Способ измерения угла места (высоты) низколетящих целей под малыми углами места в радиолокаторах кругового обзора при наличии мешающих отражений от подстилающей поверхности Российский патент 2017 года по МПК G01S13/42 

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано в радиолокаторах кругового обзора для измерения угла места (высоты) низколетящих целей под малыми углами места при наличии мешающих отражений от подстилающей поверхности.

В трехкоординатных радиолокаторах различного назначения при измерении угломестных координат возникает проблема, обусловленная снижением точности оценивания угла места (высоты) обнаруженных низколетящих целей из-за явления многолучевости, порожденного отражениями эхо-сигналов от подстилающей поверхности. Наиболее значительное влияние на точность измерения обнаруженной цели явление многолучевости оказывает в радиолокационных станциях низколетящих целей. Для борьбы с явлением многолучевости при измерении угла места (высоты) разработаны различные методы, которые условно можно разделить на две группы.

К первой относятся способы, направленные на совершенствование антенных систем, заключающиеся в реализации узконаправленных по углу места диаграмм направленности антенн с целью уменьшения зоны взаимодействия главного луча диаграммы направленности антенны с подстилающей поверхностью (см., напр. [1]). Однако практическая реализация этих способов влечет за собой увеличение апертуры (размера) антенной системы, причем как по вертикали, так и по горизонтали. Другими словами, в основе этих способов - повышение угловой разрешающей способности по угловым координатам. Последний фактор также направлен на снижение зоны взаимодействия с подстилающей поверхностью. Реализация больших антенн является малоприемлемым решением для большинства радиолокаторов, предназначенных для обнаружения низколетящих целей, так как повышается конструктивно-технологическая сложность изделий, снижается мобильность и возникают затруднения по их размещению на высотных опорах.

Вторая группа способов определения угла места (высоты цели), основана на привлечении дополнительной информации о влиянии отражений от подстилающей поверхности и устранении или снижении эффективности этого влияния на оценку угла места (высоты) цели. К этой группе относится значительное число способов, базирующихся на моноимпульсном методе измерения угломестной координаты. Например, для устранения недостатков, вызванных влиянием многолучевости и в разной степени проявляющихся в верхнем и нижнем лучах диаграмм направленности антенн в моноимпульсных системах пеленгации (см., напр.[1]), применяются различные способы снижения этого влияния на оценку угла места как за счет использования дополнительных антенн [2, 3], так и за счет учета оценки мешающего влияния отраженного от поверхности эхо-сигнала путем решения специальных уравнений [2-6], обеспечивающих снижение отрицательного влияния на точность оценки угломестной координаты. К тому же при реализации способа [3] требуется проведение большого количества измерений, т.е. определение угла места является итерационной процедурой, которая вносит свои дополнительные погрешности в случае слабой отражательной способности цели. В способе [4] необходимо использовать априорные данные по интенсивности отражений от подстилающей поверхности, получаемые на основе информации о перепаде высот рельефа земной поверхности, содержащейся в цифровых картах местности, и его применение ограничено метровым диапазоном, способ [5] может быть реализован только в антеннах с горизонтальной поляризацией, использование способа [6] ограничено местностью с не очень сложной структурой подстилающей поверхности или с относительно ровной поверхностью, и его невозможно использовать в системах обзорного типа с механическим сканированием. Кроме того, задача оценки мешающего влияния отраженного от поверхности эхо-сигнала, в принципе, является сложной, необходимо учитывать фактор времени года и суток, метеоусловий, типа местности, что трудно реализовать.

Во всех рассмотренных выше способах для снижения отрицательного влияния многолучевости на точность измерения угла места низколетящих целей используемые приемы приводят либо к увеличению размера антенных систем, либо к дополнительным измерениям и решениям уравнений с использованием априорных или апостериорных данных параметров подстилающей поверхности, полученных в процессе дополнительных измерений. Необходимость выполнения дополнительных измерений снижает темп обзора пространства и приводит к увеличению времени обзора пространства, что неприемлемо для радиолокаторов, предназначенных для обнаружения низколетящих целей.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ измерения высоты целей по методу V-образного луча, описанный, например, в монографии [6], стр. 274-275. В данном способе высота воздушного объекта определяется с использованием измерений дальности до цели и ее азимута на данной дальности, измеренных двумя специально ориентированными диаграммами направленности антенны. При реализации описанного в монографии метода V-луча антенная система имеет два луча - вертикальный и наклонный, плоскость последнего составляет с плоскостью вертикального луча угол в 45 градусов. В вертикальной плоскости диаграмма направленности формируется по закону типа cosecθ, где θ - угол плоскости луча, отсчитываемый от линии пересечения вертикального и наклонного лучей диаграммы направленности антенны. Ширина лучей в азимутальной плоскости выбирается исходя из требуемого разрешения по азимуту и обычно составляет единицы градусов. При методе V-луча оба луча антенной системы вращаются вокруг вертикальной оси. Для оценки высоты используются оценка дальности до цели и измерение азимутальной координаты в вертикальном и наклонном лучах диаграммы направленности. Однако поскольку метод V-луча предназначался для измерения высоты целей на больших и средних высотах, то вертикальный и наклонный лучи пересекаются в нижней части зоны ответственности (вблизи поверхности Земли). В связи с этим разность в оценках азимута низколетящих целей в вертикальных и наклонных лучах мала или равна нулю, в связи с чем сложно оценить высоту низколетящей цели под малыми углами места.

В предложенном способе аналогично методу V-луча используются две антенны, причем вертикальные и наклонные лучи пересекаются под углом 45 градусов в верхней зоне ответственности и разнесены в нижней части зоны ответственности (на поверхности Земли). Угол места (высота) обнаруженной цели определяется на одной дальности на основе разности измеренных азимутов в вертикальном и наклонном лучах и вычисляется по формуле:

ε_ц=β_Г-β_Δ, h=R_нsinε_ц, где ε_ц - оцениваемый угол места, h - высота цели, R_н - дальность до цели, β_Δ - разность азимутов, β_Г - ширина горизонтального луча между нижней кромкой вертикального и нижней кромкой наклонного лучей.

Существо предлагаемого способа можно пояснить с привлечением фиг. 1, где:

О - центр системы координат XYZ;

Л_в - вертикальный луч, ориентированный вдоль оси z;

Л_н - наклонный луч;

Л_г - горизонтальный луч, являющийся проекцией Л_н на горизонтальную плоскость;

ОВ - линия перечения горизонтального и наклонного лучей;

ОК - линия пересечения наклонного луча и горизонтальной плоскости;

B₁ - точка нахождения цели в вертикальном луче;

K₁ - точка нахождения цели в наклонном луче;

K₂ - проекция точки K₁ на горизонтальную плоскость;

В₂ - проекция точки K₁ на ось z;

На фиг. 1 радиолокатор (антенная система) находится в точке O (в центре системы координат XYZ). Оба луча антенной системы имеют сравнительно узкую диаграмму направленности по азимуту (например, 0,8-1°), вертикальный луч Л_в (ориентированный на фиг. 1 вдоль оси z) и наклонный луч Л_н неподвижны относительно друг друга и вместе вращаются вокруг оси Y. Вертикальный луч Л_в имеет диаграмму направленности (угол ВОВ₂=ε) в угломестной плоскости, составляющую единицы градусов (например, 6-10°). Наклонный луч Л_н, пересекается с Л_в в верхней зоне ответственности и наклонен по отношению к вертикальному лучу на 45°, лучи разнесены в нижней зоне ответственности на поверхности Земли. В этом случае горизонтальный луч Л_г, являющийся проекцией Л_н на горизонтальную плоскость, равен Л_в (из построения). Следовательно, угол В₂ОK равен углу ВОВ₂ и равен ε.

Пусть цель находится в вертикальном луче в точке В₁, а в наклонном луче в точке K₁. Тогда. B₁O=K₁O=R_H по определении B₁B₂=K₁K₂ и угол ВВ₂К равен углу K₁K₂K и равен 90°. В то же время, поскольку угол K₁K₂K=углу K₁K₂O=90°, а катет K₂O общий, тогда треугольник KOK₁ равен треугольнику KOK₂ и угол KOK₂ равен углу K₁OK₂ и равен углу B₁OB₂=ε_ц - искомому углу места. Угол места можно определить, зная азимут цели в луче Л_в-β₀ и азимут цели в луче наклона Л_н-β_н, получаем значение угла В₂ОK₂=β_Δ=β_н-β₀. Тогда угол места цели ε_ц=β_Г-β_Δ, а высота цели h=R_нsinε_н.

Работоспособность приведенных соотношений проиллюстрируем на двух крайних случаях. Пусть цель находится в точке K. Тогда разность азимутов β_Δ=углу KOB₂=β_Г, следовательно ε_ц=β_Г-β_Δ=0, т.е. цель на поверхности Земли. Другой крайний случай - цель в точке B, β_Δ=0, следовательно ε_ц=β_Г=ε.

ЛИТЕРАТУРА

1. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. - М.: Радио и связь, 1984 г. - 312 с.

2. Патент на изобретение RU №2444750 C2, МПК G01S 5/08. Способ определения угломестной координаты низколетящей цели.

3. Патент на изобретение RU №2307375 C1, МПК G01S 13/04. Способ измерения угла места низколетящей цели и радиолокационная станция для его реализации.

4. Патент на изобретение RU №2291464 C2, МПК G01S 13/04, G01S 13/42, G01S 3/74. Способ измерения угла места целей при наличии отражений принимаемого эхосигнала от земной поверхности и импульсная наземная трехкоординатная радиолокационная станция для его реализации.

5. Патент на изобретение RU №2038607 C1, МПК G01S 13/02. Способ измерения угла места маловысотных целей.

6. Патент на изобретение RU №2392638 C1, МПК G01S 13/00. Способ высокоточного радиолокационного измерения угла места низколетящей цели в условиях интерференции сигналов.

7. Бакулев П.А. Радиолокационные системы.- М.: Радиотехника, 2004. - 320 с.

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано в трехкоординатных радиолокаторах кругового обзора для измерения угла места (высоты) низколетящих целей под малыми углами места, в том числе целей, летящих на предельно малых высотах (десятки метров от поверхности земли), при наличии мешающих отражений от подстилающей поверхности. Достигаемым техническим результатом изобретения является создание способа измерения угла места (высоты) низколетящих целей под малыми углами места в трехкоординатных радиолокаторах кругового обзора, позволяющего обеспечить минимизацию влияния явления многолучевости, вызванного переотражениями эхо-сигналов от подстилающей поверхности. Технический результат достигается благодаря тому, что вычисление угла места (высоты) обнаруженной цели производится на основе оценок координаты дальности и разности в оценке азимутов цели, измеряемых при прохождении вертикального и наклоненного на 45 градусов в угломестной плоскости лучей антенной системы через цель на одной дальности. 1 ил.

Способ измерения угла места (высоты) низколетящих целей под малыми углами места в трехкоординатных радиолокаторах кругового обзора при наличии мешающих отражений от подстилающей поверхности, характеризующийся тем, что в радиолокаторе кругового обзора излучаются и принимаются радиолокационные импульсные сигналы с помощью двух специально ориентированных одинаковых антенн, имеющих сравнительно узкую диаграмму направленности в азимутальной плоскости и достаточно широкую диаграмму направленности в угломестной плоскости, одна из антенн формирует вертикальный луч в угломестной плоскости, а другая антенна наклонный луч в угломестной плоскости, наклоненный относительно вертикального луча, оба луча неподвижны относительно друг друга и вместе вращаются вокруг вертикальной оси, отличающийся тем, что диаграммы направленности вертикального и наклонного лучей пересекаются в верхней зоне ответственности под углом 45 градусов и разнесены в нижней части зоны ответственности, а угол места (высота) обнаруженной цели определяется на одной дальности на основе разности измеренных азимутов в вертикальном и наклонном лучах и вычисляется по формуле:

ε_ц=β_Г-β_Δ, h=R_нsinε_ц, где ε_ц - оцениваемый угол места, h - высота цели, R_н - дальность до цели, β_Δ - разность азимутов, β_Г - ширина горизонтального луча между нижней кромкой вертикального и нижней кромкой наклонного лучей.