СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАССТОЯНИЯ ОТ НАБЛЮДАТЕЛЯ ДО РАБОТАЮЩЕГО НА ИЗЛУЧЕНИЕ ИСТОЧНИКА РАДИОВОЛН Российский патент 2014 года по МПК G01S11/02 

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано в системах контроля, для определения расстояния от наблюдателя до объектов с работающими на излучение источниками радиоволн и последующим определением координат данных источников.

Способ определения расстояния от наблюдателя, являющегося техническим средством, до работающего на излучение источника радиоволн заключается в определении высоты пересечения линии радиогоризонта над уровнем моря h_рг данного источника излучения наблюдателем и устанавливается по факту входа или выхода наблюдателя в область пространства, в которой энергия излучения передается прямой волной, по установленным в процессе наблюдения радиотехническим характеристикам источника излучения радиоволн определяют данный источник радиоволн, отождествляют данный источник радиоволн с его носителем, на котором он используется, узнают из известных геометрических характеристик определенного носителя его высоту, которая соответствует высоте источника излучения над уровнем моря h_н, после чего расстояние от наблюдателя до работающего на излучение источника радиоволн определяют согласно формуле где a - это радиус земного шара.

Данный способ позволяет, не применяя наблюдателем радиолокационные средства на излучение, определять дальность от наблюдателя до источника излучения радиоволн.

Описание изобретения

Известны способы определения расстояния до объекта с помощью активных лазерных приборов или радиолокаторов [1-3], заключающиеся в формировании и направлении на объект зондирующего электромагнитного излучения, приеме отраженного от объекта излучения, преобразовании его в электрический сигнал, измерении сдвига фаз между зондирующим и отраженным сигналами и определении на основании последнего расстояния до объекта.

Недостатком указанных способов является необходимость формирования зондирующего сигнала, что требует прецизионного наведения на объект формирователя зондирующего сигнала и приводит к существенным энергопотреблению, массе и габаритам при реализации системы.

Известны способы определения расстояния до объекта [4-5], которые заключаются в приеме собственного или отраженного оптического излучения объекта с помощью двух оптических систем, разнесенных в пространстве на известное расстояние (базу), формировании в фокальных плоскостях этих оптических систем изображений объекта, которые оказываются на различных расстояниях от оптической оси, определении линейного и затем углового параллакса и определении расстояния до объекта по полученным значениям базы и углового параллакса.

Недостатками указанных способов являются ограниченный диапазон измеряемых расстояний и необходимость разнесения на определенное расстояние оптических систем, что увеличивает габариты системы.

Известен способ определения расстояния до подводного источника звука [6], заключающийся в приеме прямого и отраженных от водной поверхности и дна сигналов источника звука, определении времени задержки отраженных сигналов по отношению к прямому, измерении расстояний от приемника звука до водной поверхности и дна и определении расстояния до источника звука.

Недостатками указанного способа являются низкая точность и сложность определения расстояния при многолучевом отражении, что связано с немонотонным характером зависимости скорости звука от глубины, отсутствия данных о топографии дна и нелинейной связи между временем распространения звука и горизонтальным расстоянием до источника звука.

Известен способ определения расстояния до источника звука [7], заключающийся в измерении значений давления звука в точках приема, углов направления движения приемника звука в точках приема, углов направления на источник звука, изменении скорости и направления движения приемника звука, скоростей движения приемника звука в точках приема и определении расстояния.

Недостатками указанного способа являются необходимость изменения скорости и направления движения приемника звука и низкая точность определения расстояния при неравномерном и непрямолинейном движении источника звука.

Известен способ определения расстояния до объекта с подвижного наблюдателя [8], сущность которого заключается в следующем:

- наблюдают за объектом по меньшей мере из трех точек траектории движения наблюдателя;

- измеряют и запоминают интервалы времени между наблюдениями,

- измеряют и запоминают принимаемый поток электромагнитного излучения от объекта в точках наблюдения;

- измеряют и запоминают углы ориентации линии визирования объекта в инерциальной системе координат по крайней мере в одной точке наблюдения;

- измеряют углы направления на центр притяжения в инерциальной системе координат по крайней мере в одной точке наблюдения;

- определяют расстояние между наблюдателем и центром притяжения по крайней мере в одной точке наблюдения;

- определяют расстояние до объекта.

Недостатком прототипа является низкая точность определения расстояния в случае больших угловых скоростей линии визирования объекта.

Наиболее близким к предлагаемому способу следует считать способ определения расстояния до объекта в море по вертикальному углу [9], сущность которого заключается в следующем.

Расстояние наблюдателя до ориентира (объекта, предмета) находится по заранее известным h, e и измеренному вертикальному углу между плоскостью горизонта и вершиной ориентира. В основе этого способа лежит использование естественной кривизны земли.

Расчет производится по формуле:

D_y - расстояние до ориентира (мили);

β - вертикальный угол между плоскостью истинного горизонта и вершиной ориентира (градусы и угловые минуты);

h - высота ориентира над уровнем моря (метры) выбирается из морских навигационных руководств и пособий (лоции, огни и знаки, огни, таблицы приливов);

e - высота глаза наблюдателя над уровнем моря (метры).

Недостатком данного способа является определение расстояние только до заранее известных ориентиров по их высоте и, вследствие этого, невозможность определения расстояния до неизвестных ориентиров. Существенным недостатком, значительно ограничивающим область применения данного способа, является применимость данного способа в оптическом диапазоне и, как следствие, невозможность применения данного способа в плохих гидрометеоусловиях, а также в ночное время, если ориентир не имеет устройств для обозначения своих геометрических размеров ночью. Еще одним недостатком является то обстоятельство, что в случае незнания наблюдателем своей высоты над уровнем моря увеличивается погрешность в определении расстояния от наблюдателя до объекта наблюдения.

Способ определения расстояния от наблюдателя до работающего на излучение источника радиоволн заключается в определении высоты пересечения линии радиогоризонта над уровнем моря h_рг данного источника излучения наблюдателем и устанавливается по факту входа или выхода наблюдателя в область пространства, в которой энергия излучения передается прямой волной, по установленным в процессе наблюдения радиотехническим характеристикам источника излучения радиоволн определяют данный источник радиоволн, отождествляют данный источник радиоволн с носителем, на котором он используется, узнают из известных геометрических характеристик определенного носителя его высоту, которая соответствует высоте источника излучения над уровнем моря h_н, после чего расстояние от наблюдателя до работающего на излучение источника радиоволн определяют согласно формуле , где a - это радиус земного шара. [10]

Следовательно, к отличительным признакам предлагаемого способа определения расстояния от наблюдателя до источника излучения радиоволн относится:

- Значение высоты глаза наблюдателя, в заявленном изобретении, является определяемой величиной высоты источника излучения радиоволн над уровнем моря h_н.

- Высота наблюдаемого объекта, в заявленном изобретении, является определяемой величиной высоты пересечения линии радиогоризонта источника излучения радиоволн наблюдателем над уровнем моря h_рг.

- Не производится измерение вертикального угла между плоскостью горизонта и вершиной ориентира.

- Определение дальности от наблюдателя до источника наблюдения может происходит не только над водной поверхностью, но и над любой другой поверхностью, чей рельеф не препятствует определению расстояния с заданной потребителем точностью.

Общими признаками с предлагаемым автором изобретением является то, что расстояние от наблюдателя до ориентира (объекта, предмета), а в заявленном изобретении от наблюдателя до работающего на излучение источника радиоволн, находится, используя естественную кривизну земли.

В основу изобретения положена задача разработать способ определения дальности от наблюдателя до работающего на излучение источника радиоволн в сложных гидрометеоусловиях и любое время суток, не применяя наблюдателем радиолокационных средств на излучение, с определяемыми в результате наблюдения значениями высоты источника излучения радиоволн над уровнем моря h_н и высоты пересечения линии радиогоризонта источника излучения радиоволн наблюдателем над уровнем моря h_рг, по излучаемому источником излучения радиоволн сигналу.

Поставленная задача решается путем определения момента пересечения линии радиогоризонта наблюдателем с определением высоты данного события и определением радиотехнических характеристик источника излучения радиоволн для последующего определения высоты данного источника над уровнем моря путем отождествления источника излучения радиоволн с его носителем.

Законы распространения радиоволн, в частности УКВ, во многом аналогичны и распространяются в основном прямолинейно, огибают встречающиеся предметы лишь малых размеров. Крупные объекты, горы, здания и т.д. являются препятствием для диапазона УКВ, за этими препятствиями создается «область тени». Прямолинейность распространения УКВ является причиной ограниченной дальности обнаружения объектов наблюдения вследствие естественной кривизны земли, так как необходимым условием обнаружения данного объекта является наличие прямой (геометрической) видимости, граница которой проходит по линии радиогоризонта [11]. Линия радиогоризонта - это линия, проходящая касательно к поверхности земного шара радиуса a, через высоты антенны излучателя и антенны приемника [12, 13]. Следовательно, ниже антенны приемника (наблюдателя) начинается область ниже линии радиогоризонта, в которой физически невозможно распространение прямой волны ввиду того, что поверхность земли становится препятствием для распространения радиоволн (без учета рефракции т.е. в свободном пространстве).

Поясняется рисунком №1 где:

- 1 - источник излучения радиоволн,

- 2 - точка на линии радиогоризонта (антенна приемника, наблюдатель), ниже которой отсутствует прямая волна,

- 3 - область, в которой передача энергии осуществляется прямой волной,

- 4 - область, в которой отсутствует прямая волна,

- 5 - поверхность земли (поверхность воды),

- D - расстояние от наблюдателя до источника излучения радиоволн,

- h_рг - высота линии радиогоризонта в метрах (высота пересечения линии радиогоризонта),

- h_н - высота источника излучения радиоволн в метрах.

Следовательно, момент пересечения линии радиогоризонта h_рг источника излучения радиоволн определяют по факту входа или выхода наблюдателя в область пространства, в которой энергия излучения передается прямой волной.

Таким образом, формула для вычисления расстояния от наблюдателя до источника излучения радиоволн принимает вид , где a - это радиус земного шара.

Если радиолуч распространяется в свободном пространстве, в котором отсутствует атмосфера, то его траектория представляет собой прямую линию. При распространении радиолуча в земной атмосфере он искривляется из-за непостоянства коэффициента преломления земной атмосферы. Таким образом, в зависимости от желаемой точности получения результата потребителем необходимо производить учет атмосферной рефракции на основе известных способов [14, 15] учета влияния атмосферы на распространение радиоволн, к которым относятся:

- «эффективный радиус земли»;

- «модифицированный радиус земли»;

- «экспоненциальная модель атмосферы».

Таким образом, формула для вычисления расстояния от наблюдателя до источника излучения радиоволн с учетом рефракции принимает вид , где a - это радиус земного шара, k - отношение эквивалентного радиуса земли к действительному (в некоторых источниках k - коэффициент рефракции).

Определение дальности от наблюдателя до источника излучения радиоволн может происходит не только над водной поверхностью, но и над любой другой поверхностью, чей рельеф не препятствует определению расстояния заявленным способом с заданной потребителем точностью. Для случаев, когда высоты линии радиогоризонта и источника излучения радиоволн не соответствуют высотам над уровнем моря, вводятся известные значения поправочных высот, заранее вводимые для учета высоты подстилающей поверхности над уровнем моря, где h₁ - это поправка высоты подстилающей поверхности в метрах в районе определения пересечения линии радиогоризонта, a h₂ - поправка высоты подстилающей поверхности в метрах для носителя источника излучения радиоволн. Таким образом, формула для вычисления расстояния от наблюдателя до источника излучения радиоволн с учетом высоты подстилающей поверхности над уровнем моря принимает вид .

Наблюдателем является техническое средство. Техническая реализация предлагаемого способа определения расстояния от наблюдателя до источника излучения радиоволн может быть осуществлена наблюдателем (техническим средством) в виде самолета радиоэлектронного наблюдения (радиоэлектронной разведки).

В состав наблюдателя среди остальных устройств входят: датчики атмосферного давления, температуры, влажности, высотомер и аппаратура, позволяющая осуществлять определения радиотехнических характеристик сигнала (аппаратура радиоэлектронной разведки), полученного от источников радиоволн [16, 17, 18, 19]. Не меняя приборного состава или каких-либо других составных частей данного наблюдателя, техническая реализация предлагаемого способа осуществляется следующим путем: аппаратура определения радиотехнических характеристик сигнала (аппаратура радиоэлектронной разведки) на основе зафиксированного сигнала от источника радиоволн фиксирует высоту пересечение линии радиогоризонта h_рг по факту входа или выхода наблюдателя в область пространства, в которой энергия излучения (данного источника радиоволн) передается прямой волной, и сопоставления данного факта с текущей высотой (в состав наблюдателя - технического средства входит высотомер). Аппаратура определения радиотехнических характеристик сигнала (аппаратура радиоэлектронной разведки) позволяет осуществлять комплексное изучение сигнала, в том числе его амплитудные и фазовые характеристики [20]. Различают при данных измерениях сигнала прямую и отраженную волну известными способами, в частности, отраженная волна имеет меньшую амплитуду по сравнению с падающей и оказывается сдвинутой по фазе относительно нее [21].

Траектория движения наблюдателя может быть в виде пикирования, кабрирования или иной траектории, позволяющей осуществить данный способ. Рефракцию учитывают на основе данных, полученных от датчиков давления, температуры, влажности, в соответствии с известными способами, изложенными в обозначенных выше источниках [14, 15].

Отождествление источника радиоволн с носителем, на котором он используется, происходит методом сравнения полученных радиотехнических характеристик источника радиоволн по средствам аппаратуры, позволяющей осуществлять определение радиотехнических характеристик сигнала (аппаратура радиоэлектронной разведки), с базой данных радиотехнических параметров источников радиоволн, нашедших широкое применение как в военном деле, так и иных областях, в том числе гражданском судоходстве [22, 23]. Таким образом, наблюдателем выявляется данный источник радиоволн (радиотехническое средство). Каждому радиотехническому средству или источнику радиоволн соответствует носитель, на котором он установлен, имеющий свои геометрические размеры длину, ширину, высоту. Ввиду того, что размещать радиотехнические средства всегда стараются на максимальной высоте, то высота носителя фактически соответствует h_н. Все основные надводные носители (равно как и береговые, в частности передвижные или стационарные РЛС) строятся по проектам, каждый из которых имеет свои геометрические характеристики. Данные геометрические характеристики имеются в различных базах данных, в том числе и международных, как электронного вида, так и в виде печатных справочников [24]. Одним из множества примеров печатных справочников, в частности, боевых надводных кораблей, является справочник Jane′s, где помимо радиотехнических средств, установленных на носителях в том числе, перечисляются геометрические характеристики кораблей. Среди этих геометрических характеристик - длина, ширина, осадка, а высота легко определяется благодаря изложенным характеристикам и изображенному в масштабе силуэту корабля (от ватерлинии до топа мачты) с изображенными на нем радиотехническими средствами. Однако это один из множества примеров. Таким образом, высоту источника излучения радиоволн над уровнем моря h_н устанавливают в соответствии с вышеизложенным по определенным радиотехническим характеристикам источника излучения радиоволн (с использованием баз данных).

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Инженерный справочник по космической технике / под ред. Солодов А.В. - М.: Воениздат, 1977, с.297-299, 385-388.

2. Матвеев И.Н. и др. Лазерная локация. - М.: Машиностроение, 1984.

3. Патент США N 3798795, 1974.

4. Бегунов Б.Н., Заказнов Н.П. Теория оптических систем. - М.: Машиностроение, 1975, с.386.

5. Авторское свидетельство СССР N 363946. Телевизионный автодальномер, 1972.

6. Hassab J.C. Passive tracking of a moving source by a single observer in shallow water. - "J. of Sound and Vibration", 1976 г., v 44, N1, p.127-145.

7. Телятников В.И. Методы и устройства для определения местоположения источников звука. // Зарубежная радиоэлектроника, 1978 г., N 4, с.66-86.

8. Патент РФ N 2104486. Способ определения расстояния до объекта с подвижного наблюдателя, 1998.

9. Мореходные таблицы (МТ-75) Издательство: М.: Министерство обороны 1975 г. Навигационные таблицы с.31.

10. Аренберг А.Г. «Распространение сантиметровых и дециметровых волн» Советское радио М. 1957 г. с.37.

11. Б.Ф. Случевский «Радиолокация и ее применение» воен. издат МО СССР М. 1962 г. с.13, 14.

12. К.В. Голев «Расчет дальности действия радиолокационных станций» изд. Советское радио, М. с.33.

13. Долуханов М.П. «Распространение радиоволн» изд. СВЯЗЬ, М. с.85-86.

14. Трофимов К.Н. «Справочник по радиолокации» Том №1 изд. Советское радио, М. 1976 г. с.221-233.

15. Долуханов М.П. «Распространение радиоволн» изд. СВЯЗЬ, М. с.120-135.

16. Мельников Ю.П. «Воздушная радиотехническая разведка» изд. Радиотехника, М. с.10.

17. Вартанесян В.А. «Радиоэлектронная разведка». Воениздат М., 1975., с.52.

18. Доброленский Ю.П. «Авиационное оборудование» Воениздат М., 1989., - с.248.

19. ГОСТ 22686-85.

20. Вартанесян В.А. «Радиоэлектронная разведка». Воениздат М., 1975., с.7, 8.

21. Коростылев А.А. «Теоретические основы радиолокации» изд. Советское радио, М. 1978 г. с.403.

22. Вартанесян В.А. «Радиоэлектронная разведка». Воениздат М., 1975., с.13, 14, 49.

23. Мельников Ю.П. «Воздушная радиотехническая разведка» изд. Радиотехника, М. с.242.

24. Кит Фолкнер «Боевые корабли». Jane′s, ACT Астрель М., 2002.

Изобретение относится к информационно-измерительной технике. Достигаемый технический результат изобретения - повышение точности определения расстояния от наблюдателя до объектов с работающими на излучение источниками радиоволн и определения координат данных источников. Указанный результат достигается за счет того, что способ определения расстояния от наблюдателя, являющегося техническим средством, до работающего на излучение источника радиоволн заключается в определении высоты пересечения линии радиогоризонта над уровнем моря h_рг данного источника излучения наблюдателем, которая устанавливается по факту входа или выхода наблюдателя в область пространства, в которой энергия излучения передается прямой волной, по установленным в процессе наблюдения радиотехническим характеристикам источника излучения радиоволн определяют данный источник радиоволн, отождествляют данный источник радиоволн с его носителем, на котором он используется, определяют из известных геометрических характеристик определенного носителя его высоту, которая соответствует высоте источника излучения над уровнем моря h_н, после чего расстояние от наблюдателя до работающего на излучение источника радиоволн определяют согласно формуле , где a - радиус земного шара. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения расстояния от наблюдателя, являющегося техническим средством, до работающего на излучение источника радиоволн, отличающийся тем, что определяют высоту пересечения линии радиогоризонта над уровнем моря h_рг данного источника излучения наблюдателем и устанавливают по факту входа или выхода наблюдателя в область пространства, в которой энергия излучения передается прямой волной, по установленным в процессе наблюдения радиотехническим характеристикам источника излучения радиоволн определяют данный источник радиоволн, отождествляют данный источник радиоволн с конкретным типом носителя, на котором он используется, узнают из известных геометрических характеристик определенного носителя его высоту, которая соответствует высоте источника излучения над уровнем моря h_н, после чего расстояние до него определяют согласно формуле ,
где a - радиус земного шара.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для более точного определения расстояния от наблюдателя до работающего на излучение источника радиоволн вводится коэффициент k, учитывающий рефракцию, формула для вычисления расстояния от наблюдателя до источника излучения радиоволн с учетом рефракции принимает вид .

3. Способ по п.2, отличающейся тем, что вводятся известные значение поправочных высот, заранее вводимые для учета высоты подстилающей поверхности над уровнем моря, где h₁ - поправка высоты подстилающей поверхности в метрах в районе определения пересечения лини радиогоризонта, a h₂ - поправка высоты подстилающей поверхности в метрах для носителя источника излучения радиоволн, формула для вычисления расстояния от наблюдателя до источника излучения радиоволн с учетом высоты подстилающей поверхности над уровнем моря принимает вид .