СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА ВСТРЕЧИ АКТИВНОГО РАДИОЛОКАТОРА С СОСРЕДОТОЧЕННОЙ ВОЗДУШНОЙ ЦЕЛЬЮ Российский патент 2006 года по МПК G01S13/02 

Изобретение относится к ближней радиолокации и может использоваться для измерения угла встречи летательного аппарата с сосредоточенной воздушной целью в устройствах автономного управления движением взаимодействующих объектов на ограниченных расстояниях.

В настоящее время в устройствах автономного управления движением двух взаимодействующих объектов на ограниченных расстояниях для оценки взаимного угла встречи (например, при управлении встречей космических объектов с целью стыковки, аварийной помощи, управлении механизмом самого объекта для достижения конечной цели - приведения в рабочее состояние стыковочных устройств, для запуска тормозных двигателей, выдачи команд в систему телеметрии; другой пример - при сближении двух самолетов с целью дозаправки одного из них топливом и т.п.) используются, наряду с другими, устройства ближней радиолокации [1].

Один из возможных способов измерения угла встречи летательного аппарата с сосредоточенной воздушной целью заключается в измерении разности времени прихода от одного из них отраженного радиолокационного сигнала на три разнесенные антенны, при этом определяется, в каком из четырех квадрантов (переднем, заднем, правом или левом) находится контролируемый летательный аппарат. Подобная система определения угла положения летательного аппарата использована, например, в системе YG-1081 [2, 3]. Такой способ обладает рядом существенных недостатков, к которым в первую очередь относятся: необходимость разноса четырех антенных систем; малость измеряемых величин разности времени прихода сигнала накладывает жесткие требования на тракт передачи сигнала от антенны до измерительного устройства в отношении набега временных задержек и фиксации уровня начала отсчета. Кроме того, знание квадранта, в котором находится второй летательный аппарат, является недостаточным для точной оценки угла встречи двух объектов.

Известны и другие способы измерения угла встречи летательного аппарата с сосредоточенной воздушной целью [4], которые основаны на сканировании цели остронаправленной антенной системой. Основным недостатком таких способов является громоздкость остронаправленной антенной системы, что в практической реализации не позволяет их реализовать в конструкциях автономных устройств ограниченного объема, выполняющих функции управления движением взаимодействующих объектов на ограниченных расстояниях.

Наиболее близким способом измерения угла встречи активного радиолокатора с сосредоточенной воздушной целью является способ измерения угла встречи активного радиолокатора летательного аппарата с распределенной поверхностью, основанный на многоканальном приеме отраженного от распределенной поверхности сигнала и выделении в каждом канале изочастотных сигналов доплеровской частоты, а по эксцентриситету изочастотных линий определяется искомый параметр пространственного движения объектов [4]. Однако данный способ реализуем только при отражении сигналов от распределенной (земной) поверхности, так как он предполагает определение углов подхода к такой поверхности по изочастотным линиям частот Доплера, образованных радиолокационными сигналами, отраженными от распределенной поверхности.

Техническим результатом предлагаемого способа измерения угла встречи активного радиолокатора с сосредоточенной воздушной целью является простота технической реализации измерений в ограниченных объемах автономных устройств управления движением взаимодействующих объектов на ограниченных расстояниях.

Технический результат способа достигается тем, что для измерения угла встречи активного радиолокатора с сосредоточенной воздушной целью слабонаправленную антенну летательного аппарата устанавливают относительно строительной оси в переднюю полусферу, излучают радиосигнал, принимают отраженный радиосигнал от поверхности сосредоточенной воздушной цели и измеряют дальности и частоты Доплера в устанавливаемое исходное отсчетное время, в первый дискретный период времени регистрируют одновременно первую дальность до наблюдаемого объекта и первую частоту Доплера, во второй дискретный период времени регистрируют одновременно вторую дальность до наблюдаемого объекта и вторую частоту Доплера, определяют отношение первой и второй дальности, а угол встречи активного радиолокатора летательного аппарата с сосредоточенной воздушной целью определяется по формуле:

где R₁ - величина первой дальности до наблюдаемого объекта,

R₂ - величина второй дальности до наблюдаемого объекта,

F_∂1 - первая частота Доплера,

F_∂2 - вторая частота Доплера.

При измерении угла встречи активного радиолокатора с сосредоточенной воздушной целью на ограниченных расстояниях принимается, что в период проводимых измерений скорости движения активного радиолокатора V_арл и сосредоточенной воздушной цели V_ц являются постоянными величинами, так что относительная скорость «активный радиолокатор - цель» V_арл-ц также будет постоянной величиной, которую обозначим

V=V_арл-ц=const

Примерное условие встречи активного радиолокатора с сосредоточенной воздушной целью в системе прямоугольных координат X, O, Y изображено на фиг.1. Движение наблюдаемого объекта относительно положения радиолокатора осуществляется прямолинейно, например, по траектории АБ (фиг.1).

Работа предлагаемого устройства заключается в следующем.

В установленное исходное время первого отсчета, например t₁, положение радиолокатора находится в точке О, цель находится в точке Ц (t₁) на расстоянии R₁ от положения радиолокатора. К моменту времени второго отсчета, например t₂, цель с постоянной скоростью V переместится относительно положения радиолокатора в точку Ц (t₂), находящуюся от радиолокатора на расстоянии R₂. В точке Ц (t₁) радиальная составляющая скорости V будет V_r1, а в точке Ц (t₂) эта составляющая станет величиной V_r2. Так как при постоянной скорости V радиальные составляющие этой скорости связаны с углом α, образующимся радиус-вектором дальности положения радиолокатора R и направлением вектора скорости движения цели V, тогда из фиг.1 следует

; ;

т.к. V=const, то

С учетом теоремы синусов [6]

имеем

Обозначив

из формулы (2) получим

Из (1) следует

Заменим cos²α=1-sin²α

Тогда с учетом формул (1)-(4) получим

откуда ,

откуда получим

Радиальная составляющая скорости может быть определена через доплеровскую частоту по формуле [1]:

где λ - длина радиоволны.

Тогда искомый угол встречи активного радиолокатора с сосредоточенной воздушной целью α₁ представится в виде:

где R₁ - величина первой дальности до наблюдаемого объекта,

R₂ - величина второй дальности до наблюдаемого объекта,

F_∂1 - первая частота Доплера,

F_∂2 - вторая частота Доплера.

Способ измерения угла встречи летательного аппарата с сосредоточенной воздушной целью заключается в следующем:

1) слабонаправленную антенну летательного аппарата устанавливают относительно строительной оси в переднюю полусферу,

2) излучают радиосигнал,

3) принимают отраженный радиосигнал от поверхности сосредоточенной воздушной цели,

4) измеряют дальность в первый дискретный период времени,

5) измеряют частоту Доплера в первый дискретный период времени,

6) измеряют дальность во второй дискретный период времени,

7) измеряют частоту Доплера во второй дискретный период времени,

8) определяют отношение первой и второй дальности,

9) угол встречи активного радиолокатора летательного аппарата с сосредоточенной воздушной целью определяется по формуле:

где R₁ - величина первой дальности до наблюдаемого объекта,

R₂ - величина второй дальности до наблюдаемого объекта,

F_∂1 - первая частота Доплера,

F_∂2 - вторая частота Доплера.

Устройство для измерения угла встречи летательного аппарата с сосредоточенной воздушной целью в общем виде можно представить как двухканальное устройство, в котором в два момента времени один канал измеряет расстояния от радиолокатора до цели, а второй канал измеряет частоты Доплера, пропорциональные радиальным составляющим скорости перемещения цели относительно радиолокатора. По двум измеренным дальностям и частотам Доплера вычисляется угол встречи летательного аппарата с сосредоточенной воздушной целью.

На фиг.2 представлен вариант устройства, реализующего зависимость (7).

На фиг.2 обозначено:

1 - генератор;

2 - модулятор;

3 - первый усилитель мощности;

4 - сумматор;

5 - циркулятор;

6 - приемопередающая антенна;

7 - второй усилитель мощности;

8 - смеситель;

9 - фильтр доплеровских частот;

10 - преобразователь частоты;

11 - детектор;

12 - регистратор скорости;

13 - регистратор дальности;

14 - тактовый генератор;

15 - вычислитель угла подхода.

Генератор 1 формирует непрерывный сигнал, который преобразовывается в импульсы в модуляторе 2, затем усиливается в первом усилителе мощности 3, поступает на первый вход сумматора 4 и излучается слабонаправленной приемопередающей антенной 6 через циркулятор 5. От генератора 1 непрерывный сигнал поступает также на второй усилитель мощности 7, с которого сигнал поступает на второй вход сумматора 4 и также излучается слабонаправленной приемопередающей антенной 6 через циркулятор 5. Отраженный от цели сигнал поступает через приемопередающую антенну 6 и циркулятор 5 на сигнальный вход смесителя 8, на первый гетеродинный вход которого сигнал поступает с выхода генератора 1, а на второй гетеродинный вход сигнал поступает с выхода усилителя мощности 3. С выхода смесителя 8 сигнал поступает на фильтр доплеровских частот 9, а оттуда поступает на регистратор скорости 12, с которого сигнал, пропорциональный частоте Доплера, поступает на первый вход вычислителя угла подхода 15. С выхода смесителя 8 сигнал поступает также на преобразователь частоты 10, откуда преобразованный сигнал через детектор 11 поступает на регистратор дальности 13, с выхода которого сигнал, пропорциональный дальности, поступает на второй вход вычислителя угла подхода 15. Регистратор скорости 12, регистратор дальности 13 и вычислитель угла подхода 15 управляются тактовым генератором 14. Вычислителем угла подхода 15 вычисляется угол встречи летательного аппарата с сосредоточенной воздушной целью по формуле:

где R₁ - величина первой дальности до наблюдаемого объекта,

R₂ - величина второй дальности до наблюдаемого объекта,

F_∂1 - первая частота Доплера,

F_∂2 - вторая частота Доплера.

Предлагаемый способ измерения угла встречи активного радиолокатора с сосредоточенной воздушной целью отличается от известного простотой технической реализации измерений в ограниченных объемах автономных устройств управления движением взаимодействующих объектов на ограниченных расстояниях.

Источники информации

1. Коган И.М. Ближняя радиолокация (теоретические основы). - М.: Сов. радио, 1973, 272 с.

2. Колчинский В.Е., Мандуровский И.А., Константиновский М.И. Автономные доплеровские устройства и системы навигации летательных аппаратов. - М.: Сов. радио, 1975, 432 с.

3. Индикатор сближений YG-1054 в публикациях:

1) The с band pulse beacon ranging system. - "Aircraft Engineering", 1972, v.44, №2.

2) System for collision avoidance thought - avionic observation of intruder danger (AVOID). "Information paper for seventh ICAO air Navigation conference". Montreal, Canada, 5-29 April, 1972.

3) Parkinson R.E. The case for time-frequency collision avoidance. - «ICAO Bull.», 1973, v.28, №11.

4. Радиолокационные устройства (теория и принципы построения). Авт. Васин В.В., Власов О.В., Григорий-Рябов В.В., Дудник П.И., Степанов Б.М. - М.: Сов. радио, 1970, с.393-405.

Предлагаемый способ измерения угла встречи активного радиолокатора с сосредоточенной воздушной целью является простым в технической реализации измерений применительно к устройствам управления движением взаимодействующих объектов на ограниченных расстояниях. Технический результат способа достигается тем, что для измерения угла встречи активного радиолокатора с сосредоточенной воздушной целью излучают радиосигнал слабонаправленной антенной, принимают отраженный радиосигнал от поверхности сосредоточенной воздушной цели и измеряют дальности и частоты Доплера в устанавливаемое исходное отсчетное время, в первый дискретный период времени регистрируют одновременно первую дальность до наблюдаемого объекта и первую частоту Доплера, во второй дискретный период времени регистрируют одновременно вторую дальность до наблюдаемого объекта и вторую частоту Доплера, определяют отношение первой и второй дальности, а угол встречи активного радиолокатора летательного аппарата с сосредоточенной воздушной целью определяется по формуле:

где R₁ - величина первой дальности до наблюдаемого объекта, R₂ - величина второй дальности до наблюдаемого объекта, F_∂1 - первая частота Доплера, F_∂2 - вторая частота Доплера. 2 ил.

Способ измерения угла встречи активного радиолокатора летательного аппарата с сосредоточенной воздушной целью, основанный на излучении радиосигнала, приеме отраженного радиосигнала сигнала от поверхности сосредоточенной воздушной цели и измерении между ними дальности и частот Доплера, отличающийся тем, что слабонаправленную антенну летательного аппарата устанавливают относительно строительной оси в переднюю полусферу, устанавливают исходное отсчетное время, в первый дискретный период времени регистрируют одновременно первую дальность до наблюдаемого объекта и первую частоту Доплера, во второй дискретный период времени регистрируют одновременно вторую дальность до наблюдаемого объекта и вторую частоту Доплера, вычисляют отношение первой ко второй дальности, а угол встречи активного радиолокатора летательного аппарата с сосредоточенной воздушной целью определяется по формуле

где R1 - величина первой дальности до наблюдаемого объекта;

R2 - величина второй дальности до наблюдаемого объекта;

F_∂1 - первая частота Доплера;

F_∂2 - вторая частота Доплера.