Способ и устройство определения курса неманеврирующей аэродинамической цели с использованием выборки квадратов дальности Российский патент 2017 года по МПК G01S13/58 

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в РЛС для определения курса неманеврирующей аэродинамической цели (АЦ).

Известен способ, в котором текущий курс определяют как сумму курсового угла и азимута цели в предыдущем обзоре Q=q_n+β_n-1. Для определения курсового угла, то есть угла между линией визирования цели (между направлением «РЛС - АЦ») и направлением вектора скорости, вычисляют несколько вспомогательных величин: разность азимутов в соседних обзорах δβ_n; произведение дальности в последнем обзоре на синус разности азимутов b_n=r_nsinδβ_n; разность между дальностью в предыдущем обзоре и произведением дальности в последнем обзоре на косинус разности азимутов a_n=r_n-1-r_ncosδβ_n; вспомогательный угол По знаку (положительный или отрицательный) a_n и b_n устраняют неоднозначность определения курса. Далее производят экспоненциальное сглаживание текущих значений курса [1, с. 360-365]. Недостаток способа: большие ошибки определения курса при грубых измерениях азимута.

Наиболее близким аналогом заявляемому способу (прототипом) является способ определения курса по выборкам прямоугольных координат. Для этого вычисляют оценки (сглаженные значения) скорости изменения прямоугольных координат и (горизонтальных составляющих вектора скорости) путем оптимального взвешенного суммирования фиксированных выборок прямоугольных координат. Затем вычисляют значение вспомогательного угла Q^*, равное арктангенсу отношения абсолютных значений этих оценок: .

Для устранения неоднозначности определения курса используют информацию о знаке оценок в соответствии с таблицей 1 [2, с. 314].

Как видно из фиг. 1-3, неоднозначность устраняется для всех траекторий.

Недостаток способа-прототипа: большие ошибки определения курса АЦ при грубых измерениях азимута цели.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности определения курса за счет использования фиксированной выборки квадратов дальности.

Для достижения этого технического результата в заявляемом способе определения курса неманеврирующей аэродинамической цели с использованием фиксированной выборки квадратов дальности так же, как в прототипе, в РЛС измеряют дальность r_i и азимут β_i АЦ, преобразуют их в прямоугольные координаты (x_i, y_i). Путем оптимального взвешенного суммирования фиксированной выборки этих координат определяют оценки скорости изменения прямоугольных координат и Затем вычисляют оценку вспомогательного угла и устраняют неоднозначность определения курса по знаку оценок и . Если и больше нуля, то курс равен вспомогательному углу . Если больше нуля, а меньше нуля, то курс равен . Если и меньше нуля, то курс равен . Если меньше нуля, а больше нуля, то курс равен

В отличие от прототипа согласно заявляемому изобретению определяют оценку радиальной скорости в середине интервала наблюдения путем оптимального взвешенного суммирования фиксированной выборки измеренных значений дальности r_i.

Кроме того, измеряют путевую скорость Для этого перемножают цифровые сигналы дальности и получают значения квадратов дальности. Далее определяют оценку второго приращения квадрата дальности за период обзора T₀ путем оптимального взвешенного суммирования фиксированной выборки квадратов дальности. Затем вычисляют квадратный корень из этой оценки и делят на период обзора [3, 4]. После этого вычисляют курсовой угол в середине интервала наблюдения

Путем оптимального взвешенного суммирования измеренных значений азимута β_i определяют оценку азимута в середине интервала наблюдения , среднеквадратическую ошибку этой оценки , где σ_β - СКО измерения азимута.

В отличие от прототипа, значение курса определяется неоднозначно.

Как видно из фиг. 1-3, курс может быть равен как сумме курсового угла и азимута так и разности между азимутом и курсовым углом при одинаковых значениях радиальной скорости, азимута и дальности АЦ, а также при одинаковых или противоположных знаках оценок скорости изменения прямоугольных координат. Кроме того, как видно из фиг. 2, курс может быть равен а из фиг. 3 получена следующая формула:

Поэтому для устранения неоднозначности вычисляют суммы или разности между углами, равными курсовому углу , азимуту , π и 2π, то есть Затем сравнивают разность между полученными результатами и значением курса, определенного в прототипе с СКО определения курса в заявляемом изобретении. Эту СКО вычисляют по формуле:

где - СКО определения курсового угла;

σ_r - СКО измерения дальности;

N - объем фиксированной выборки;

r_cp - дальность АЦ в середине интервала наблюдения.

Вычисляют СКО оценки курса в способе-прототипе по формуле:

Затем сравнивают СКО определения курса в заявляемом изобретении и в прототипе. На выход выдают значение курса с меньшей СКО.

Схема устройства, реализующего заявляемый способ, приведена в фиг. 4. Заявляемое устройство определения курса неманеврирующей аэродинамической цели с использованием фиксированной выборки квадратов дальности содержит так же, как прототип, измеритель курса по выборкам прямоугольных координат (блок 1), состоящий из преобразователя координат (блок 1.1), на входы которого подают данные измерений дальности и азимута, а первый и второй выходы соединены с входами первого и второго цифровых нерекурсивных фильтров (блоки 1.2 и 1.3, ЦНРФ-1 и ЦНРФ-2), выходы которых подключены к первому и второму входам вычислителя вспомогательного угла (блок 1.4), выход которого соединен с первым входом блока устранения неоднозначности определения курса (блок 1.5).

В отличие от прототипа согласно заявляемому изобретению в схему дополнительно введены измеритель путевой скорости АЦ (блок 2), содержащий последовательно соединенные умножитель (блок 2.1), ЦНРФ-3 (блок 2.2), вычислитель квадратного корня (блок 2.3) и делитель на период обзора (блок 2.4), выход которого подключен к первому входу вычислителя курсового угла (блок 5), второй вход которого соединен с выходом измерителя радиальной скорости АЦ (блок 3), содержащего последовательно соединенные ЦНРФ-4 (блок 3.1) и делитель на период обзора (блок 3.2), на входы измерителей путевой и радиальной скорости подают данные измерений дальности, выход вычислителя курсового угла подключен к второму входу блока устранения неоднозначности определения курса в заявляемом устройстве (блок 6), первый вход которого подключен к выходу измерителя курса по выборкам прямоугольных координат (блок 1), а третий вход соединен с выходом ЦНРФ-5 оценивания азимута АЦ в середине интервала наблюдения (блок 4), на вход которого подают данные измерений азимута АЦ, выход блока устранения неоднозначности определения курса в заявляемом устройстве подключен к первому входу схемы сравнения (блок 7), второй вход которого соединен с выходом измерителя курса по выборкам прямоугольных декартовых координат (блок 1), а третий и четвертый входы соединены с выходами вычислителей СКО определения курса в прототипе и в заявляемом устройстве, первый и второй выходы схемы сравнения являются выходами заявляемого устройства.

Как видно из фиг. 4, основными блоками устройства являются цифровые нерекурсивные фильтры, построенные по одинаковой схеме (смотри фиг. 5). ЦНРФ содержит последовательно соединенные запоминающее устройство из N-1 элементов задержки (линии задержки, регистры сдвига и др.) на период обзора, блок умножителей на весовые коэффициенты из N умножителей и сумматор. Входной сигнал в текущем обзоре (u_N) умножают на весовой коэффициент и подают на сумматор. Сигналы предыдущих обзоров (u_N; u_N-1, …, u₂, u₁) задерживают на соответствующее число обзоров и умножают на весовые коэффициенты. В итоге на входе сумматора формируют фиксированную выборку из N взвешенных сигналов, а на выходе сумматора получают оценку (сглаженное значение) сигнала или его первого и второго приращения в выбранной точке интервала наблюдения.

ЦНРФ отличаются друг от друга типом входного сигнала и весовыми коэффициентами. Так ЦНРФ-1, 2, 4 (блоки 1.2, 1.3 и 3.1) используют весовые коэффициенты оценивания первого приращения, вычисляемые по формуле: В ЦНРФ-3 используют весовые коэффициенты оценивания второго приращения а в ЦНРФ-5 - весовые коэффициенты оценивания азимута в середине интервала наблюдения [2, с. 151-155].

Для доказательства реализуемости заявленного технического результата вычислим СКО определения курса для следующего случая. АЦ летит к РЛС параллельно оси Y (курс Q=180°) с курсовым параметром r₀=50 км (см. фиг. 6). Длина интервала наблюдения АС («скользящего окна») равна 30 км, время оценивания - 2 минуты.

СКО определения курса в заявляемом изобретении и в прототипе приведены в таблицах 2 и фиг. 6. Как видно из таблицы 2 и графиков фиг. 3, при ошибках измерения дальности σ_r=50 м заявляемое изобретение обеспечивает большую точность определения курса по сравнению с прототипом начиная с дальности 220 км, а при σ_r=25 м точность выше в полтора раза чем в прототипе уже на дальности 300 км.

В заявляемом изобретении, в отличие от прототипа, точность определения курса практически не зависит от ошибок измерения азимута. Как видно из табл. 2, СКО сглаженного значения азимута АЦ в середине интервала наблюдения не превышает 0,62°.

Следует отметить, что проблематично существенно уменьшить ошибки измерения азимута в РЛС метрового диапазона, размеры антенны которых соизмеримы с длиной волны. В то же время ошибки измерения дальности не зависят от размеров антенны. Например, в американской РЛС AN/TPS-59 достигнута точность измерения дальности около 30 метров [5, с. 36].

Таким образом, доказана промышленная реализуемость технического результата заявляемого изобретения: повышение точности определения курса неманеврирующей аэродинамической цели за счет использования фиксированной выборки квадратов дальности и уменьшения влияния ошибок измерения азимута.

Список использованных источников

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

2. Кузьмин С.З. Основы теории цифровой обработки радиолокационной информации. - М.: «Сов. радио», 1974.

3. Способ определения модуля скорости аэродинамической цели. Патент на изобретение №2559296.

4. Устройство радиолокационного определения путевой скорости неманеврирующей воздушной цели. Патент на полезную модель №152617.

5. Радиоэлектронные системы: основы построения и теория. Справочник / Под ред. Я.Д. Ширмана. - М: ЗАО «МАКВИС», 1998.

Изобретение относится к области радиолокации. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения курса неманеврирующей аэродинамической цели. Указанный результат достигается за счет использования фиксированной выборки квадратов дальности и уменьшения влияния ошибок измерения азимута. Указанный результат достигается за счет того, что определяют путевую скорость путем взвешенного суммирования выборки квадратов дальности, радиальную скорость путем взвешенного суммирования измерений дальности и вычисляют курсовой угол в середине интервала наблюдения Курс вычисляют по формуле , где - азимут, устраняют неоднозначность определения курса, вычисляют ошибки определения курса, потребителям выдают значение курса с меньшей ошибкой. 2 н.п. ф-лы, 6 ил., 2 табл.

1. Способ определения курса неманеврирующей аэродинамической цели с использованием выборки квадратов дальности, заключающийся в том, что в РЛС измеряют дальность и азимут, производят их преобразование в прямоугольные координаты (x_i y_i), определяют курс по выборкам этих координат, для этого оценивают скорости их изменения и , вычисляют оценку вспомогательного угла и устраняют неоднозначность определения курса по знаку оценок и , если и больше нуля, то курс равен вспомогательному углу , если больше нуля, а меньше нуля, то курс равен , если и меньше нуля, то курс равен , если меньше нуля, а больше нуля, то курс равен , отличающийся тем, что оценивают радиальную скорость в середине интервала наблюдения путем оптимального взвешенного суммирования фиксированной выборки значений дальности, измеряют путевую скорость , для этого перемножают значения дальности и получают значения квадратов дальности, оценивают второе приращение квадрата дальности за период обзора Т₀ путем оптимального взвешенного суммирования фиксированной выборки квадратов дальности, вычисляют квадратный корень из этой оценки и делят на период обзора, вычисляют курсовой угол в середине интервала наблюдения и среднеквадратическую ошибку определения этого угла , где σ_r - среднеквадратическая ошибка измерения дальности, N - объем фиксированной выборки, оценивают азимут в середине интервала наблюдения путем оптимального взвешенного суммирования значений азимута β_i, среднеквадратическую ошибку этой оценки , где σ_β - среднеквадратическая ошибка измерения азимута, вычисляют среднеквадратические ошибки определения курса в заявляемом способе и по фиксированным выборкам прямоугольных координат , для устранения неоднозначности определения курса в заявляемом способе вычисляют суммы или разности между углами, равными курсовому углу , азимуту , π и 2π, и сравнивают полученные результаты со значением курса, определенного по фиксированным выборкам прямоугольных координат, сравнивают среднеквадратические ошибки определения курса в заявляемом способе и по фиксированным выборкам прямоугольных координат, на выход выдают значение курса с меньшей среднеквадратической ошибкой.

2. Устройство определения курса неманеврирующей аэродинамической цели с использованием фиксированной выборки квадратов дальности, содержащее измеритель курса по выборкам прямоугольных координат, состоящий из преобразователя координат, на входы которого подают данные измерений дальности и азимута, а первый и второй выходы соединены с входами первого и второго цифровых нерекурсивных фильтров, выходы которых подключены к первому и второму входам вычислителя вспомогательного угла , выход которого соединен с входом блока устранения неоднозначности определения курса, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены измеритель путевой скорости аэродинамической цели, содержащий последовательно соединенные умножитель, третий цифровой нерекурсивный фильтр, вычислитель квадратного корня и делитель на период обзора, выход которого подключен к первому входу вычислителя курсового угла, второй вход которого соединен с выходом измерителя радиальной скорости, содержащего последовательно соединенные четвертый цифровой нерекурсивный фильтр и делитель на период обзора, входы измерителей путевой и радиальной скорости подключены к выходам измерителей дальности, выход вычислителя курсового угла подключен к второму входу блока устранения неоднозначности определения курса в заявляемом устройстве, первый вход которого подключен к выходу измерителя курса по выборкам прямоугольных координат, а третий вход соединен с выходом пятого цифрового нерекурсивного фильтра оценивания азимута в середине интервала наблюдения, вход которого подключен к выходу измерителя азимута аэродинамической цели, выход блока устранения неоднозначности определения курса в заявляемом устройстве подключен к первому входу схемы сравнения, второй вход которой соединен с выходом измерителя курса по выборкам прямоугольных координат, а третий и четвертый входы соединены с выходами вычислителей среднеквадратических ошибок определения курса в заявляемом устройстве и по выборкам прямоугольных координат, первый и второй выходы схемы сравнения являются выходами заявляемого устройства.