СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ АСТЕРОИДА ОТНОСИТЕЛЬНО ТОЧКИ ЗЕМЛИ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИХ РЕАЛИЗАЦИИ. ЦИФРОВАЯ КАРТА ОКОЛОЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА Российский патент 2015 года по МПК G01S17/00 

Изобретения относятся к системам для активной защиты Земли и могут быть использованы при реализации комплексов для борьбы с летающими объектами естественного и искусственного происхождения, приближающимися к Земле.

Общеизвестен способ определения параметров движения цели с помощью РЛС, например РСП-6, антенна которой, вращаясь по азимуту, все время производит круговой обзор околоземного пространства. О других РЛС и тем более с не вращающимися антеннами и выполняющими аналогические функции мало что известно.

Целью изобретения является расширение ассортимента устройств для осуществления активной защиты Земли.

Поставленная цель достигается за счет использования для определения направления на астероид четырехчастотного частотного дальномера.

Определяют местоположение астероида относительно точки Земли посредством получения информации о его местоположении при пролете им плоскости околоземного пространства, перпендикулярной продленному радиусу Земли, при этом астероид облучают четырьмя приемо-передающими антеннами (ППА1, ППА2, ППА3, ППА4), установленными на Земле в плоскости, параллельной плоскости обнаружения астероида, на окружности, на равном удалении по окружности друг от друга, с базовыми L расстояниями между диаметрально противоположными ППА1 и ППА2, а также ППА3 и ППА4, которые излучают в сторону приближающегося к Земле астероида четыре непрерывных сигнала с частотной модуляцией по одностороннему пилообразно линейно возрастающему закону, соответственно, НЛЧМ1, НЛЧМ2, НЛЧМ3 и НЛЧМ4 сигналы, с близкими частотами f₁, f₂, f₃ и f₄ соответственно у НЛЧМ1, НЛЧМ2, НЛЧМ3, НЛЧМ4 сигналов и одинаковыми у них частотой модуляции Fm и девиацией частоты dfm, которые после отражения от астероида принимаются, соответственно, ППА1, ППА2, ППА3, ППА4, и их перемножают с излученными, соответственно, НЛЧМ1, НЛЧМ2, НЛЧМ3, НЛЧМ4 сигналами и выделяют сигналы с частотами, соответственно, Fpi=2DiFmdfm/C-2Vif₁/C, Fpj=2DjFmdfm/C-2Vif₂/C, Fpz=2DzFmdfm/C-2Vif₃/C, Fpx=2DxFmdfm/C-2Vif₄/C, где C - скорость света, Di, Dj, Dz и Dx - расстояния, соответственно, между ППА1, ППА2, ППА3, ППА4 и астероидом, приближающимся к Земле со скоростью Vi, которую определяют до получения сигналов с частотами Fpi, Fpj, Fpz и Fpx, которые перемножают, соответственно, с сформированными заранее сигналами с частотами f₀-2Vif₁/C, f₀-2Vif₂/C, f₀-2Vif₃/C и f₀-2Vif₄/C, где f₀ - известная по результатам моделирования постоянная величина частоты, являющаяся составляющей частот сигналов Fpi, Fpj, Fpz и Fpx, и выделяют четыре сигнала с частотами F¹pi=2DiFmdfm/C-f₀, Fp¹j=2DjFmdfm/C-f₀, F¹pz=2DzFmdfm/C-f₀, F¹px=2DxFmdfm/C-f₀, которым, однозначно, соответствует местоположение астероида относительно расположения ППА на Земле и величины которых заведомо известны, что позволяет, при совпадении величин частот известных и вычисленных сигналов, считать направление на астероид определенным.

Устройство определения местоположения астероида относительно точки Земли содержит последовательно соединенные генератор импульсов, счетчик импульсов, первый цифроаналоговый преобразователь (ЦАП1), первый генератор непрерывных сигналов (Г1), выход которого подключен к входам смесителей (СМ) СМ5, СМ6, СМ7 и СМ8, а выход Г2 через последовательно соединенные второй вход СМ5, пятый фильтр (Ф5), СМ1, Ф1 подключен к второму входу СМ9, выход Г3 через последовательно соединенные второй вход СМ6, Ф6, СМ2, Ф2 подключен к второму входу СМ10, выход Г4 через последовательно соединенные второй вход СМ7, Ф7, СМ3, Ф3 подключен к второму входу СМ11, выход Г5 через последовательно соединенные второй вход СМ8, Ф8, СМ4, Ф4 подключен к второму входу СМ12, а также выходы Ф5, Ф6, Ф7 и Ф8, соответственно, через усилители мощности (УМ) УМ1, УМ2, УМ3, УМ4 подключены к входам, соответственно, ППА1, ППА2, ППА3, ППА4, работающим на передачу, а входы ППА1, ППА2, ППА3, ППА4, работающие на прием, подключены к вторым входам, соответственно, СМ1, СМ2, СМ3, СМ4, и, кроме того, выход Ф1 подключен к входу определителя скорости приближения астероида к Земле, выходы которого подключены к входам ЦАП2, ЦАП3, ЦАП4 и ЦАП5, входы опорных напряжений которых подключены, соответственно, к выходам первого блока опорного напряжения (БОН1), БОН2, БОН3 и БОН4, а выходы ЦАП2, ЦАП3, ЦАП4, ЦАП5 через последовательно соединенные, соответственно, Г6, СМ9, Ф9, первый частотомер (41) и Г7, СМ10, Ф10, Ч2 и Г8, СМ11, Ф11, Ч3 и Г9, СМ12, Ф12, Ч4 подключены, соответственно, к первым, вторым, третьим и четвертым входам цифровой карты околоземного пространства.

А цифровая карта околоземного пространства выполнена в виде N схем сравнений, расположенных в одной плоскости, каждая из которых содержит первый, второй, третий и четвертый цифровые компараторы (ЦК), первые входы которых подключены, соответственно, к первым, вторым, третьим и четвертым входам схем сравнений - входам цифровой карты, а вторые входы каждого ЦК подключены к своим шинам установки цифрового числа, а выходы ЦК, через элемент И, подключены к светодиоду - указателю местоположения астероида.

Рассмотрим, в том числе на примерах, работу устройства определения местоположения астероида с цифровой картой околоземного пространства.

Установим ППА1, ППА2, ППА3 и ППА4 на Земле, в одной плоскости, на окружности, на равном удалении по окружности друг от друга, с максимами диаграмм направленности ППА, направленными перпендикулярно плоскости расположения ППА, с базовым L=20 м расстоянием между диаметрально противоположными ППА1 и ППА2 и с базовым L=20 м расстоянием между диаметрально противоположными ППА3 и ППА4, которые (ППА1, ППА2, ППА3, ППА4) излучают в сторону астероида, приближающегося к Земле со скоростью Vi=30 км/с, четыре непрерывных сигнала с частотной модуляцией по одностороннему пилообразно линейно возрастающему закону (соответственно, НЛЧМ1, НЛЧМ2, НЛЧМ3, НЛЧМ4 сигналы), с близкими частотами f₁=1, f₂=1,1, f₃=1,2 и f₄=1,3 ГГц соответственно у НЛЧМ1, НЛЧМ2, НЛЧМ3 и НЛЧМ4 сигналов и одинаковыми у них частотой модуляции Fm=5 КГц и девиацией частоты dfm=5,1 МГц, формируемые на четырехчастотном частотном радиолокаторе (ЧЧР), в котором счетчик импульсов все время подсчитывает импульсы генератора импульсов. При этом на выходе ЦАП1 формируется пилообразное напряжение с частотой повторения Fm=5 КГц, которое подают на варикап Г1. При этом на выходе Г1 формируется сигнал частотой f и девиацией частоты dfm=5,1 МГц, который поступает на первые входы СМ5, СМ6, СМ7 и СМ8, на вторые входы которых подают с Г2, Г3, Г4 и Г5, соответственно, сигналы частотой fx, fz, fy и fr. При этом на выходах СМ5, СМ6, СМ7 и СМ8 и, соответственно, Ф5, Ф6, Ф7 и Ф8 формируются сигналы частотой f₁=f-fx=1, f₂=f-fz=1,1, f₃=f-fy=1,2 и f₄=f-fr=1,3 ГГц, которые, соответственно, УМ1, УМ2, УМ3 и УМ4 усиливаются и через, соответственно, ППА1, ППА2, ППА3 и ППА4 передаются в сторону астероида. Отраженные астероидом НЛЧМ1, НЛЧМ2, НЛЧМ3 и НЛЧМ4 сигналы принимаются ППА1, ППА2, ППА3 и ППА4, перемножаются в СМ1, СМ2, СМ3 и СМ4 с излученными НЛЧМ1, НЛЧМ2, НЛЧМ3 и НЛЧМ4 сигналами, подводимыми к вторым входам, соответственно, СМ1, СМ2, СМ3 и СМ4 с выходов, соответственно, Ф5, Ф6, Ф7 и Ф8. После перемножения НЛЧМ сигналов, на выходах СМ1, СМ2, СМ3 и СМ4 и, соответственно, выходах Ф1, Ф2, Ф3, Ф4 формируются сигналы с частотами, соответственно, Fpi=2DiFmdfm/C-2Vif₁/C, Fpj=2DjFmdfm/C-2Vif₂/C, Fpz=2DzFmdfm/C-2Vif₃/C, Fpx=2DxFmdfm/C-2Vif₄/C.

Пусть от центра окружности расположения ППА до астероида будет расстояние R=15000 км, а перпендикуляр от астероида на плоскость расположения ППА будет равен R√3/2.

Тогда, например, если между ППА1 и астероидом будет расстояние Di=D₁=√(R√3/2)²+[(R/2)-(L/2)]²=√R²-RL/2+L²/4=14999995 м, то между ППА2 и астероидом будет Dj=D₂=√R²+RL+L²/4=15000005 м, между ППА3 и астероидом будет Dz=D₃=√R²+L²/4=15000000 м, между ППА4 и астероидом будет Dx=D₄=√R²+L²/4=D₃.

Если же между ППА1 и астероидом будет расстояние D₅=√R²+RL+L²/4, то между ППА2 и астероидом будет D₆=√R²-RL+L²/4, между ППА3 и астероидом будет D₇=√R²+L²/4, между ППА4 и астероидом будет D₈=√R²+L²/4.

Если же между ППА3 и астероидом будет расстояние D₉=√R²+RL+L²/4, то между ППА4 и астероидом будет D₁₀=√R²-RL+L²/4, между ППА1 и астероидом будет D₁₁=√R²+L²/4, между ППА2 и астероидом будет D₁₂=√R²+L²/4.

Если же между ППА3 и астероидом будет расстояние D₁₃=√R²-RL+L²/4, то между ППА4 и астероидом будет D₁₄=√R²+RL+L²/4, между ППА1 и астероидом будет D₁₅=√R²+L²/4, между ППА2 и астероидом будет D₁₆=√R²+L²/4.

А если между центром окружности расположения ППА и астероидом будет R, то между ППА1, ППА2, ППА3, ППА4 и астероидом будет D₁₇=√(3R²+L²)/4=12990381,06 м и на выходах Ф1, Ф2, Ф3, Ф4 будут формироваться сигналы с частотой Fp₁₇=2(√(3R²+L²)/4)Fmdfm/C-2Vif₁/C=2208364780 Гц.

Кроме того, на выходе Ф1 будут формироваться сигналы с частотами:

Fp₁=2(√R²-RL+L²/4)Fmdfm/C-2Vif₁/C, либо: Fp₅=2(√R²+RL+L²/4)Fmdfm/C-2Vif₁/C, Fp₁₁=2(√R²+L²/4)Fmdfm/C-2Vif₁/C, Fp₁₅=2(√R²+L²/4)Fmdfm/C-2Vif₁/C.

На выходе Ф2 будут формироваться сигналы с частотами:

Fp₂=2(√R²+RL+L²/4)Fmdfm/C-2Vif₁/C, либо: Fp₆=2(√R²-RL+L²/4)Fmdfm/C-2Vif₁/C, Fp₁₂=2(√R²+L²/4)Fmdfm/C-2Vif₁/C, Fp₁₆=2(√R²+L²/4)Fmdfm/C-2Vif₁/C.

На выходе Ф3 будут формироваться сигналы с частотами:

Fp₃=2(√R²+L²/4)Fmdfm/C-2Vif₁/C, либо: Fp₇=2(√R²+L²/4)Fmdfm/C-2Vif₁/C, Fp₉=2(√R²+RL+L²/4)Fmdfm/C-2Vif₁/C, Fp₁₃=2(√R²-RL+L²/4)Fmdfm/C-2Vif₁/C.

На выходе Ф4 будут формироваться сигналы с частотами:

Fp₄=2(√R²+L²/4)Fmdfm/C-2Vif₁/C, либо: Fp₈=2(√R²+L²/4)Fmdfm/C-2Vif₁/C, Fp₁₀=2(√R²-RL+L²/4)Fmdfm/C-2Vif₁/C, Fp₁₄=2(√R²+RL+L²/4)Fmdfm/C-2Vif₁/C.

Следует отметить, что до момента обнаружения астероида в выбранном заранее околоземном пространстве измеряют его скорость Vi сближения с Землей, вычисляя при, например, выбранных Vo=15 км/с и Дo=Vof₁/Fmdfm выражение Vi=4Дo/t, где [см. заявку РФ №2012148956/07 (078599)] До - выбираемый базовый интервал расстояния, Vo - минимально возможная скорость астероида, t - измеряемое время пролета астероидом расстояния 4 До. Для чего в известной РЛС излучаемый НЛЧМ сигнал не задерживают и в обнаружителе сигналов узкополосного спектра частот [см. там же] выбирают опорный сигнал, например Fоп=2,55 ГГц, что позволяет измерить Vi на удалениях порядка 15000000 м от Земли

Очевидно, что если значение Vi, например, в цифровой форме подать на входы ЦАП2, ЦАП3, ЦАП4 и ЦАП5, на ЦАПы, имеющие разные опорные напряжения, то под действием на варикапы Г6, Г7, Г8 и Г9 напряжений с их выходов можно установить эти генераторы в состояние генерации ими сигналов, соответственно, частотой f₀-2Vif₁/C, f₀-2Vif₂/C, f₀-2Vif₃/C и f₀-2Vif₄/C и далее их в СМ9, СМ10, СМ11 и СМ12 перемножить с сигналами, сформированными на выходах Ф1, Ф2, Ф3 и Ф4, с целью выделения фильтрами Ф9, Ф10, Ф11 и Ф12 четырех сигналов с частотами F¹pi=2DiFmdfm/C-f₀, Fp¹j=2DjFmdfm/C-f₀, F¹pz=2DzFmdfm/C-f₀, F¹px=2DxFmdfm/C-f₀, где f₀=2,2 ГГц составная часть всех частот, соответствующих всем возможным дальностям до выбранного околоземного пространства и которые, однозначно, определяют направление на астероид.

То есть на выходе Ф9 будут формироваться сигналы с частотами:

F¹p₁=349999150 Гц, либо: F¹p₅=350000850 Гц, F¹p₁₁=350000000 Гц, F¹p₁₅=350000000 Гц.

На выходе Ф10 будут формироваться сигналы с частотами:

F¹p₂=350000850 Гц, либо: F¹p₆=349999150 Гц, F¹p₁₂=350000000 Гц, F¹p₁₆=350000000 Гц.

На выходе Ф11 будут формироваться сигналы с частотами: F¹p₃=350000000 Гц, либо: F¹p₇=350000000 Гц, F¹p₉=350000850 Гц, F¹p₁₃=349999150 Гц.

На выходе Ф12 будут формироваться сигналы с частотами:

F¹p₄=350000000 Гц, либо: F¹p₈=350000000 Гц, F¹p₁₀=349999150 Гц, F¹p₁₄=350000850 Гц. А также фильтры Ф9, Ф10, Ф11 и Ф12 выделят сигналы частотой F¹p₁₇=8364780 Гц. Тогда, например, если фильтрами Ф9, Ф10, Ф11 и Ф12 будут выделены сигналы с частотами, соответственно, F¹p₁=349999150 Гц, F¹p₂=350000850 Гц, F¹p₃=350000000 Гц и F¹p₄=350000000 Гц, то можно утверждать, что астероид находится в околоземном пространстве с заранее известными координатами.

Сигналы с частотами F¹pi, Fp¹j, F¹pz и F¹px подают, соответственно, на частотомеры Ч1, Ч2, Ч3 и Ч4, которые преобразуют их в цифровые числа, подаваемые на входы четырех ЦК в каждой из N схем сравнений, расположенных в одной плоскости и образующих цифровую карту. На вторые входы каждого ЦК, в каждой схеме сравнения, подают заведомо известные цифровые числа, которые характеризуют ту или иную точку или те или иные области выбранного околоземного пространства и с которыми сравниваются цифровые числа, подаваемые на первые входы ЦК. Тогда, очевидно, если в какой-то из N схем сравнений все четыре подаваемые на нее цифровых числа совпадут с четырьмя опорными цифровыми числами, то это будет означать, что астероид пересек конкретную известную точку (область) околоземного пространства, направление на которую известно, и на выходе элемента И данной схемы сравнения появится, например, высокий потенциал, что приведет к загоранию, например, светодиода данной схемы сравнения, т.е. конкретной ячейки цифровой карты.

Очевидно, что аналогичную цифровую карту можно сделать и параллельно подключить к первой цифровой карте также и для более близкой к Земле плоскости околоземного пространства, расстояния до которой должны быть меньше D₁₇. При этом можно будет определить направление перемещения астероида с целью, например, определения точек упреждения.

Изобретения относятся к системам для активной защиты Земли и могут быть использованы при реализации комплексов для борьбы с летающими объектами естественного и искусственного происхождения, приближающимися к Земле. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Указанная цель достигается за счет определения направления на астероид радиолокатором с четырьмя установленными на Земле антеннами (ППА) и содержащим: десять генераторов сигналов (Г), по двенадцать смесителей (СМ) и фильтров (Ф), по четыре усилителя мощности (УМ) и частотомера (Ч), пять ЦАП и цифровую карту околоземного пространства, содержащую N схем сравнений, каждая из которых содержит четыре цифровых компаратора, элемент И и светодиод. При этом определяют направление на астероид, облучая его четырьмя ППА, установленными на окружности, на равном удалении по окружности друг от друга, с базовыми L расстояниями между диаметрально противоположными ППА1 и ППА2, а также ППА3 и ППА4, которые излучают четыре непрерывных сигнала с частотной модуляцией по одностороннему пилообразно линейно возрастающему закону (НЛЧМ сигналы) с близкими частотами. 3 н. и 2 з.п. ф-лы.

1. Способ определения местоположения астероида относительно точки Земли, заключающийся в облучении астероида электромагнитной энергией, отличающийся тем, что информацию о местоположении астероида получают при пролете им плоскости околоземного пространства, перпендикулярной продленному радиусу Земли, при этом астероид облучают четырьмя приемо-передающими антеннами ППА1, ППА2, ППА3 и ППА4, установленными на Земле, в плоскости, параллельной плоскости обнаружения астероида, на окружности, на равном удалении по окружности друг от друга, с базовыми L расстояниями между диаметрально противоположными ППА1 и ППА2, а также ППА3 и ППА4, которые излучают в сторону приближающегося к Земле астероида четыре непрерывных сигнала с частотной модуляцией по одностороннему пилообразно линейно возрастающему закону, соответственно, НЛЧМ1, НЛЧМ2, НЛЧМ3 и НЛЧМ4 сигналы, с близкими частотами f₁, f₂, f₃ и f₄ соответственно у НЛЧМ1, НЛЧМ2, НЛЧМ3, НЛЧМ4 сигналов и одинаковыми у них частотой модуляции Fm и девиацией частоты dfm, которые после отражения от астероида принимаются, соответственно, ППА1, ППА2, ППА3 и ППА4, и их перемножают с излучаемыми, соответственно, НЛЧМ1, НЛЧМ2, НЛЧМ3, НЛЧМ4 сигналами и выделяют сигналы с частотами, соответственно, Fpi=2DiFmdfm/C-2Vif₁/C, Fpj=2DjFmdfm/C-2Vif₂/C, Fpz=2DzFmdfm/C-2Vif₃/C, Fpx=2D×Fmdfm/C-2Vif₄/C, где C - скорость света, Di, Dj, Dz и Dx - расстояния, соответственно, между ППА1, ППА2, ППА3, ППА4 и астероидом, приближающимся к Земле со скоростью Vi, которую определяют до получения сигналов с частотами Fpi, Fpj, Fpz и Fpx, которые далее перемножают, соответственно, с сформированными заранее сигналами с частотами f₀-2Vif₁/C, f₀-2Vif₂/C, f₀-2Vif₃/C и f₀-2Vif₄/C, где f₀ - известная по результатам моделирования постоянная величина частоты, являющаяся составляющей частот сигналов Fpi, Fpj, Fpz и Fpx, и далее выделяют четыре сигнала с частотами F¹pi=2DiFmdfm/C-f₀, Fp¹j=2DjFmdfm/C-f₀, F¹pz=2DzFmdfm/C-f₀, F¹px=2DxFmdfm/C-f₀, которым, однозначно, соответствует известное положение астероида относительно расположения ППА на Земле и величины которых заведомо известны, что позволяет, при совпадении величин частот известных и вычисленных сигналов, считать направление на астероид определенным.

2. Способ определения местоположения астероида относительно точки Земли по п.1, отличающийся тем, что информацию о местоположении астероида получают при пролете им нескольких параллельно расположенных плоскостей околоземного пространства.

3. Устройство определения местоположения астероида относительно точки Земли, содержащее частотный радиолокатор, отличающееся тем, что частотный радиолокатор содержит последовательно соединенные генератор импульсов, счетчик импульсов, первый цифроаналоговый преобразователь (ЦАП1), первый генератор непрерывных сигналов (Г1), выход которого подключен к входам смесителей (CM) СМ5, СМ6, СМ7 и СМ8, а выход Г2 через последовательно соединенные второй вход СМ5, пятый фильтр (Ф5), СМ1, Ф1 подключен к второму входу СМ9, выход Г3 через последовательно соединенные второй вход СМ6, Ф6, СМ2, Ф2 подключен к второму входу СМ10, выход Г4 через последовательно соединенные второй вход СМ7, Ф7, СМ3, Ф3 подключен к второму входу СМ11, выход Г5 через последовательно соединенные второй вход СМ8, Ф8, СМ4, Ф4 подключен к второму входу СМ12, а также выходы Ф5, Ф6, Ф7 и Ф8, соответственно, через усилители мощности (УМ) УМ1, УМ2, УМ3, УМ4 подключены к входам, соответственно, ППА1, ППА2, ППА3, ППА4, работающим на передачу, а входы ППА1, ППА2, ППА3, ППА4, работающие на прием, подключены к вторым входам, соответственно, СМ1, СМ2, СМ3, СМ4, и, кроме того, выход Ф1 подключен к входу определителя скорости приближения астероида к Земле, выходы которого подключены к входам ЦАП2, ЦАП3, ЦАП4 и ЦАП5, входы опорных напряжений которых подключены, соответственно, к выходам первого блока опорного напряжения (БОН1), БОН2, БОН3 и БОН4, а выходы ЦАП2, ЦАП3, ЦАП4, ЦАП5 через последовательно соединенные, соответственно, Г6, СМ9, Ф9, первый частотомер (Ч1) и Г7, СМ10, Ф10, Ч2 и Г8, С11, Ф11, Ч3 и Г9, СМ12, Ф12, Ч4 подключены, соответственно, к первым, вторым, третьим и четвертым входам цифровой карты околоземного пространства.

4. Устройство определения местоположения астероида относительно точки Земли по п.3, отличающееся тем, что первые, вторые, третьи и четвертые входы цифровой карты околоземного пространства подключены, соответственно, к первым, вторым, третьим и четвертым входам нескольких других цифровых карт.

5. Цифровая карта околоземного пространства выполнена в виде N схем сравнений, расположенных в одной плоскости, каждая из которых содержит первый, второй, третий и четвертый цифровые компараторы (ЦК), первые входы которых подключены, соответственно, к первым, вторым, третьим и четвертым входам схем сравнений - входам цифровой карты, а вторые входы каждого ЦК подключены к своим шинам установки цифрового числа, а выходы ЦК, через элемент И, подключены к светодиоду - указателю местоположения астероида.