СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ БОРТОВОЙ ПАССИВНОЙ СИСТЕМОЙ НАБЛЮДЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ДВИЖУЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА И ДАЛЬНОСТИ ДО НЕГО Российский патент 2010 года по МПК G01S13/02 

Изобретение относится к пассивным бортовым системам наблюдения за движущимися объектами на поверхности. Такие системы принимают сигналы излучения в различных диапазонах частот: радиолокационном (радиолокационные станции - РЛС и тепловые РЛС - РТЛС), инфракрасном (сканеры), оптическом (матричные видеодатчики и видеокамеры).

При слежении за движущимися объектами на поверхности с помощью бортовых РТЛС или видеодатчиков возникает задача измерения пространственных перемещений контролируемого объекта на поверхности и дальности до него. Решение этой задачи актуально в связи с созданием пассивных систем сопровождения объектов с построением траекторий их движения.

Известен интерферометрический способ измерения угловой скорости одиночного воздушного объекта с помощью РТЛС [1, с.163-164], который может быть использован также для измерения перемещений объекта при выполнении следующих условий:

- известна дальность до объекта;

- наблюдается одиночный воздушный объект;

- на промежутке времени наблюдения дальность до объекта не меняется;

- объект проходит лепесток интерферометрической диаграммы направленности в известной плоскости.

Следовательно, для измерения перемещений объекта на поверхности в произвольном направлении при заранее не известной дальности такой способ не применим.

Наиболее близким по технической сущности является способ наблюдения за поверхностью и объектами на поверхности [2] на базе бортовой РЛС, применимый также для бортовых РТЛС, который основан на формировании матрицы A(i, j) двумерного амплитудного изображения поверхности в зоне обзора в i, j-x элементах дискретизации угла места и азимута в известном сечении (диапазоне) дальности с повышенным разрешением по угловым координатам. Способ позволяет в последовательности моментов времени наблюдения t₁, …, t_µ формировать последовательность матриц A₁(i, j), …, A_µ(i, j) изображения поверхности, в составе которых находится изображение объекта, подлежащего сопровождению. Однако применительно к пассивным системах наблюдения (тепловым и оптическим) такой способ обладает недостатком - он не позволяет измерить дальность до движущегося объекта на поверхности в этих системах и соответственно не дает возможность измерить пространственные перемещения объектов, что значительно затрудняет решение задачи сопровождения объектов.

Технический результат направлен на измерение пространственных перемещений объекта на поверхности и дальности до объекта.

Технический результат предлагаемого технического решения достигается тем, что способ измерения перемещений и дальности до движущегося объекта на поверхности бортовой пассивной системой наблюдения заключается в формировании в последовательности моментов времени наблюдения t₁, …, t_µ матриц A₁(i, j), …, A_µ(i, j) двумерного амплитудного изображения поверхности в i, j-x элементах дискретизации угла места и азимута, (где i, j - номер элемента матрицы, µ - число наблюдений), отличающийся тем, что в каждый момент наблюдения t_k(k=1, 2, …, µ) выделяют в матрице A_k(i, j) изображение объекта, определяют угловые координаты точки его центра С_k: угол места θ_k и азимут φ_k и находят единичный вектор

указывающий направление из точки О_k центра системы наблюдателя в точку М_k положения объекта на поверхности в момент t_k, затем с помощью навигационной системы измеряют высоту наблюдателя h_k над уровнем поверхности и определяют единичный вектор нормали к поверхности , делят высоту на модуль скалярного произведения векторов и тем самым вычисляют дальность R_k до объекта в момент t_k:

далее, начиная с момента t₂, определяют вектор перемещения наблюдателя на промежутке [t_k-1, t_k], пересчитывают координаты вектора на момент t_k с использованием данных навигационной системы о повороте осей и параллельном переносе системы координат наблюдателя и находят по правилу сложения векторов вектор

перемещения наблюдаемого объекта на промежутке [t_k-1, t_k], затем, если длина найденного вектора перемещения превышает заданную величину, дальность до объекта R_k вычисляют вторым способом из условия перпендикулярности векторов и по формуле

а если меньше заданной величины (близка к нулю), то дальность R_k вычисляют по теореме синусов для треугольника М_kО_k-1О_k, построенного на векторах , , , по формуле

где при этом найденные дальности усредняют и в конечный момент времени t_µ последовательно для k=1, 2, …, µ восстанавливают все точки М₁, М₂, …, М_µ перемещения объекта на поверхности в системе координат наблюдателя на момент времени t_µ и строят по найденным точкам пространственную траекторию движения объекта, необходимую для его дальнейшего сопровождения.

Алгоритмически способ осуществляется следующим образом.

1. Последовательно в дискретные моменты времени наблюдения t₁, …, t_µ формируются матрицы амплитудного изображения поверхности A₁(i, j), …, A_µ(i, j) в i, j-x элементах дискретизации угла места и азимута с повышенным разрешением по угловым координатам.

2. В каждый момент времени наблюдения t_k (k=1, 2, …, µ) выполняются следующие операции.

2.1. В текущей матрице A_k(i, j) выделяется изображение объекта и определяются угловые координаты точки его центра С_k: азимут φ_k и угол места θ_k, отсчитываемые соответственно на осях O_kx_k и O_ky_k прямоугольной системы координат наблюдателя

O_kx_ky_kz_k. Причем линия визирования пассивной системы в момент t_k направлена по оси O_kz_k, угол места θ_k отсчитывается от плоскости O_kx_kz_k, а азимут φ_k - от оси O_kz_k в плоскости O_kx_kz_k.

2.2. На основе угловых координат θ_k, φ_k центра C_k изображения объекта находится единичный вектор в системе координат наблюдателя, указывающий направление из точки O_k центра этой системы в точку М_k положения объекта на поверхности в момент t_k по формуле

2.3. С помощью навигационной системы измеряется высота наблюдателя h_k над уровнем поверхности и определяется единичный вектор нормали к поверхности .

2.4. Из прямоугольного треугольника , где - проекция точки O_k на поверхность и , находится дальность R_k=O_kM_k до объекта в момент t_k с помощью модуля скалярного произведения векторов и (косинуса угла между этими векторами) по формуле

3. Для моментов времени наблюдения t_k (k=2, 3, …, µ), начиная с t₂, выполняются следующие операции.

3.1. На основе данных навигационной системы об углах поворота осей α, β, γ и приращениях параллельного переноса Δx, Δу, Δz в системе O_k, x_k, y_k, z_k составляется вектор перемещения наблюдателя на промежутке и пересчитываются координаты вектора найденного по формуле (1) в момент t_k-1, в систему O_k, x_k, y_k, z_k на момент времени t_k по формуле (3). Получается вектор который далее обозначается

3.2. Находится вектор перемещения наблюдаемого объекта на промежутке

[t_k-1, t_k] по правилу сложения векторов

Признаком перемещения объекта на поверхности на промежутке времени [t_k-1, t_k] является ненулевая длина вектора или с учетом ошибок измерения - длина вектора, превышающая некоторое пороговое значение.

3.3. Если длина найденного вектора перемещения превышает заданную величину, то дальность до объекта R_k вычисляется вторым способом из условия перпендикулярности векторов и (равенства нулю их скалярного произведения) по формуле

Из (5) следует, что чем больше вектор перемещения наблюдателя , имеющий аддитивную погрешность, тем меньше влияние мультипликативных ошибок измерения R_k-1 на точность измерения R_k.

3.4. Если длина меньше заданной величины (близка к нулю), то дальность

R_k вычисляется вторым способом по теореме синусов для треугольника М_kO_k-1O_k с внутренними углами α, β, γ (γ=π-α-β), построенного на векторах , ,

Из (6) следует, что с уменьшением угла α между векторами и возрастают ошибки измерения R_k. Следовательно, как и в (5), наблюдение в (6) целесообразно проводить при больших перемещениях носителя пассивной системы.

3.5. Найденные дальности (2), (5) и (2), (6) для уменьшения влияния ошибок навигационной системы усредняются.

4. В конечный момент времени t_µ на основе известных координат начальной точки М₁, радиусом-вектором которой на момент t₁ был вектор и на основе запомненных преобразований координат последовательно для k=1, 2, …, µ восстанавливаются все точки M₁, M₂, …, M_µ перемещения объекта на поверхности в системе координат наблюдателя О_µx_µy_µz_µ, на момент времени t_µ.

5. По найденным точкам М₁, М₂, …, М_µ строится траектория движения объекта, необходимая для его дальнейшего автосопровождения и экстраполяции координат на моменты времени t_k>t_µ.

На чертеже показаны векторы перемещения наблюдателя и объекта на поверхности а также векторы направленные в точки М₁, М₂ его положения на поверхности в моменты времени t₁, t₂.

Предложенный способ позволяет измерять пространственные перемещения объекта на поверхности с измерением дальности до него. Это дает возможность на базе пассивных радиолокационных, тепловых и оптических систем слежения за объектами строить пространственную траекторию движения объекта наблюдения, необходимую для его дальнейшего автосопровождения.

Список литературы

1. Николаев А.Г., Перцов С.В. Радиотеплолокация. М.: Сов. радио, 1964. 335 с.

2. Патент RU 2292060 С1. Способ наблюдения за воздушными объектами и поверхностью на базе бортовой РЛС. / В.К.Клочко. МПК: G01S 13/02. Приоритет 28.06.2005. Опубл. 20.01.2007. Бюл. №2.

Изобретение относится к пассивным бортовым системам наблюдения за движущимися объектами на поверхности. Указанные системы принимают сигналы излучения в различных диапазонах частот: радиолокационном (радиолокационные станции - РЛС и тепловые РЛС - РТЛС), инфракрасном (сканеры), оптическом (матричные видеодатчики и видеокамеры). Достигаемый технический результат заключается в измерении пространственных перемещений объекта на поверхности и дальности до объекта. Заявленный способ заключается в формировании в последовательности моментов времени наблюдения матриц двумерного амплитудного изображения поверхности в элементах дискретизации угла места и азимута, при этом в каждый момент наблюдения выделяют в матрице изображение объекта и находят вектор, указывающий направление на объект, затем измеряют с помощью навигационной системы положение и перемещение наблюдателя и определяют дальность до объекта, а в конечный момент времени наблюдения на основе запомненных преобразований координат восстанавливают все точки перемещения объекта на поверхности, дающие траекторию его движения, необходимую для дальнейшего автосопровождения. 1 ил.

Способ измерения бортовой пассивной системой наблюдения перемещений движущегося объекта и дальности до него, заключающийся в формировании в последовательности моментов времени наблюдения t₁, …, t_µ матриц A₁(i,j), …, A_µ(i,j) двумерного амплитудного изображения поверхности в i,j-x элементах дискретизации угла места и азимута, (где i,j - номер элемента матрицы, µ - число наблюдений), отличающийся тем, что в каждый момент наблюдения t_k(k=1, 2, …, µ) выделяют в матрице A_k(i,j) изображение объекта, определяют угловые координаты точки его центра C_k: угол места θ_k и азимут φ_k и находят единичный вектор , указывающий направление из точки
O_k центра системы наблюдателя в точку M_k положения объекта на поверхности в момент t_k, затем с помощью навигационной системы измеряют высоту наблюдателя h_k над уровнем поверхности и определяют единичный вектор нормали к поверхности , делят высоту на модуль скалярного произведения векторов и , тем самым вычисляют дальность R_k до объекта в момент t_k: далее, начиная с момента t₂, определяют вектор перемещения наблюдателя на промежутке [t_k-1,t_k], пересчитывают координаты вектора на момент t_k с использованием данных навигационной системы о повороте осей и параллельном переносе системы координат наблюдателя и находят по правилу сложения векторов вектор перемещения наблюдаемого объекта на промежутке [t_k-1, t_k], затем, если длина найденного вектора перемещения превышает заданную величину, дальность до объекта R_k вычисляют из условия перпендикулярности векторов и по формуле , а если меньше заданной величины (близка к нулю), то дальность R_k вычисляют по теореме синусов для треугольника
M_kO_k-1O_k, построенного на векторах , , по формуле , где , , при этом найденные дальности усредняют и в конечный момент времени t_µ последовательно для k=1, 2, …, µ восстанавливают все точки М₁, М₂, …, M_µ перемещения объекта на поверхности в системе координат наблюдателя на момент времени t_µ и строят по найденным точкам пространственную траекторию движения объекта, необходимую для его дальнейшего сопровождения.