выполнен по примеру, показанному на фиг.1, с добавлением третьего и четвертого отражателей для измерения углового отклонения ЛВ, по тангенсу, вращающиеся в вертикальной плоскости. Радиолокационная станция 7 реализует активную радиолокацию и совместно с любым из четырех каналов представляет собой радиолокационную станцию с синтезированием апертуры (РСА), с тем лишь отличием, что в РСА используется линейный проходящий через ноль доплеровский сдвиг частоты и соответственно квадратичное изменение фазы принятого сигнала с получением на выходе временной задержки функции доплеровского сдвига (или фазовой зависимости) относительно самой себя, по которой в РСА судится об азимуте отражающей точки. В предлагаемом устройстве в каждом i-ом (i 1,4) канале обнаруживается только один временной сдвиг (т. к. существует только один отраженный сигнал с изменением фазы по ожидаемому закону и он после обработки, накопленный, будет максимальным). Первое 12 и второе 14 вычитающие устройства выполняют следующие вычисления:
Δ t_ϑ t_c2 t_c1 Δ t_ν t_c4 t_c3 соответственно. Блок определения углового отклонения по курсу 13 использует формулу
Ψ Δt_Ψ
А блок определения углового отклонения по тангенсу 15 формулу:
υ Δt_υ
Таким образом, осуществление четырех модуляций отражающего сигнала по законам, сдвинутым в первой и во второй паре относительно друг друга в зависимости от величины отклонения ЛВ от продольной оси по курсу и тангенсу соответственно, определение максимальных накопленных сигналов после обработки методом синтезирования апертуры по каждому закону модуляции: определение разностей соответствующих этим сигналам временных задержек законов относительно самих себя в первой и второй парах позволяет по полученным разностям определить угловое отклонение ЛВ от продольной оси по курсу и тангажу.

Изобретение относится к радиолокационной технике и может быть использовано при проектировании информационных систем для решения таких задач, как автоматическое причаливание и стыковка космических аппаратов, обеспечение оптимального пути захода судов в бухту, посадка самолетов на неподготовленные площадки и т.д. Цель изобретения - осуществление измерения угловых отклонений линии визирования от продольной оси интересующего объекта в условиях отсутствия активного ответа. Цель изобретения достигается за счет обеспечивания когерентности излучаемого сигнала, отражения его на объекте и модулирования по фазе двумя парами законов модуляции с осуществлением временного сдвига между первыми законами по первой зависимости от величины отклонения по тангажу, обработки принятого сигнала методом синтезирования апертуры для каждого из четырех законов модуляции и выбора для рассмотрения перед определением временной задержки закона выбора для рассмотрения перед определением временной задержки закона относительно самого себя максимального из накопленных сигнала для данного закона обработки: определения временных сдвигов между законами в парах и использования первой и второй зависимостей при определении ориентации данного объекта. В качестве одного из вариантов предложено использовать гармонические законы модуляции фазы. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОРИЕНТАЦИИ ОБЪЕКТА, заключающийся в приеме на измерительном пункте электромагнитного излучения, промодулированного в зависимости от угловой ориентации объекта относительно направления линии визирования, демодуляции принятого излучения и определении углов ориентации объекта, отличающийся тем, что электромагнитное излучение формируется когерентным и отраженными от объекта с помощью излучателя, установленного на данном объекте, а его модуляция осуществляется частотно-фазовой одновременно в соответствии с четырьмя попарно зависимыми законами, при этом обеспечивается отличие первой пары законов модуляции в сдвиге начальной фазы между ними на угол, равный удвоенному отклонению направления линии визирования от продольной оси объекта по курсу, и допускается отличие каждого закона относительно самого себя на любое неизвестное, но равное время, а для второй пары законов обеспечивается наряду с аналогичным сдвигом по времени аналогичный сдвиг фазы, соответствующий удвоенному отклонению по тангажу, после демодуляции принятого сигнала производится идентификация составляющих принятого сигнала, определение искомых углов ориентации осуществляется на основе попарно совместной обработки сигналов. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при демодуляции используют те же четыре закона модуляции с нулевыми начальными фазовыми сдвигами между законами в парах и с различными временными сдвигами каждого закона. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при идентификации составляющих принятого сигнала осуществляют когерентное накопление сигналов отдельно для каждого закона и каждого его временного сдвига, для каждого закона сравнивают результаты накопления и определяют максимальный из них. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при попарно совместной обработке сигналов определяют временные сдвиги законов модуляции идентифицированных составляющих принятого сигнала, определяют разность временных сдвигов законов в парах, после чего определяют искомые углы ориентации объекта. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что четыре попарно зависимых закона выбирают гармоническими и различающимися между собой значениями циклической частоты. 6. Способ по пп.1 и 5, отличающийся тем, что при определении углов ориентации объекта разность временных сдвигов соответствующей пары законов умножают на производные и делят на сумму ее циклических частот.