СПОСОБ И УСТРОЙСТВО РАДИОЛОКАЦИОННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ МАНЕВРА БАЛЛИСТИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА ПО ВЫБОРКАМ КВАДРАТОВ ДАЛЬНОСТИ Российский патент 2017 года по МПК G01S13/58 

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано в радиолокационных станциях (РЛС) для обнаружения маневра баллистических объектов (БО). Задачу определения маневра необходимо решать для того, чтобы не допустить появления методических ошибок определения параметров баллистической траектории и срыва автосопровождения БО. В частности, координаты точки падения БО типа ракет малой и средней дальности, вычисленные по радиолокационным измерениям, произведенным на участках маневра, могут определяться с недолетом или перелетом от нескольких десятков до нескольких сотен километров.

На траектории БО можно выделить три участка:

- активный участок траектории (АУТ), на котором БО движется под действием силы тяги двигателей и совершает маневр большой интенсивности;

- пассивный участок траектории (ПУТ), начинающийся после выключения двигателей, на котором БО движется по инерции под действием известной силы притяжения к Земле, маневр отсутствует, поэтому траектория БО и координаты точки его падения могут быть определены с высокой точностью;

- участок маневра, как правило на нисходящей ветви ПУТ, на котором БО движется под действием управляющих сил аэродинамических рулей или специальных ракетных двигателей, поэтому траектория отличается от баллистической и ее параметры определяются с методическими ошибками.

Известны способы обнаружения маневра по абсолютной величине приращения скорости [1, С. 346-347]. Применительно к БО маневр может быть обнаружен по абсолютной величине приращения скорости изменения горизонтальной декартовой координаты, так как движение ракеты вдоль горизонтальной оси декартовой системы координат является равномерным и составляющая скорости будет постоянной [2, С. 12, 13]. На участке маневра скорость изменения горизонтальной декартовой координаты будет переменной, так как появляются ускорения, вызванные действием сил устройств совершения маневра.

Основным недостатком этих способов является низкая вероятность обнаружения маневра при грубых измерениях азимута и угла места.

Известен способ определения времени окончания АУТ по выборке произведений дальности на радиальную скорость [3] и устройство определения времени окончания АУТ, описанное в этом патенте. Решение об окончании АУТ, то есть об окончании маневра БО, принимают, если оценка скорости изменения произведения дальности на радиальную скорость становится больше среднеквадратической ошибки (СКО) оценки.

Известен способ радиолокационного обнаружения маневра БО на ПУТ по выборке произведений дальности на радиальную скорость [4] и устройство обнаружения маневра (УОМ), описанное в этом патенте. В этом способе решение о наличии маневра БО принимают, если абсолютная разность между оценками скорости изменения произведения дальности на радиальную скорость, вычисляемыми по выборкам большего и меньшего объема, становится больше СКО оценки по выборке меньшего объема.

В этих способах достигается высокая вероятность обнаружения маневра БО из-за устранения влияния ошибок измерения азимута и угла места. Однако эти способы могут быть реализованы только в РЛС с высокоточными измерениями радиальной скорости.

Наиболее близким аналогом заявленному изобретению, то есть прототипом, является способ радиолокационного определения времени окончания АУТ, то есть времени окончания маневра, по выборке квадратов дальности [5] и устройство определения времени окончания АУТ, описанное в этом патенте.

Сущность обнаружения маневра способом-прототипом заключается в следующем. В РЛС измеряют дальность БО в цифровом виде, через равные интервалы времени Т₀ перемножают сигналы дальности и получают квадраты дальности. Автосопровождение БО осуществляют в «скользящем окне», содержащем выборку из N квадратов дальности длительностью (N-1)Т₀. В «скользящем окне» по фиксированной выборке из N квадратов дальности определяют оценку ускорения по квадрату дальности и вычисляют СКО этой оценки. Решение об окончании АУТ, то есть об окончании маневра, принимают в момент времени, когда значение оценки ускорения по квадрату дальности становится больше СКО этой оценки.

Структурная схема устройства-прототипа, в котором обнаружение маневра осуществляется по выборкам из трех и пяти квадратов дальности, приведена в фиг. 1.

УОМ-прототип содержит последовательно соединенные умножитель входных сигналов (блок 1), цифровой нерекурсивный фильтр (ЦНРФ, блок 2), включающий последовательно соединенные запоминающее устройство из N-1 линий задержки (блок 2.1), блок умножителей на весовые коэффициенты (блок 2.2) и сумматор (блок 2.3), делитель (блок 3), пороговое устройство (блок 4), второй вход которого соединен с вычислителем СКО (блок 5), вход которого подключен к входным сигналам дальности, выходные сигналы порогового устройства являются выходными сигналами УОМ-прототипа.

Устройство-прототип работает следующим образом. В блоке 1 через равные интервалы времени Т₀ перемножают поступающие на его вход цифровые сигналы дальности, получают квадраты дальности и подают их на вход запоминающего устройства 2.1.

Текущее значение квадрата дальности умножают в блоке 2.2 на весовой коэффициент, равный и подают на вход сумматора 2.3. Одновременно с этим сигналом на вход сумматора подают сигналы квадратов дальности, задержанные в блоке 2.1 на 1, 2, 3 и 4 обзора РЛС и умноженные в блоке 2.2 на свои весовые коэффициенты и . В итоге на входе сумматора 2.3 получают фиксированную выборку из 5 взвешенных значений квадратов дальности, а на его выходе - оценку второго приращения квадрата дальности:

Эту оценку делят в блоке 3 на квадрат периода обзора, получают оценку ускорения по квадрату дальности и подают ее на пороговое устройство 4.

В блоке 5 вычисляют СКО оценки ускорения по квадрату дальности по формуле , где σ_r - СКО измерения дальности. Если оценка ускорения по квадрату дальности меньше СКО то пороговое устройство выдает сигнал о том, что БО находится на участке маневра, то есть на АУТ. Если оценка больше СКО , то пороговое устройство выдает сигнал об окончании маневра БО (АУТ) и о начале невозмущенного пассивного участка траектории.

Как показано в таблице 4 описания патента №2510861, оценки ускорения на АУТ отрицательны (меньше нуля), а на ПУТ положительны и больше СКО в несколько раз. Поэтому прототип характеризуется высокой вероятностью обнаружения времени окончания АУТ, то есть маневра БО.

Однако прототип нельзя применять для обнаружения маневра на ПУТ, так как оценки ускорения по квадрату дальности могут быть положительны как на невозмущенном ПУТ, так и на участке маневра на ПУТ. Кроме того, оценки ускорения могут быть положительны и на АУТ, если БО удаляется от РЛС. Поэтому в этих случаях выявить маневр либо невозможно, либо вероятность его обнаружения будет низкой.

Техническим результатом изобретения является повышение вероятности обнаружения маневра баллистических объектов на всей траектории их полета.

Указанный технический результат достигается тем, что в заявленном способе радиолокационного обнаружения маневра БО, так же как в прототипе, в РЛС измеряют дальность БО в цифровом виде. Через равные интервалы времени Т₀ перемножают сигналы дальности и получают квадраты дальности. Автосопровождение БО осуществляют в «скользящем окне», содержащем выборку из N квадратов дальности длительностью (N-1)T₀.

В отличие от прототипа, согласно изобретению в «скользящем окне» определяют оценку второго приращения квадрата дальности путем оптимального взвешенного суммирования N квадратов дальности и вычисляют СКО этой оценки. Сигнал об обнаружении маневра выдают, если отношение инвертированной оценки второго приращения квадрата дальности к СКО оценки становится больше порога, соответствующего заданной вероятности обнаружения маневра. Далее путем оптимального взвешенного суммирования N квадратов дальности в «скользящем окне» определяют абсолютную разность между оценкой второго приращения по выборке длительностью (N-1)Т₀ и оценкой второго приращения по выборке длительностью (N-2m-1)T₀, где mT₀ - удаление по времени начала и конца этой выборки от начала и конца «скользящего окна». Потом вычисляют СКО оценки второго приращения квадрата дальности по этой выборке и отношение абсолютной разности к СКО оценки. Сигнал об обнаружении маневра выдают, если отношение абсолютной разности между оценками к СКО оценки становится больше порога, а решение об обнаружении маневра принимают, если одно из пороговых устройств или оба пороговые устройства выдали сигнал об обнаружении маневра.

Реализующее этот способ устройство радиолокационного обнаружения маневра БО по выборкам квадратов дальности содержит, как в прототипе, последовательно соединенные умножитель, вход которого подключен к входным сигналам дальности, и цифровой нерекурсивный фильтр (ЦНРФ), включающий последовательно соединенные запоминающее устройство из N-1 линий задержки, блок умножителей на весовые коэффициенты и сумматор, а также вычислитель СКО, вход которого подключен к входным сигналам дальности, и делитель, выход которого подключен к первому входу порогового устройства.

В отличие от прототипа, согласно изобретению, первый выход ЦНРФ соединен с входом дополнительно введенного инвертора, выход которого соединен с первым входом первого делителя. Второй вход делителя подключен к первому выходу вычислителя СКО. Второй вход первого порогового устройства соединен с источником порога, а выход подключен к первому входу сумматора сигналов пороговых устройств. В ЦНРФ дополнительно включены второй блок умножителей на весовые коэффициенты и второй сумматор, выход которого, являющийся вторым выходом ЦНРФ, соединен с первым входом дополнительно введенного второго делителя. Второй вход этого делителя подключен к второму выходу вычислителя СКО, а выход подключен к первому входу дополнительно введенного второго порогового устройства. Второй вход этого устройства соединен с источником второго порога, а выход подключен к второму входу сумматора сигналов пороговых устройств, выход которого является выходом заявленного устройства.

Сущность заявленного изобретения поясняется схемой устройства обнаружения маневра БО по выборкам из 5 и 3 квадратов дальности, приведенной в фиг. 2, где введены следующие обозначения:

1 - умножитель входных сигналов дальности;

2 - ЦНРФ;

2.1 - запоминающее устройство

2.2 - первый блок умножителей;

2.3 - первый сумматор;

2.4 - второй блок умножителей;

2.5 - второй сумматор;

3 - первый делитель;

4 - первое пороговое устройство (ПУ-1);

5 - вычислитель СКО;

6 - инвертор;

7 - второй делитель;

8 - второе пороговое устройство (ПУ-2);

9 - сумматор сигналов пороговых устройств.

В умножителе 1 перемножают поступающие на его вход цифровые сигналы дальности, получают квадраты дальности и подают их на вход ЦНРФ. Запоминающее устройство, первый умножитель на весовые коэффициенты и первый сумматор работают так же, как в прототипе. В итоге на выходе первого сумматора (блок 2.3), получают оценку второго приращения квадрата дальности по выборке из N квадратов дальности:

В отличие от прототипа, эту оценку инвертируют в инверторе 6 и делят в делителе 3 на СКО оценки, вычисляемой так же, как в прототипе. Отношение оценки к СКО сравнивают в ПУ-1 с первым порогом (П₁), величину которого выбирают в соответствии с заданной вероятностью обнаружения маневра. Согласно интегралу вероятностей при П₁=1 вероятность равна 0,68, а при П₁=2 - вероятность не менее 0,95 [6, С. 658-660].

На выходе дополнительно введенного второго сумматора 2.5 получают абсолютную разность |δ| между оценкой второго приращения квадрата дальности, полученной по выборке из 5 квадратов дальности и оценкой второго приращения квадрата дальности, полученной по выборке из 3 квадратов дальности: . Для этого во второй блок умножителей 2.5, в отличие от прототипа, вводят другие весовые коэффициенты

Затем на выходе второго делителя 7 получают отношение абсолютной разности к СКО оценки по выборке из 3 квадратов дальности, которое подают на второе пороговое устройство 8.

Если отношение абсолютной разности к СКО оценки больше порога, выдается сигнал об обнаружении маневра.

Чтобы объединить сигналы первого и второго пороговых устройств, в схему УОМ вводят сумматор сигналов пороговых устройств 9. Решение об обнаружении маневра принимают, если на вход сумматора 9 приходят сигналы о наличии маневра с одного из пороговых устройств или с обоих пороговых устройств.

Для доказательства реализуемости заявленного технического результата на графиках фиг. 3-6 приведены результаты сравнения вероятности обнаружения маневра оперативно тактических ракет заявляемым способом и его аналогом. СКО измерения координат равны: по дальности - σ_r=50 м; по угловым координатам - 0,25° (15 угловых минут).

Как видно из графиков фиг. 3, на участке маневра абсолютные разности между оценками скорости изменения горизонтальной декартовой координаты в соседних положениях «скользящего окна» меньше СКО оценки . Поэтому реализовать высокие вероятности обнаружения маневра БО с использованием способа-аналога проблематично даже в РЛС с относительно высокоточными измерениями угла места и азимута, а в РЛС с грубыми измерениями угловых координат - практически невозможно.

На графиках фиг. 4 приведены значения абсолютных разностей между оценками второго приращения квадрата дальности по выборкам из 5 и 3 квадратов дальности и по выборкам из 7 и 3 квадратов дальности

В приведенном примере значения этих разностей больше удвоенного значения СКО оценки. Поэтому начало маневра БО на ПУТ обнаруживается с вероятностью, близкой единице.

На графиках фиг. 5 показано, что при увеличении длины «скользящего окна» вероятность обнаружения времени окончания маневра возрастает.

На графиках фиг. 6 приведены значения инвертированной оценки второго приращения квадрата дальности Как видно из графика, в отличие от предыдущих примеров, маневр обнаруживается на всем активном участке траектории.

Таким образом, достигнут технический результат заявленного изобретения: повышена вероятность обнаружения маневра баллистических объектов как на ПУТ, так и на АУТ.

Источники информации

1. Кузьмин С.З. Цифровая обработка радиолокационной информации. - М.: «Радио и связь», 1967, 395 с.

2. Жаков A.M., Пигулевский Ф.А. Управление баллистическими ракетами. - М.: «Воениздат МО СССР», 1965, 278 с.

3. Патент RU №2509319. Способ определения времени окончания активного участка траектории баллистической ракеты.

4. Патент RU №2524208. Способ радиолокационного обнаружения маневра баллистической цели на пассивном участке траектории.

5. Патент RU №2510861. Способ определения времени окончания активного участка траектории баллистической ракеты.

6. Сигорский В.П. Математический аппарат инженера. Киев, «Технiка», 1977, 768 с.

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано в радиолокационных станциях (РЛС) для обнаружения маневра баллистических объектов (БО). Достигаемый технический результат - повышение вероятности обнаружения маневра БО как на активном, так и на пассивном участках траектории их полета. Для достижения указанного результата измеряют дальность БО в цифровом виде и через интервалы времени Т₀ определяют квадраты дальности, при автосопровождении БО в «скользящем окне», содержащем выборку из N квадратов дальности длительностью (N-1)Т₀, определяют оценку второго приращения квадрата дальности путем оптимального взвешенного суммирования N квадратов дальности и вычисляют среднеквадратичное отклонение (СКО) этой оценки, сигнал об обнаружении маневра выдают, если отношение инвертированной оценки второго приращения квадрата дальности к СКО оценки становится больше порога, соответствующего заданной вероятности обнаружения маневра. Далее путем оптимального взвешенного суммирования N квадратов дальности в «скользящем окне» определяют абсолютную разность между оценкой второго приращения по выборке длительностью (N-1)T₀ и оценкой второго приращения по выборке длительностью (N-2m-1)Т₀, где mT₀ - удаление по времени начала и конца этой выборки от начала и конца «скользящего окна», вычисляют СКО оценки второго приращения квадрата дальности по этой выборке и отношение абсолютной разности к СКО оценки. Сигнал об обнаружении маневра выдают, если отношение абсолютной разности между оценками к СКО оценки становится больше порога, а решение об обнаружении маневра принимают, если одно из пороговых устройств или оба пороговые устройства выдали сигнал об обнаружении маневра.

Устройство для реализации способа состоит из умножителя входных сигналов дальности, цифрового нерекурсивного фильтра в составе запоминающего устройства, первого и второго блоков умножителей, первого и второго сумматоров, а также из первого и второго делителей, первого и второго пороговых устройств, вычислителя СКО, инвертора и сумматора сигналов пороговых устройств, соединенных определенным образом. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ радиолокационного обнаружения маневра баллистического объекта (БО) по выборкам квадратов дальности, заключающийся в том, что в радиолокационной станции измеряют дальность БО в цифровом виде, через равные интервалы времени T₀ перемножают сигналы дальности и получают квадраты дальности, автосопровождение БО осуществляют в «скользящем окне», содержащем выборку из N квадратов дальности длительностью (N-1)Т₀, отличающийся тем, что в «скользящем окне» определяют оценку второго приращения квадрата дальности путем оптимального взвешенного суммирования N квадратов дальности и вычисляют среднеквадратическую ошибку (СКО) этой оценки, сигнал об обнаружении маневра выдают, если отношение инвертированной оценки второго приращения квадрата дальности к СКО оценки становится больше порога, соответствующего заданной вероятности обнаружения маневра, далее путем оптимального взвешенного суммирования N квадратов дальности в «скользящем окне» определяют абсолютную разность между оценкой второго приращения по выборке длительностью (N-1)T₀ и оценкой второго приращения по выборке длительностью (N-2m-1)T₀, где mT₀ - удаление по времени начала и конца этой выборки от начала и конца «скользящего окна», вычисляют СКО оценки второго приращения квадрата дальности по этой выборке и отношение абсолютной разности к СКО оценки, сигнал об обнаружении маневра выдают, если отношение абсолютной разности между оценками к СКО оценки становится больше порога, а решение об обнаружении маневра принимают, если одно из пороговых устройств или оба пороговые устройства выдали сигнал об обнаружении маневра.

2. Устройство радиолокационного обнаружения маневра баллистического объекта по выборкам квадратов дальности, содержащее последовательно соединенные умножитель, вход которого подключен к входным сигналам дальности, цифровой нерекурсивный фильтр (ЦНРФ), включающий последовательно соединенные запоминающее устройство из N-1 линий задержки, блок умножителей на весовые коэффициенты и сумматор, вычислитель СКО, вход которого подключен к входным сигналам дальности, а также делитель, выход которого подключен к первому входу порогового устройства, отличающееся тем, что первый выход ЦНРФ, являющийся выходом первого сумматора, соединен с входом дополнительно введенного инвертора, выход которого соединен с первым входом первого делителя, второй вход которого подключен к первому выходу вычислителя СКО, второй вход первого порогового устройства соединен с источником порога, а выход подключен к первому входу сумматора сигналов пороговых устройств, в ЦНРФ дополнительно включены последовательно соединенные второй блок умножителей на весовые коэффициенты и второй сумматор, при этом входы второго блока умножителей на весовые коэффициенты соединены с выходами запоминающего устройства, выход второго сумматора, являющийся вторым выходом ЦНРФ, соединен с первым входом дополнительно введенного второго делителя, второй вход которого подключен ко второму выходу вычислителя СКО, а выход подключен к первому входу дополнительно введенного второго порогового устройства, второй вход которого соединен с источником второго порога, а выход подключен ко второму входу сумматора сигналов пороговых устройств, выход которого является выходом устройства.