Способ определения координат воздушных целей в многопозиционной системе наблюдения "навигационные спутники - воздушные цели - приемник" Российский патент 2019 года по МПК G01S13/06 

Предлагаемое изобретение относится к радиолокации, а именно к системам определения местоположения воздушных судов многопозиционной неизлучающей системой наблюдения «навигационные спутники - воздушные цели - приемник», в которой для подсвета воздушных целей используются сигналы навигационных спутников глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС).

Многопозиционная неизлучающая система наблюдения «навигационные спутники - воздушные цели - приемник» имеет специфическую задачу, связанную с объединением в приемнике информации, поступающей от нескольких спутников и нескольких целей. Эта задача состоит в отождествлении рассчитываемых координат с соответствующими целями.

Одной из задач, решаемых при радиолокационном наблюдении является задача определения координат целей источников излучений, измеренных в различных приемных устройствах [1].

Известен способ многопозиционной радиолокации [2], заключающийся в излучении радиолокационных сигналов, синхронизированном приеме отраженных сигналов аппаратурой разнесенных позиций, объединении и совместной обработке сигналов и информации для обнаружения воздушных целей, измерения их координат, определения параметров траекторий и последующего отождествления, в котором аппаратурой разнесенных позиций осуществляют синхронизированные излучение и прием сигналов с использованием линий электропередачи.

Известна многопозиционная система определения местоположения воздушных судов [3], содержащая наземный радиозапросчик и самолетный ответчик, соединенные линией запроса, не менее трех приемников ответных сигналов, соединенных с самолетным ответчиком по линиям ответа.

Однако эти способы не предназначены для определения координат воздушных целей в неизлучающей многопозиционной системе наблюдения «навигационные спутники - воздушные цели - приемник».

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ определения координат воздушной цели в многопозиционной системе наблюдения «навигационные спутники - воздушная цель - приемник» [4], в основу которого положен разностно-дальномерный навигационный метод определения координат.

Однако в этом источнике рассматривается способ определения координат только одной цели. Наличие же нескольких целей приводит к возникновению ложных координат реально не существующих объектов наблюдения, которые необходимо исключить. Кроме того, в этом способе при расчете координат используется итерационный метод наименьших квадратов, приводящий к возникновению дополнительных погрешностей, обусловленных приближенным методом решения.

Задачей предлагаемого изобретения является определение местоположения нескольких воздушных целей многопозиционной радиолокационной системой по измерениям сумм расстояний от целей до спутников и приемника, координаты которых известны, прямым, без итерационным методом, использующим прямое решение системы нелинейных уравнений для расчета координат.

Технический результат достигается тем, что в многопозиционной системе наблюдения, состоящей из N спутников и приемника, определение координат воздушных целей осуществляется следующим образом:

- на основе измерений по рассеянным сигналам расстояний R_nm=r_nm+r_m (r_nm - расстояние от n-го спутника n=1, 2, …, N, до m-й воздушной цели m=1, 2, …, М, r_m - расстояние от m-й цели до приемника) вдоль пути распространения «n-й навигационный спутник - m-я воздушная цель - навигационный приемник» рассчитываются N^M возможных вариантов координат воздушных целей x_цm, y_цm, z_цm с помощью системы уравнений

где

х_n, y_n, z_n, n=1, 2, …, N - координаты спутников, ε_n, n=1, 2, …, N - погрешность оценки расстояний,

- оценка неизвестных координат x_цm, y_цm и z_цm находится из решения системы уравнений с применением аппарата псевдообратных матриц в следующем виде

где - псевдообратная матрица.

- формируется сумма где

- координатами М целей берутся координаты, рассчитанные с помощью системы уравнений, имеющие номера, равные номерам М минимальных значении сумм из N^M возможных.

На Фиг. 1 приведена функциональная схема определения координат воздушных целей в многопозиционной системе наблюдения «навигационные спутники - воздушные цели - приемник», рассматриваемая в данном способе.

В способе определения координат воздушных целей в многопозиционной системе наблюдения «навигационные спутники - воздушные цели - приемник» задействованы N навигационных спутников 1₁, 1₂, …, 1_N с координатами x_n, y_n, z_n, где n=1, 2, …, N(N>4), М воздушных целей 3₁, 3₂, …, 3_M с искомыми координатами x_цm, y_цm, z_цm, где m=1, 2, …, М, приемник 2 с координатами x, y, z.

N навигационных спутников 1₁, 1₂, …, 1_N, излучая сигналы, осуществляют подсветку М воздушных целей 3₁, 3₂, …, 3_M. Приемник 2 принимает навигационные сигналы от спутников 1₁, 1₂, …, 1_N и подсветку от воздушных целей 3₁, 3₂, …, 3_M.

Особенность сформулированной цели изобретения состоит в том, что в приемнике 2 неизвестно какой из m-ой воздушной цели (m=1, 2, …, М) принадлежит расстояние «n-й навигационный спутник - m-я воздушная цель - приемник». Из-за этого возникает большое число L=N^M возможных вариантов координат целей, из которых необходимо найти истинные координаты воздушной цели 3_m.

Отраженные от воздушной целей 3₁, 3₂, … 3_M сигналы поступают в приемник 2, находящийся в зоне действия системы наблюдения, с известными координатами (x, y, z).

Приемник 2 наряду с навигационными сигналами прямого распространения принимает навигационные сигналы, рассеянные воздушными целями 3₁, 3₂, … 3_M с неизвестными координатами x_цm, y_цm, z_цm, находящимися в зоне действия многопозиционной системы наблюдения. Навигационные сигналы, рассеянные воздушной целью, выделяют на фоне навигационных сигналов прямого распространения одним из оценочно-корреляционно-компенсационных методов [5]. По рассеянным сигналам осуществляется измерение расстояний R_nm=r_nm+r_m (r_nm - расстояние от n-го спутника до m-й цели, r_m - расстояние от m-й цели до приемника) вдоль пути распространения «n-й навигационный спутник - m-я воздушная цель - приемник», соответствующее выражение для которых имеет следующий вид:

где - расстояние от n-го спутника до m-ой воздушной цели, - расстояние от m-ой воздушной цели до приемника 2.

После избавления от квадратного корня это уравнение примет вид

С использованием этого уравнения искомые возможные координаты m-ой воздушной цели x_цm, y_цm, z_цm (m=1, 2, …, М) свяжем с расстояниями R_nm (n=1, 2, …, N) вдоль пути распространения «n-й навигационный спутник - m-я воздушная цель - приемник» с помощью системы уравнений

или, после раскрытия скобок

В этой системе будем искать возможные координаты x_цm, y_цm, z_цm воздушной цели 3_m и расстояние r_m - от воздушной цели 3_m до приемника 2. Заметим, что введение в систему переменной r_m взамен в дальнейшем позволит избавиться от квадратных корней и даст возможность реализовать прямой способ расчета координат.

Система уравнений (1), является нелинейной. Она содержит неизвестные параметры в степени 2.

Проведем линеаризацию этой системы. Вычитая из каждого i-го уравнения уравнение с номером i+1 и приводя подобные члены, получим систему из N-1 линейных уравнений

Матричная форма системы этих уравнений относительно искомых координат х_цm, y_цm, z_цm воздушной цели 3_m и расстояния r₀ имеет вид

где

Оценку координат х_цm, y_цm, z_цm воздушной цели 3_m найдем решением системы (2) с применением аппарата псевдообратных матриц [6] в следующем виде

где - псевдообратная матрица.

Таким образом определен возможный вариант пространственных координат одной из воздушных целей 3_m в многопозиционной системе наблюдения «n-й навигационный спутник - m-я воздушная цель - приемник» путем прямого решения системы уравнений, связывающей искомые координаты с расстояниями вдоль пути распространения «n-й навигационный спутники - m-я воздушная цель - приемник».

После расчета N^M возможных вариантов координат целей, связанных с N^M возможных комбинаций расстояний, необходимо решить задачу отождествления, заключающуюся в принятии решения о принадлежности истинных координат той или цели. Для решения задачи отождествления сформулируем критерий принадлежности рассчитанных возможных координат соответствующим целям.

Координаты целей x_цm, y_цm, z_цm должны быть связаны с измеренными расстояниями R_nm вдоль трассы распространения «n-й спутник - m-я цель - приемник» с помощью уравнения. Составим N равенств, соответствующих n-м спутникам для каждой m-й цели, сигналы которых регистрируются в приемнике

Сформируем сумму модулей Эта сумма будет иметь минимальное значение, когда координаты цели, будут соответствовать измеренным до нее расстояниям от N передатчиков. Поэтому в качестве критерия оптимальной оценки координат предлагается использовать эту сумму. То есть критерием отождествления рассчитанных координат, соответствующих М воздушным целям, будет М минимальных значений сумм из N^M возможных.

Литература.

1. Теоретические основы радиолокации под ред. проф. Ширмана Я.Д. - М.: Сов. радио, 1970, стр. 494-495.

2. Патент 2332684. Куликов А.Л. Способ многопозиционной радиолокации и устройство для его осуществления. Заявл. 24.01.2007. Опубл. 27.08.2008. Бюл. №24.

3. Патент 2584689. Майков Г.Н. и др. Многопозиционная система определения местоположения воздушных судов. Заявл. 11.11.2014. Опубл. 20.05.2016. Бюл. №14.

4. Кирюшкин В.В., Черепанов Д.А., Дьяконов Е.А. Определение координат воздушной цели в многопозиционной системе наблюдения «навигационные спутники - воздушная цель - навигационный приемник». АО «Концерн «Созвездие». Теория и техника радиосвязи. №2. 2016. С. 29-35.

5. Патент 2591052 РФ, МПК G01S 5/06, G01S 13/95 Способ обнаружения и оценки радионавигационных параметров сигнала космической системы навигации, рассеянного воздушной целью, и устройство его реализации / В.В. Кирюшкин (РФ), Д.А. Черепанов (РФ), А.А. Дисенов (РФ) и др.; Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации (RU), Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации (RU) - №2014101847; Заявлено 21.01.2014. Опубл. 10.07.2016. Бюл. 19. 9 с.: 1 ил.

6. Маркин В.Г. Расчет координат объектов в разностно-дальномерной системе и анализ погрешностей расчета // Радиотехника. 2013. №12. С. 81-85

Изобретение относится к радиолокации, а именно к системам определения местоположения воздушных судов многопозиционной неизлучающей системой наблюдения «навигационные спутники - воздушные цели - приемник», в которой для подсвета воздушных целей используются сигналы навигационных спутников глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Достигаемый технический результат - определение местоположения нескольких воздушных целей многопозиционной радиолокационной системой по измерениям сумм расстояний от целей до спутников и приемника, координаты которых известны, прямым, безытерационным методом, использующим прямое решение системы нелинейных уравнений для расчета координат. Технический результат достигается тем, что в многопозиционной системе наблюдения, состоящей из N спутников и приемника, определение координат воздушных целей осуществляется на основе измерений по рассеянным сигналам расстояний R_nm=r_nm+r_m (r_nm - расстояние от n-го спутника, n=1, 2, …, N, до m-й воздушной цели, m=1, 2, …, М, r_m - расстояние от m-й цели до приемника), вдоль пути распространения «n-й навигационный спутник - m-я воздушная цель - навигационный приемник» рассчитываются N^M возможных вариантов координат воздушных целей x_цm, y_цm, z_цm с помощью соответствующей системы уравнений, оценка неизвестных координат x_цm, y_цm и z_цm находится из решения системы уравнений с применением аппарата псевдообратных матриц. После расчета N^M возможных вариантов координат целей, связанных с N^M возможными комбинациями расстояний, по определенному критерию принимают решение о принадлежности истинных координат той или иной цели. 1 ил.

Способ определения координат воздушных целей в многопозиционной системе наблюдения «навигационные спутники - воздушные цели - приемник», состоящей из N спутников и приемника, осуществляющий

- расчет N^M возможных вариантов координат воздушных целей на основе измерений по рассеянным сигналам расстояний R_nm=r_nm+r_m (r_nm - расстояние от n-го спутника, n=1, 2, …, N, до m-й воздушной цели, m=1, 2, …, М, r_m - расстояние от m-й цели до приемника) вдоль пути распространения «n-й навигационный спутник - m-я воздушная цель - приемник» x_цm, y_цm, z_цm из системы уравнений

,

где

,

,

х_n, y_n, z_n, n=1, 2, …, N - координаты спутников, ε_n, n=1, 2, …, N - погрешность оценки расстояний,

- оценку неизвестных координат x_цm, y_цm, z_цm из решения системы уравнений с применением аппарата псевдообратных матриц в виде

,

где - псевдообратная матрица,

- формирование суммы , где

,

- выбор координат М целей, рассчитанных с помощью системы уравнений, имеющих номера L, равные номерам М минимальных значений сумм из N^M возможных.