СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ВОЗДУШНЫХ ОБЪЕКТОВ ПРИ ПАССИВНОЙ БИСТАТИЧЕСКОЙ РАДИОЛОКАЦИИ Российский патент 2014 года по МПК G01S5/00 

Способ определения координат воздушных объектов при пассивной бистатической радиолокации относится к радиотехнике и предназначен для использования в средствах вторичной радиолокации.

Известны способы определения координат воздушных объектов (ВО) при пассивной бистатической радиолокации, в которых используются сигналы радиолокационных запросчиков (РЛЗ) и бортовых ответчиков (БО) систем радиолокационного опознавания (РЛО) Mk11/Mk12 и вторичной радиолокации (ВРЛ) ATCRBS (далее системы РЛО/ВРЛ). В данных системах передача данных о местоположении ВО не предусматривалась. Однако в последнее время в систему ВРЛ был дополнительно введен и получил широкое развитие режим адресного опознавания ВО (режим Mode S), использующий рабочие частоты систем РЛО/ВРЛ. В данном режиме все БО передают индивидуальные данные, а также координаты ВО гражданского назначения. Поэтому задача определения координат ВО военного назначения остается по-прежнему актуальной.

Согласно известным способам [«Разнесенные радиолокационные станции и системы». - В.Е. Аверьянов. Минск, Наука и техника, 1978 г., с.27-31]., «Способ определения координат объектов при пассивной бистатической радиолокации». Г.Н. Верещагина, С.В. Ефимов, В.О. Козьев, патент RU №2196342 G01S 5/00, 05.02.2001]

местоположение ВО определяют точкой пересечения двух линий положения (ЛП): эллиптической L и линии постоянного пеленга ВО - β с позиции РЛЗ, или с пункта приема (ПП) - α. Все способы реализуются при известном местоположении РЛЗ, выбираемом в качестве «опорного» (далее РЛЗ).

Согласно способу [«Разнесенные радиолокационные станции и системы». - В.Е.Аверьянов. Минск, Наука и техника, 1978 г., с.27-29] принимают радиоимпульсные сигналы БО и РЛЗ, местоположение которого известно, измеряют моменты их приема, определяют время задержки т между запросным и ответным сигналом и разность моментов приема центров пачек сигналов, формируемых БО, и поступивших в ПП. Для определения координат ВО используют значения параметров двух линий положения (ЛП): эллиптической - L и линии постоянного пеленга ВО с позиции РЛ3-β определяемого по разности моментов приема пачки сигналов БО и РЛЗ. Для определения значений τ моменты приема сигналов РЛЗ экстраполируют на период вращения его антенны.

Основным недостатком способа является отсутствие возможности определения местоположения ВО, если сигналы РЛЗ энергетически недоступны.

Из известных способов наиболее близким к заявляемому изобретению является, выбранный в качестве прототипа [«Способ определения координат объектов при пассивной бистатической радиолокации». Г.Н. Верещагина, С.В. Ефимов, В.О. Козьев, патент RU №2196342 G01S 5/00, 05.02.2001]. Способ реализуется при энергетической недоступности к сигналам РЛЗ. Однако он имеет существенные ограничения по применению:

- определяются координаты только тех ВО и тогда, когда они одновременно облучаются сигналами РЛЗ;

- для вычислений используются (вместо двух) значения трех параметров: разность эллиптических ЛП - ∆L, разность линий постоянных пеленгов с позиции РЛ3-∆β и линий постоянного пеленга с ПП - α, для измерения значения которых необходимо использовать достаточно сложный в техническом исполнении всенаправленный моноимпульсный пеленгатор.

Задачей предлагаемого способа является непрерывное определение координат ВО при отсутствии приема сигналов РЛЗ системы РЛО, а также упрощение технической реализации способа за счет использования двух ЛП - эллиптической и линии постоянного пеленга с позиций РЛЗ, местоположение которых известно.

Указанная задача достигается тем, что в известном способе, основанном на измерении моментов приема и обнаружении пачек сигналов БО с неизвестными координатами, вычислении разности моментов приема сигналов двух БО, согласно изобретению, обнаруживают пачки сигналов БО с неизвестными координатами, временная структура излучений которых соответствует временной структуре излучений РЛЗ системы РЛО, экстраполируют моменты приема сигналов i-го БО, выбранного в качестве «опорного», обнаруживают путем синхронной обработки экстраполируемых значений и моментов приема сигналов БО пачки сигналов j-го БО с известными координатами, определяют время задержки τ_ij между сигналами i-го и j-го БО, вычисляют по известным местоположениям ПП, РЛЗ и j-го БО время задержки τ_j распространения сигналов по путям «РЛЗ - j-й БО - ПП» и «РЛЗ - ПП» и переходят к экстраполяции моментов приема сигналов РЛЗ путем смещения экстраполированных моментов приема сигналов «опорного» БО на величину (τ_j-τ_ij), определяют координаты энергетически доступных n-х БО, отвечающих на запросы РЛЗ, через значения параметров эллиптической линии положения L_n и линии постоянного пеленга с позиции РЛ3-β_n, по формулам

где X_n, Y_n - координаты ВО в прямоугольной системе с центром в ПП и направлением оси Y на РЛЗ,

b - расстояние «РЛЗ-ПП», с - скорость распространения радиоволн, τ_n - время задержки между моментами приема сигналов n-го БО и экстраполированными моментами приема сигналов РЛЗ, - время приема центра пачки сигналов n-го БО, t_цэз - экстраполированный момент приема центра пачки сигналов РЛЗ, Т_а - период следования пачек сигналов «опорного» БО.

Сравнительный анализ с прототипом и известными способами определения координат при пассивной бистатической радиолокации позволяет сделать вывод о том, что заявляемый способ отличается наличием новых операций над сигналами, обнаружением пачек сигналов БО с неизвестными координатами, временная структура излучений которых соответствует временной структуре излучений РЛЗ системы РЛО, экстраполяцией моментов приема сигналов i-го БО, выбранного в качестве «опорного», обнаружением путем синхронной обработки экстраполируемых значений и моментов приема сигналов БО пачек сигналов j-го БО с известными координатами, определением времени задержки τ_ij между сигналами i-го и j-го БО, вычислением по известным местоположениям ПП, РЛЗ и j-го БО времени задержки τ_j распространения сигналов по путям «РЛЗ - j-й БО - ПП» и «РЛЗ- ПП» и переходом к экстраполяции моментов приема сигналов РЛЗ путем смещения экстраполированных моментов приема сигналов «опорного» БО на величину (τ_j-τ_ij), определением координат энергетически доступных n-х БО, отвечающих на запросы РЛЗ, через значения параметров эллиптической линии положения L_n и линии постоянного пеленга с позиции РЛЗ-β_n, по формулам (1-4).

Таким образом, изобретение соответствует критерию «Новизна».

Изобретение для специалистов не следует явным образом из уровня техники и соответствуют критерию «Изобретательский уровень».

Изобретение может использоваться в разнесенных радиолокационных станциях для определения местоположения неопознанных воздушных объектов и соответствует критерию «Промышленная применимость».

На фиг.1 представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ определения координат воздушных объектов при пассивной бистатической радиолокации, на фиг.2 - блок-схема алгоритма обработки сигналов бортовых ответчиков систем РЛО/ВРЛ и определения координат ВО.

Согласно способу обнаруживают пачки сигналов БО с неизвестными координатами, временная структура излучений которых соответствует временной структуре излучений РЛЗ системы РЛО, из них выбирают пачки сигналов i-го БО, экстраполируют моменты приема его сигналов на интервалах времени между приемом очередных пачек, обнаруживают пачки сигналов j-го БО с известными координатами, определяют время задержки τ_ij между сигналами i-то и j-го БО, вычисляют по известным местоположениям ПП, РЛЗ и j-го БО время задержки τ_j распространения сигналов по путям «РЛЗ - j-ый БО - ПП» и «РЛ3- ПП», смещают экстраполированные моменты приема сигналов «опорного» БО на величину (τ_j-τ_ij) и экстраполируют моменты приема сигналов РЛЗ, определяют координаты энергетически доступных n-х БО.

Способ реализуют с учетом порядка функционирования систем РЛО/ВРЛ.

БО ВО с неизвестными координатами формируют сигналы радиолокационного опознавания системы РЛО в режимах «1», «2», «3/А», «С» в течение интервала времени их облучения сигналами РЛЗ по правилу "один запрос - один ответ" и излучают их в круговом секторе пространства. Поэтому в ПП они поступают сериями с периодичностью, обусловленной скоростью вращения антенны РЛЗ, а временная структура их следования определяется интервалами следования запросов. БО ВО гражданского назначения формируют ответы в системе РЛО только в режимах запроса индивидуальных номеров «3/А» и высоты полета «С», что приводит к несоответствию между временными структурами излучений РЛЗ и БО.

В режиме Mode S излучаются адресные запросы по мере необходимости, при этом ответ формирует БО, которому адресован запрос. Адресные запросы позволяют получать информацию об индивидуальных номерах всех ВО, а также координаты ВО гражданского назначения с точностью до 30 метров не менее 1 раза в 5 секунд. Поэтому координаты гражданского ВО могут быть достаточно точно (до 100 м) восстановлены в момент формирования бортовым ответчиком сигналов в режимах запроса «3/А» и «С» системы РЛО.

Совпадение временных структур излучений РЛЗ и БО, отвечающих в режимах запроса «1», «2», «3/А», «С» системы РЛО, позволяет экстраполировать вместо моментов приема сигналов РЛЗ моменты приема сигналов одного из этих БО, далее по известному местоположению БО с известными координатами, отвечающего данному РЛЗ только в режимах запроса «3/А», «С», определить моменты приема сигналов РЛЗ в этих режимах и перейти от экстраполяции моментов приема сигналов «опорного» БО к экстраполяции моментов приема сигналов РЛЗ в режимах запроса «1», «2», «3/А», «С», далее вскрыть местоположение всех ВО с неизвестными координатами.

Устройство (фиг.1), реализующее способ, осуществляет непрерывный прием сигналов БО систем РЛО/ВРЛ устройством 1-РПУ СБО, их преобразование в значения ответных кодов в режимах опознавания «1», «2», «3/А», «С» декодером ответных сигналов опознавания 2 - ДОСО и декодером ответных сигналов в режиме Mode S 3 - ДОС Md S, измерение моментов приема сигналов, прошедших через декодеры, измерителями времени 4 - ИВ СО и 5 - ИВ Md S. Значения моментов приема сигналов БО, а также выходные данные декодеров регистрируются в буферных запоминающих устройствах 6 - БЗУ СО и 7 - БЗУ Md S и с некоторым заданным интервалом времени передаются через интерфейс 8 Иф в персональный компьютер 9 ПК на дальнейшую обработку.

Процедура обработки (фиг.2) включает формирование в блоке 02 массивов данных по сигналам систем РЛО/ВРЛ<MtCd>:=<t_d, Cd_d>, включающих моменты приема t_d ответных кодов Cd_d в режимах запросов «1», «2», «3/А», «С» и массивов данных в режиме Mode S<MstCd>:=<t_ds, Cd_ds>, включающих моменты приема t_ds сообщений Cd_ds. Длительность интервала времени наблюдения (не менее 30 секунд) выбирают достаточной для того, чтобы антенна РЛЗ системы РЛО совершила не менее 3-х оборотов по азимуту. Путем корреляционной обработки моментов приема сигналов БО системы РЛО в режимах запроса «1», «2», «3/А», «С» и априорно известной детерминированной временной структурой излучений РЛЗ:

где ∆T_n - n-е интервалы следования сигналов РЛЗ в порядке их чередования по циклу N, N - количество интервалов следования за период вобуляции равный , обнаруживают пачки сигналов БО с интервалами следования, соответствующими временной структуре <∆T_n> (блоки 03, 04). Если априори временная структура излучений РЛЗ неизвестна, то ее определяют на этапе предварительного анализа путем автокорреляционной обработки интервалов следования ответных сигналов системы РЛО. Условием обнаружения пачки сигналов (блок 04) является выполнение неравенств:

где tp_l и tpl+1 - моменты приема соседних l-х сигналов в пачке, St_o - строб обнаружения; Nsp - общее количество сигналов в пачке, N_«1-C» - количество одинаковых ответных кодов в режимах опознавания «1», «2», 3/А», «С».

Далее в качестве «опорного» выбирают i-й БО с неизвестными координатами и индивидуальным номером NB_i, который отвечает на каждом обороте антенны РЛЗ, т.е. количество пачек сигналов Р, содержащих ответный код NB_i должно отвечать условию

Если «опорный» БО по условиям (6-9) не обнаружен, то с блока 04 без выполнения операций блока 05 переходят к блоку 06. Если «опорный» БО обнаружен, то в блоке 05 моменты приема сигналов «опорного» БО экстраполируют. Для этого по начальной пачке сигналов, начиная с первой, формируют выборку интервалов следования <∆tэ_l>, сумма которых кратна периоду вобуляции:

где - целая часть - коэффициент кратности, kN=k·N,

и многократным повторением выборки формируют массив <tэ_z>:

где tэ₁ - первый экстраполируемый момент времени, совпадающий с началом пачки сигналов tp₁,

tэ₂ и tэ_z - второй и z-й экстраполируемый момент времени, соответственно, z=q·kN+l переменная, в которой начальные значения q:=0, l:=1, а текущие значения z изменяют по правилу: l:=l+1, при l>kN устанавливают l:=1, q:=q+1,

tэ_z - последний экстраполируемый момент времени, совпадающий с моментом приема первого сигнала последующей (р+1)-й пачки.

Путем синхронной обработки массива <tэ_z> - и моментов приема ответных кодов массива<MtCd>вычисляют время задержки τ_dz=t_d-tэ_z и группируют сигналы БО по разности задержек ∆τ_dz в пачки сигналов по условию

где ∆τ_dz=τ_dz-τ_d+ν,z+w; ν и w индексы, определяющие изменения значений d и z, St_τ- строб обнаружения по задержке.

Формирование массива <tэ_z> осуществляют до момента выделения очередной пачки сигналов «опорного» БО, содержащей индивидуальный номер NB_i и отвечающей условиям (6-8). Далее процедуру экстраполяции продолжают на интервалах следования пачек синхронно интервалам следования сигналов в обнаруженной пачке сигналов. В блоке Об принимают решение об обнаружении пачек, если выполняется условие (9), определяют моменты приема центров р-х пачек - tц_ip и значение интервалов их следования Ta_ip:

вычисляют среднее значение периода вращения антенны РЛ3-Та:

где P_i - количество принятых пачек «опорного» БО за интервал времени наблюдения.

Далее в блоке 07 формируют пачки сигналов, принадлежащих j-м БО с известными координатами, путем группирования сигналов по условию (12). Пачку сигналов считают обнаруженной (блок 08), если пропущено подряд не более 3-х ответов (в режимах запроса «1», «2»), а количество одинаковых значений ответных кодов N_NGj, соответствующих одному из индивидуальных номеров NG_j в режиме запроса «3/А», - более 3-х, т.е. выполняются условия

где ∆T_max - максимальное значение интервала следований сигналов РЛЗ.

В каждой из p пачек сигналов j-то БО выделяют моменты приема сигналов tpd(∈NG_j) с ответным кодом NG_j и определяют (блок 09):

- усредненное значение времени задержки сигналов τ_ij между t_pd(∈NG_j) и соответствующим ему tэ_z:

- по известным местоположениям РЛЗ, ПП и ВО - время задержки распространения сигналов τ_j по путям «РЛЗ - j-ый БО - ПП» и «РЛ3-ПП» по формуле

где r- индекс соответствующего расстояния;

- значение смещения ∆t_iсм,

где

Далее формируют последовательность <tэз_z> экстраполируемых моментов приема сигналов РЛЗ в ПП:

Повторив процедуру группирования сигналов БО по задержке по условию (12) относительно моментов времени, определяемых последовательностью <tэз_z>, в блоке 10 выделяют пачки сигналов n-х БО, в том числе и не отвечающих на запросы РЛЗ в режиме Mode S. Условием обнаружения n-х БО, является последовательное выполнение неравенств (6-9).

В блоке 11 по формулам (1-4) вычисляют значения параметров ЛП и координаты всех ВО, БО которых отвечают РЛЗ в режимах запроса «1», «2», «3/А», «С».

Процедуру определения координат ВО, если они не отвечают выбранному РЛЗ (блок 04), а также не обнаружены пачки сигналов i-го (блок 06) или j-го БО (блок 08), можно продолжить (блок 12), используя другой РЛЗ с детерминированной временной структурой излучений и известными координатами. Процедуру определения значений параметров ЛП и координат ВО, отвечающих вновь выбранному РЛЗ, повторяют (блоки 04-11). По завершению обработки накопленных данных определение координат продолжают с новыми накопленными данными путем экстраполяции моментов приема уже выбранного «опорного» БО (блоки 02, 04-11) или осуществляют его замену в блоке 05 на другой, выделив пачки сигналов со значением ответного кода NB≠NB_i.

Таким образом, сформулированная задача непрерывного определения координат ВО при отсутствии приема сигналов РЛЗ системы РЛО, а также упрощения технической реализации способа за счет использования двух параметров ЛП - эллиптической и линии постоянного пеленга с позиций РЛЗ, местоположение которых известно, решается с помощью предлагаемого способа.

Изобретение предназначено для определения координат воздушных объектов (ВО) по сигналам системы радиолокационного опознавания (РЛО) при отсутствии приема сигналов радиолокационных запросчиков (РЛЗ), местоположение которых известно. Новым является обнаружение по временной структуре излучений РЛЗ системы РЛО пачек сигналов бортового ответчика (БО) с неизвестным местоположением, 1-й из которых выбирают в качестве «опорного», экстраполяция моментов приема его сигналов, выделение пачек сигналов j-го БО с известным местоположением, вычисление времени задержки распространения сигналов «РЛЗ - j-й БО - пункт приема (ПП)» и «РЛЗ - ПП» с последующим переходом к экстраполяции моментов приема сигналов РЛЗ, определение координат ВО через значения параметров двух линий положения - эллиптической и линии постоянного пеленга с позиции РЛЗ. Достигаемый технический результат - обеспечение непрерывного определения координат ВО при отсутствии приема сигналов РЛЗ и упрощение технической реализации за счет использования двух линий положения вместо трех. 2 ил.

Способ определения координат воздушных объектов (ВО) при пассивной бистатической радиолокации, основанный на измерении моментов приема и обнаружении пачек сигналов бортовых ответчиков (БО) с неизвестными координатами, вычислении разности моментов приема сигналов двух БО, отличающийся тем, что обнаруживают пачки сигналов БО с неизвестными координатами, временная структура излучений которых соответствует временной структуре излучений радиолокационного запросчика (РЛЗ) системы радиолокационного опознавания (РЛО), экстраполируют моменты приема сигналов i-го БО, выбранного в качестве «опорного», обнаруживают путем синхронной обработки экстраполируемых значений и моментов приема сигналов БО пачки сигналов j-го БО с известными координатами, определяют время задержки τ_ij между сигналами i-го и j-го БО, вычисляют по известным местоположениям пункта приема (ПП), РЛЗ и j-го БО время задержки τ_j распространения сигналов по путям «РЛЗ - j-й БО - ПП» и «РЛЗ-ПП» и переходят к экстраполяции моментов приема сигналов РЛЗ путем смещения экстраполированных моментов приема сигналов «опорного» БО на величину (τ_j-τ_ij), определяют координаты энергетически доступных n-x БО, отвечающих на запросы РЛЗ, через значения параметров эллиптической линии положения L_n и линии постоянного пеленга с позиции РЛЗ-β_n, по формулам

где X_n, Y_n - координаты ВО в прямоугольной системе с центром в ПП и направлением оси Y на РЛЗ,
L_n=cτ_n, ,
b - расстояние «РЛЗ-ПП», с - скорость распространения радиоволн, τ_n - время задержки между моментами приема сигналов n-го БО и экстраполированными моментами приема сигналов РЛЗ, - время приема центра пачки сигналов n-го БО, t_цэз - экстраполированный момент времени приема центра пачки сигналов РЛЗ, Т_а - период следования пачек сигналов «опорного» БО.