СПОСОБ ОДНОВРЕМЕННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ, СКОРОСТИ И УСКОРЕНИЯ МАЛОСКОРОСТНОЙ МАНЕВРИРУЮЩЕЙ ВОЗДУШНОЙ ЦЕЛИ В ИМПУЛЬСНО-ДОПЛЕРОВСКИХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СТАНЦИЯХ ПРИ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЕ ПОВТОРЕНИЯ ИМПУЛЬСОВ И ЛИНЕЙНОЙ ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИИ Российский патент 2019 года по МПК G01S13/00 G01S13/58 

Изобретение относится к радиолокации воздушных целей (ВЦ) и применимо в стационарных и мобильных импульсно-доплеровских (ИД) радиолокационных станциях (РЛС) военного и гражданского назначения:

- функционирующих в режимах с высокой (ВЧП) частотой повторения импульсов (ЧПИ), малой скважностью и внутриимпульсной линейной частотной модуляцией несущей частоты (ЛЧМ);

- предназначенных для обнаружения, измерения первичных радиолокационных параметров (ПРЛП) и сопровождения ВЦ;

в широком диапазоне скоростей сближения с РЛС, включая радиальные скорости, близкие к нулю;

при интенсивном маневрировании ВЦ и/или носителя РЛС, включая применение специальных («антирадарных») тактические приемов (полет летательного аппарата (ЛА) на предельно малых/малых высотах, резкое изменение скорости/направления движения, «зависание» и др.);

при малой эффективной площади рассеяния (ЭПР) целей.

Для существующих образцов ИД РЛС в настоящее время считаются [7] типичными низколетящие малоскоростные маневрирующие цели с малой ЭПР, например, беспилотные ЛА, в т.ч. и обладающие свойствами сверхманевренности. В то же время такие малоскоростные маневрирующие ВЦ для ИД РЛС являются проблемными с точки зрения их обнаружения и измерения ПРЛП, что обусловлено следующими обстоятельствами.

Обнаружение ВЦ с малой ЭПР и на больших удалениях (при близких к единице отношениях «сигнал-шум») и при широком диапазоне возможных радиальных скоростей требует увеличения времени когерентного накопления сигнала ВЦ (до сотен миллисекунд) и использования ВЧП для однозначного определения скоростей, что, в целом, приводит:

- к увеличению числа «слепых» зон по дальности (из-за бланкирования приемника на время излучения импульса), степени неоднозначности измерения дальности - внутрипериодного положения (задержки) сигнала цели (ВПЦ);

- к увеличению общей продолжительности радиоконтакта с ВЦ в связи с необходимостью излучения серий пачек зондирующих импульсов (ПЗИ) для раскрытия «слепых» зон при обнаружении и устранения неоднозначности ВПЦ, а также в связи с увеличением длительности самих ПЗИ для достижения эффекта когерентного накопления.

Типичными для современных ИД РЛС являются многоцелевые задачи сопровождения ВЦ с продолжительными интервалами экстраполяции траекторий. При этом ужесточаются требования к точности измерений ПРЛП, а в условиях интенсивного маневрирования возникает необходимость повышения информативности сеанса РЛ измерений - прежде всего, в аспекте определения производных пространственных и угловых координат второго и более высокого порядка в интересах обеспечения точности и устойчивости сопровождения маневрирующих ВЦ.

С другой стороны, возникающее при маневре радиальное ускорение приводит к изменению характеристик принимаемого сигнала - появлению вторичной частотной модуляции; «размыванию» спектра сигнала ВЦ и снижению эффекта когерентного накопления; снижению отношения «сигнал/шум» на входе обнаружителя; возможности проявления сигнала одной цели в нескольких доплеровских фильтрах и др. В целом, при относительно длительном радиоконтакте с ВЦ и при интенсивном маневрировании радиальное ускорение существенно влияет на возможности ИД РЛС по обнаружению ВЦ и по точности измерений ее ПРЛП.

Кроме того, для малоскоростных целей или при маневрах скоростных ЛА, приводящих к малой скорости сближения или «зависанию» (далее по тексту такие ВЦ, в целом, обозначаются как малоскоростные), возникают дополнительные трудности по обнаружению/измерению ПРЛП. Прежде всего, они связаны с попаданием доплеровского сигнала ВЦ - доплеровского смещения частоты (ДСЧ), обусловленного радиальной скоростью - в спектр мощных мешающих отражений от земли (МО), т.е. в «слепую» зону по доплеровской частоте.

Таким образом, для ИД РЛС с ВЧП при работе по малоскоростным маневрирующим ВЦ с малой ЭПР в настоящее время является актуальным решение задач:

- обеспечения возможности обнаружения ВЦ /измерения ПРЛП при широком спектре МО и малой радиальной скорости;

- расширения информативности сеанса измерения ПРЛП при радиоконтакте, включая измерение радиального ускорения, и обеспечение достаточно высокой точности измерений ПРЛП в условиях интенсивного маневрирования, требуемой для обеспечения точного устойчивого сопровождения ВЦ при относительно длительных интервалах экстраполяции траекторий.

В ИД РЛС традиционно, наряду с измерением угловых координат, сеанс измерения ПРЛП в рамках радиоконтакта с ВЦ, ограничивается измерением дальности и радиальной скорости. Расширение функциональных возможностей ИД РЛС как информационно-измерительной системы за счет включения радиального ускорения в состав измеряемых ПРЛП в условиях интенсивного маневрирования является практически обязательным:

- для учета/компенсации влияния ускорения на характеристики принимаемого сигнала и обеспечения условий когерентности в условиях маневра (при первичной обработке сигналов);

- для учета/компенсации динамических погрешностей в оценках ПРЛП, формируемых в условия маневра при относительно длительном радиоконтакте с ВЦ, включающем серию ПЗИ;

- для адаптации параметров следящих фильтров в контуре сопровождения, выполнения более точной экстраполяции траекторий на относительно длительных интервалах, т.е. для обеспечения точного и устойчивого сопровождения интенсивно маневрирующих целей (при вторичной обработке информации).

Известны [1-3] и широко применяются при ВЧП способы обнаружения ВЦ, позволяющие раскрыть «слепые зоны» по дальности путем излучения серии ПЗИ с различными значениями ЧПИ. Серии ПЗИ при поиске/обнаружении ВЦ обычно включают «гладкие» пачки, формируемые без использования специальной внутриимпульсной ЛЧМ. В таких случаях одновременно с обнаружением ВЦ измеряется неоднозначная дальность (ВПЦ), доплеровский сдвиг частоты отраженного и оценивается радиальная скорость. Однако, при малых значениях радиальной скорости -при попадании ДСЧ в спектральную зону мощных МО - задача обнаружения/измерения ПРЛП в ряде случаев практически не может быть решена, что является существенным недостатком, ограничивающим функциональные возможности ИД РЛС при работе с малоскоростными ВЦ.

Известен ряд способов определения дальности до обнаруженной ВЦ в режимах ВЧП и средней (СЧП) ЧПИ [US 471 3664 А, дата публикации (д.п.) 15.12.87; ЕР 0490423 А, д.п. 17.06.92; RU 2010244 С1, д.п. 30.03.94; FR 2709835 А, д.п. 17.03.95; US 5546088 А, д.п. 13.06.96; US 5905458, д.п. 19.11.97; RU 2145092 С1, д.п. 27.01.2000; RU 98104808 А, д.п. 27.01.2000; ЕР 1043601 А1, д.п. 11.10.2000; WO 020633336 А1, д.п. 15.08.2002; RU 2237265 С1, д.п. 27.05.2003; RU 2206102, д.п. 10.06.2003; RU 2221258 С1, д.п. 01.10.2004, RU 2237265, д.п. 27.09.2004, RU 2296346, д. п. 27.03.2007 и др.].

В общем случае, для дальнометрии обнаруженных ВЦ в указанных способах используются измерения временных и/или частотных РЛ параметров принимаемого сигнала: ВПЦ; ДСЧ - при «гладкой» ПЗИ и дальномерной частоты (ДМЧ), смещенной с помощью ДЧМ в ПЗИ. Способы, использующие только измерения ВПЦ, требуют излучения относительно продолжительной серии ПЗИ с разными значениями ЧПИ. При этом обеспечивается относительно высокая точность дальнометрии (на уровне тонности измерений ВПЦ). Способы, основанные только на частотных измерениях - измерениях ДСЧ и ДМЧ - после обнаружения требуют дополнительно излучать только одну-две ПЗИ с ЛЧМ, но при этом точность дальнометрии остается относительно невысокой (с ошибками от сотен метров до нескольких километров). Комбинированные способы, основанные на частотных и временных измерениях, в общем случае, позволяют на основе оценок дальности, полученных способами с ЛЧМ, существенно сократить время на устранение неопределенности измерения ВПЦ путем варьирования ЧПИ и, в итоге, обеспечивают точность определения дальности на уровне ошибок измерения ВПЦ. Для устранения неоднозначности ППИ могут также использоваться не вариации ЧПИ, а статистическая обработка выборок измерений однозначной (при ЛЧМ) и неоднозначной дальности, полученных в сериях пачек при постоянной ЧПИ. Например, в измерителе дальности на основе ЛЧМ [RU 2237265, 27.09.2004], применяется статистическое «сглаживание» нарастающей выборки измерений ВПЦ и однозначной дальности, определяемой традиционным способом с ЛЧМ [1]. Однако, для достижения требуемой точности также необходимо относительно продолжительное время на формирование статистической выборки измерений.

При применении указанных способов, за исключением [RU 2221258 C1, RU 2296346], предполагается, что ВЦ обнаруживается по эхо-сигналам «гладкой» ПЗИ, что означает достаточно высокую радиальную скорость и нахождение ДСЧ вне спектра МО.

В способах [RU 2221258 C1, RU 2296346], используемых при СЧП, предполагается, что поиск/обнаружение ВЦ и измерение дальности осуществляется только на основе ПЗИ с ЛЧМ, что создает потенциальную возможность для обнаружения/измерения параметров малоскоростной ВЦ, сигнал которой, смещенный ЛЧМ, может наблюдаться вне «слепой» зоны по частоте.

В качестве прототипа изобретения в части, касающейся формирования последовательности и значений крутизны пачек с ЛЧМ в сеансе обнаружения/измерения ПРЛП и процедур определения дальности, рассматривается способ измерения дальности [RU 2221258 С1], предполагающий в ИД РЛС при СЧП выполнение следующих действий.

1. Поиск/обнаружение и измерение ВПЦ и дальномерной частоты обнаруженной цели осуществляется при излучении ПЗИ при СЧП с заданной крутизной ЛЧМ So.

2. При той же ЧПИ, как и в позиции 1, последовательно излучаются еще две ПЗИ со значениями S₁ и S₂ крутизны ЛЧМ, причем: значение крутизны So является средним между значениями S₁ и S₂, а приращения крутизны, равные по модулю, имеют разные знаки, т.е.:

Величины приращений крутизны выбираются такими, чтобы суммарное смещение не превышало значения ЧПИ за вычетом протяженности «слепой» зоны по частоте даже для тех ВЦ, которые находятся на максимальном удалении, т.е.

где: F_п - средняя ЧПИ; ΔF_сз - ширина «слепой» зоны по доплеровской частоте.

При изменении крутизны ЛЧМ обнаружение сигнала ВЦ и измерения происходит в тех же каналах дальности, как и позиции 1.

3. При запомненных частотных измерениях (ДМЧ), выполненных в позиции 1, и хотя бы одном частотном измерении в позиции 2, по величине приращения частоты принятого сигнала, происходящего из-за назначенного приращения крутизны ЛЧМ этого сигнала, вычисляют однозначные, но грубые дальности. Затем на основании полученных данных и с использованием измерения ВПЦ вычисляют точную однозначную дальность.

Способ измерения дальности в ИД РЛС [RU 2296346], рассматриваемый как аналог изобретения, отличается от способа-прототипа тем, что на первом этапе исходное значение крутизны So рассчитывается априорно, исходя из обеспечения «грубого» измерения дальности для всех ВЦ в пределах дальности действия РЛС. Кроме того, рассчитывается и требуемое значение крутизны S₁ для следующей пачки. Опираясь на полученную однозначную дальность по ЛЧМ, далее рассчитывается новое значение ЧПИ (для следующей пачки, излучаемой с требуемой S₂ крутизной ЛЧМ), обеспечивающее попадание сигналов в зону прозрачности по дальности. По отраженным сигналам этой пачки, аналогично способу-прототипу, для каждой ВЦ определяется однозначная дальность по сигналам с ЛЧМ, измеряется ВПЦ (неоднозначная задержка), рассчитывается номер ППИ и определяется итоговое уточненное значение дальности с использованием измерения ВПЦ. В этом способе, с точки зрения последовательности излучаемых пачек с ЛЧМ в сеансе обнаружения/измерения РЛ параметров ВЦ также возможна ситуация равными по модулю разнозначными приращениями крутизны ЛЧМ, т.е. удовлетворяющая условиям (1) и (2) способа-прототипа [RU 2221258 С1].

К недостаткам способа-прототипа и аналога изобретения относится:

- недостаточная для режимов ВЧП точность определения дальности по сигналам с ЛЧМ, ограничивающая возможность их применения только в режимах СПЧ (с относительно большими расстояниями, соответствующими длительности ППИ) и не позволяющая устранить неопределенность ППИ при ВЧП (с ППИ, соответствующими расстояниям около 1000 м и менее).

- существенное ухудшение точности ЛЧМ-дальнометрии при интенсивном маневрировании, в сравнении с точностью, достижимой при стационарном характере движении «ВЦ-РЛС»;

- низкая информативность сеанса измерения ПРЛП, поскольку отсутствует возможность измерения радиальной скорости, а также и ускорения, оценка которого требуется в условиях интенсивного маневрирования.

Известен способ одновременного измерения дальности и радиальной скорости только по сигналам с ЛЧМ. В радиолокационном устройстве с непрерывным излучением и ЛЧМ, обеспечивающем измерение дальности и скорости цели [заявка 198335199 от 25.07.98, Германия, МПК⁶ G01S 13/34 / WeiRG, Daimler-BenzAerospaceAG, д.п. 11.02.99] патентовалась схема с непрерывным излучением и симметричной (возрастающей и убывающей) ЛЧМ, содержащая раздельные антенны приемника и передатчика, с которого на приемник через направленный ответвитель подается сигнал, обеспечивающий выделение в смесителе разностной частоты. Приемник содержит синфазный и квадратурный каналы, с выходов которых сигналы поступают на АЦП. При обработке с помощью цифровых фильтров и построения функции автокорреляции выделяются составляющие, характеризующие дальность - в виде полусуммы разностных частот для участков модуляционной характеристики, соответствующих увеличению и уменьшению частоты несущей. На основе разности частот определяется составляющая скорости цели, характеризующаяся ДСЧ.

В части, касающейся процедур одновременного определения дальности и скорости только на основе сигналов с ЛЧМ, данное устройство также рассматривается как аналог изобретения.

К недостаткам указанного аналога относятся:

- невозможность применения в ИД РЛС, поскольку предполагается РЛ устройство с непрерывным излучением;

- ограничение по применению только для случаев, когда возможно реализация с симметричным возрастанием и убыванием ЛЧМ (с равными по модулю и разными знаку значениями крутизны ЛЧМ);

- недостаточная информативность сеанса измерения ПРЛП для условий интенсивного маневрирования, поскольку отсутствует возможность измерения радиального ускорения.

Традиционно ускорение вычисляется путем численного дифференцирования скорости, наблюдаемой в течение нескольких радиоконтактов (периодов обзора). Начало маневра и присутствие ускорения обнаруживают на основе расчета статистических характеристик отклонений реальных и прогнозируемых параметров движения ВЦ, что требует получения измерений в течение нескольких периодов обзора. Например, известен способ обнаружения маневра ВЦ на основе анализа обновляющей последовательности [8] при вторичной обработке информации, при котором эта последовательность обрабатывается набором низкочастотных фильтров, настроенных на маневр ВЦ определенного типа. Известен ряд способов определения начала маневра ВЦ на основе информации об ускорении, применение которых, однако, требует использования дополнительных датчиков, например, в составе оптико-радиолокационной системы сопровождения ВЦ. К ним относится, например, способ адаптации системы сопровождения маневренной ВЦ по дальности на основе информации от измерителей различной физической природы [патент RU 2303797 /МПК G01S 13/87].

Известна группа способов, например, представленная в патентах [RU 2282873, д.п. 27.08.06, RU 2542347, д.п. 20.02.2015, RU 2154837, д.п. 20.08.2000 и др.] и работах [5, 6, 9, 10], предполагающих обнаружение маневра ВЦ непосредственно на этапе первичной обработки сигналов. Эти способы требуют существенной модификации устройств многоканальной обработки сигналов по дальности и скорости с целью повышения эффективности фильтрации сигналов с нелинейным изменением доплеровской фазы, обусловленных ускорением цели. В качестве технического решения обычно предлагается введение многоканальности по ускорению с определением каналов, в наибольшей степени соответствующих принимаемым сигналам цели, путем взаимного сравнения и выбора максимальных сигналов на выходах этих каналов. Например, в известном способе [10] после АЦП осуществляется панорамная развертка сигнала по частоте и производной частоты с последующим накоплением в матричном фильтре. В другом способе [RU 2154837] осуществляется разбиение сигнальной выборки на ряд коротких выборок, вычисление корреляционных сумм в узлах сетки гексагонального типа. В способах совместного измерения радиальной скорости и радиального ускорения [9] вычисляются корреляционные суммы выборки сигнала и опорных комплексных ЛЧМ сигналов, определяется максимум модуля корреляционной суммы по узлам прямоугольной сетки.

В фазоразностном способе [5] измерения ускорения осуществляется перенос сигнала в область видеочастот, разделение на два сигнала длительностью, равной половине времени радиоконтакта. Один из сигналов комплексно сопрягается и, затем, оба сигнала перемножаются. Осуществляется преобразование Фурье и оценивается положение (смещение) максимума, пропорциональное ускорению и определяется ускорение. Данный способ рассматривается как аналог изобретения в части, касающейся определения радиального ускорения на основе оценки крутизны вторичной ЛЧМ сигнала цели, обусловленной ускорением.

К недостаткам вышеуказанных способов, связанных с определением радиального ускорения при первичной обработке сигнала, в т.ч. и способа [5], относятся:

- необходимость существенной модификации систем первичной обработки сигналов для практической реализации этих способов в ИД РЛС и значительные вычислительные затраты, затрудняющие их реализацию в реальном масштабе времени;

- трудность реализации для широких диапазонов измеряемых параметров частоты и производной частоты (ввиду резкого увеличения требуемых каналов обработки сигналов);

- относительно низкая точность определения ускорения при малых значениях отношений «сигнал/шум» из-за возникновения аномальных ошибок и при малой длительности радиоконтакта.

В целом, учитывая отмеченные недостатки указанных выше аналогов и прототипа изобретения, основными задачами в заявляемом изобретении являются следующие.

1. Расширение функциональных возможностей прототипа по информативности сеанса измерения ПРЛП обнаруженной маневрирующей малоскоростной ВЦ путем обеспечения одновременного измерения дальности, радиальной скорости и ускорения в рамках одного радиоконтакта с ВЦ и при таком же количестве ПЗИ, используемых в сеансе измерения ПРЛП

2. Существенное повышение точности определения дальности до ВЦ при равномерном движении (за счет расширения диапазонов изменения крутизны, используемых при оценивании дальности) и при интенсивном маневрировании (путем оценивания и компенсации влияния динамики сближения за время радиоконтакта с использованием измерений радиального ускорения).

3. Существенное повышение точности определения радиальной скорости (в сравнении с известным способом измерения скорости только по сигналам с ЛЧМ) в условиях интенсивного маневрирования - на основе компенсации динамических погрешностей за время радиоконтакта с учетом измерений радиального ускорения.

4. Обеспечение возможности практической реализации заявленного способа одновременного измерения дальности, скорости и ускорения без изменения типовой структуры первичной обработки сигналов, используемой в существующих образцах ИД РЛС с ВЧП.

Решение вышеуказанных задач 1-4, по сути, и составляет технический эффект изобретения, который в заявляемом способе одновременного измерения дальности, скорости и ускорения малоскоростной маневрирующей ВЦ в ИД РЛС при высокой частоте повторения импульсов и ЛЧМ достигается при выполнении следующих действий.

1. По аналогии с прототипом, излучают три пачки зондирующих импульсов ПЗИ(1), i=0, 1, 2 с заданными значениями крутизны S₀, S₁, S₂ (S₀ является средним относительно S₁ и S₂, а приращения крутизны S₁ и S₂ относительно S₀ имеют разный знак) и на основании обработки эхо-сигналов этих пачек известным способом измеряют и запоминают значения ВПЦ τ_i и ДМЧ F_ia (i=0, 1, 2) для обнаруженной ВЦ.

2. В отличие от прототипа все ПЗИ излучают при высокой частоте повторения F_п, а полученные известными способами и запомненные частотные и временные измерения τ_i и F_ia(i=0, 1, 2) обрабатывают следующим образом:

- определяют отклонения измеренных значений ДМЧ, полученных по второй и третьей пачке от ДМЧ, определенной по первой пачке (далее по тексу - базовой ДМЧ):

а также сумму этих отклонений:

- по измерениям ВПЦ τ₀ и τ₂, полученным по первой и третьей пачкам, определяют среднее значение смещения ВПЦ за известное и постоянное время Т_пачки между ближайшими моментами излучения ПЗИ:

- по вычисленным значениям суммы отклонений измеренных ДМЧ от базовой частоты и среднего смещения ВПЦ, при известных значениях S₁, S₂ заданной крутизны ЛЧМ, временного интервала Т_пачки между ПЗИ и известной длине волны λ определяют значение крутизны S_a для ЛЧМ, обусловленной радиальным ускорением, а также значение а_ц этого ускорения:

- используя измерения ДМЧ F_ia (i=1, 2), полученных по второй и третьей пачкам, рассчитанное среднее смещение ВПЦ Δτ_ср за известное и постоянное время Т_пачки между ближайшими пачками, известные значения заданной крутизны S₁ и S₂ для второй и третьей пачки, а также рассчитанное по измерениям значение крутизны S_a ЛЧМ из-за ускорения определяют:

доплеровскую частоту F_∂2 и радиальную скорость V_ц на момент излучения третьей пачки:

дальность R₂ до ВЦ на момент излучения третьей пачки:

а затем, с использованием рассчитанного значения дальности R2, при известной частоте повторения импульсов F_п=1/T_п и при измеренной по сигналам третьей пачки неоднозначной задержки τ₃₂ вычисляют соответствующие ей номер периода повторение импульсов и определяют уточненное значение дальности R на момент излучения третьей ПЗИ по известным формулам:

где: int{•} - процедура взятия целой части числа, заключенного в скобках.

Физическая сущность способа базируется на следующих положениях.

Известно [4-6], что радиальное ускорение приводит к вторичному эффекту Доплера - квадратичному «набегу фазы» и появлению после преобразования ЛЧМ в эхо-сигнале цели. При ПЗИ с заданным индексом К (крутизной) ЛЧМ сигнал на входе приемника C_прм(t) имеет вид:

где: А - амплитуда сигнала; Р - импульсная мощность; λ - длина волны; f₀ - несущая частота; С₀ - амплитуда зондирующего сигнала; G - коэффициент усиления антенны; К - заданный индекс ЛЧМ в ПЗИ; σ_ц, V_ц, а_ц - ЭПР, скорость и ускорение сближения с ВЦ, соответственно; с - скорость распространения радиоволн; t -время; ξ(t) - шум в приемном канале. Компоненты в этом выражении характеризуют: - эффект Доплера, обусловленный радиальной скоростью; - ЛЧМ при заданном в ПЗИ индексе модуляции; - вторичную ЛЧМ, вызванную ускорением, причем индекс К_а этой дополнительной ЛЧМ пропорционален значению радиального ускорения т.е. компонента а результирующая ЛЧМ, обусловленная заданным индексом К и индексом К_а по ускорению характеризуется как

При заданной ЛЧМ в ПЗИ частота f излучаемого сигнала: f(t)=f_o+К t, К≠0, а частота f* эхо-сигнала такой ПЗИ: f*=f₀+f_д+К(t-Т_з), где: Т_з=(2/c)R - задержка сигнала, пропорциональная дальности R до ВЦ; F_д=2V_ц/λ - ДСЧ, обусловленное скоростью V_ц сближения.

Измерению доступна разность частот излучаемого и принимаемого сигнала - дальномерная частота, зависящая от ДСЧ и однозначной задержки сигнала: F=f*-f=F_д-КТ₃=F_д+SТ_з.

Примечание:

Положительный индекс модуляции приводит к уменьшению дальномерной частоты относительно доплеровской и наоборот. Далее используется термин «крутизна модуляции S» в понимании S=-К. Положительная крутизна S>0 соответствует положительному приращению дальномерной частоты относительно доплеровской и наоборот.

Применительно к последовательности из трех ПЗИ с ЛЧМ П_i(i=0, 1, 2), излучаемых с заданными значениями крутизны S₀, S₁ и S₂, соответствующих условиям (1) и (2) по аналогии со способом-прототипом, измерению доступны ДМЧ F₀, F₁ и F₂. Ввиду «симметричности» значений крутизны S₁ и S₂ относительно S₀ при отсутствии ускорения (F_{д i}=const) отклонения ДМЧ F₁, F₂ от начальной (базовой) частоты F₀ также будут близки к симметричности (относительно базовой частоты). Модули отклонений ДМЧ отличаются только на малые величины, зависящие от значений крутизны и разницы расстояний до ВЦ в различные моменты излучения ПЗИ. Для малоскоростных ВЦ изменение расстояния за время между моментами излучения ПЗИ может считаться незначительным.

Например, при отсутствии ускорения:

- значения ДМЧ:

- отклонения ДМЧ от базовой частоты:

,

где: Т_з0, Δτ_0/1, Δτ_0/2 - задержка, соответствующая дальности в момент излучения ПЗИ П₀, смещения ВПЦ за время между излучениями ПЗИ П₀ и П₁, П₀ и П₂, соответственно; - ДСЧ при постоянной радиальной скорости.

- сумма отклонений:

Критерием отсутствия ускорения является относительная симметричность ДМЧ, выражающаяся равенством .

При наличии ускорения из-за вторичной модуляции относительная симметричность нарушается. Например, при равноускоренном движении во время радиоконтакта:

- значения ДМЧ: ,

где: F_ia - ДМЧ при заданной ЛЧМ в ПЗИ П_i и наличии ускорения; F_дi - ДСЧ из-за скорости сближения для ПЗИ П_i; S_a - крутизна ЛЧМ при равноускоренном движении;

где: Т_пачки - интервал между моментами излучения ПЗИ, считающийся одинаковым и, как минимум, равным длительности ПЗИ.

- отклонения ДМЧ от базовой частоты:

сумма отклонений:

откуда следует, что крутизна S_a ЛЧМ из-за радиального ускорения и значение ускорения а_ц определяются выражениями:

для которых: - определяется на основании доступных частотных измерений F_ia по всем ПЗИ П_i; Δτ_0/i=τ₀-τ_i - определяется на основании доступных измерений ВПЦ τ_i по всем ПЗИ; S_i, λ, Т_пачки - известные величины.

Таким образом, в изобретении сущность измерения ускорения состоит:

в выявлении относительной асимметрии («перекоса») измерений двух ДМЧ (относительно принятой базовой ДМЧ), возникающей при наличии радиального ускорения из-за дополнительной ЛЧМ в принимаемом сигнале, а также трендом радиальной скорости и смещением ВПЦ в течение радиоконтакта при измерении.

в оценивании на основе частотных и временных измерений по эхо-сигналам трех ПЗИ значения крутизны дополнительной ЛЧМ, вызванной ускорением, и значения этого ускорения.

В общем случае, наличие измерений ДМЧ по эхо-сигналам двух ПЗИ с различной заданной крутизной ЛЧМ позволяет определить как дальность до ВЦ, так и радиальную скорость.

В способе-прототипе определение дальности осуществляется по величине приращения доплеровской частоты принятого сигнала, происходящего из-за известного приращения крутизны принятого ЛЧМ сигнала (относительно крутизны первой пачки с ЛЧМ). При этом вычисляются однозначные, но относительно грубые оценки дальности, точность которых, в частности, зависит от используемой при расчете величины приращения крутизны. В отличие от прототипа, для повышения точности дальнометрии по сигналам с ЛЧМ, в заявляемом изобретении:

используются измерения двух ДМЧ, выполненных по второй и третьей ПЗИ с различными по знаку приращениями крутизны (относительно базовой ДМЧ), что эквивалентно по модулю удвоенному приращению крутизны (с сравнении с приращением, используемым в прототипе), которое затем и применяется при определении дальности, обеспечивая повышение точности вдвое;

используется более широкий диапазон относительных приращений крутизны, отвечающих условию (2) при ВЧП (в сравнении с режимом СЧП);

при определении дальности, используя измеренное значение дополнительной крутизны ЛЧМ из-за ускорения, учитываются и компенсируются эффекты ускорения (влияние дополнительной ЛЧМ, «дрейф» доплеровской частоты (скорости) и ВПЦ на интервалах между ПЗИ), что приводит к существенному повышению точности определения дальности в условиях интенсивного маневрирования (в сравнении с прототипом).

При одновременном определении дальности/скорости в аналоге [Заявка 198335199, Германия, МПК⁶ G01S 13/34 от 11.02 99 г.] доплеровская частота (скорость) формируется на основе разности двух частот, измеренных по сигналам с симметричной (отличающейся только по знаку) заданной ЛЧМ при непрерывном излучении. В отличие от аналога, в заявляемом изобретении:

обеспечивается инвариантное по отношению к ДСЧ определение скорости только по измерениям ДМЧ, выполненных при ВЧП по двум ПЗИ, в общем случае, при любых неравных друг другу значениях крутизны их ЛЧМ, а в конкретном случае - для значений, симметричных относительно крутизны в первой пачке с ЛЧМ и имеющих одинаковый знак крутизны;

при определении скорости также учитываются и компенсируются эффекты из-за ускорения (ЛЧМ из-за ускорения, «дрейф» скорости) и смещение ВПЦ на интервалах между ПЗИ в течение радиоконтакта), что приводит к повышению точности определения скорости в условиях интенсивного маневрирования.

Анализ в приращениях и частных производных [11] для соотношений (3)-(7) определения крутизны ЛЧМ из-за ускорения S_a и самого ускорения а_ц приводит к следующим выражениям для абсолютных ошибок и среднеквадратических отклонений (без учета ошибок реализации заданной в ПЗИ крутизны ЛЧМ, которые для существующих задающих генераторов, как правило, считаются несущественными).

Абсолютные ошибки δ_Sa определения крутизны ЛЧМ и δ_а определения радиального ускорения имеют вид:

где: δ_Fia - ошибка измерения ДМЧ; δ_τ - ошибка измерения неоднозначной задержки (ВПЦ). Учитывая, что Т_пачки может составлять сотни миллисекунд, а ВЦ малоскоростная, то длительность Т_пачки>>Δτ_ср и в этом случае корректно выражение:

Соответственно, СКО ошибок определения крутизны σ_Sa и ускорения σ_a:

где: Δf - дискрет измерения частоты (ширина доплеровского фильтра), причем дисперсия погрешностей дискретизации полагается равной Δf²/12; σ²_δτ - дисперсия ошибок измерения ВПЦ.

Например, для типичных параметров ИД РЛС с ВЧП (ширина фильтра Δf=15 Гц; СКО S₁=12 кГц/мс; S₂=4 кГц/мс; λ=3 см) и при радиальном ускорение 10g (при котором крутизна S_a≈6533 Гц/с), получаются значения СКО ошибок:

при Т_пачки=100…300 мс, соответственно.

Примечание: В наибольшей степени ошибки определения крутизны и ускорения зависят от погрешностей измерений ДМЧ, которые при больших отношениях «сигнал/шум», в основном, имеют инструментальный характер и зависят от ширины доплеровского фильтра. В наименьшей степени - от ошибок измерения ВПЦ, масштабируемых крутизной ЛЧМ по ускорению. Ошибки измерения ВПЦ, масштабируемые в зависимости от назначенных значений крутизны ведут к погрешностям, не превышающим единицы Гц/с, что в несколько раз меньше ошибок, обусловленных дискретизацией частотных измерений.

Для сопоставления: по результатам математического моделирования фазоразностного способа измерения ускорения, рассматриваемого в качестве аналога изобретения в части ускорения, при сопоставимых параметрах ИД РЛС получены [5] СКО ошибок определения радиального ускорения, составляющие 1,6…1,2 м/с² при времени радиоконтакта с ВЦ 100…300 мс, соответственно.

Таким образом, в изобретении обеспечивается измерение радиального ускорения с точностью, превышающей точность аналога, при несложных вычислительных процедурах в отличие от аналога, требующего значительно большего вычислительного ресурса при первичной обработке сигналов.

При использовании частотных измерений при симметричной ЛЧМ, как в аналоге [заявка 198335199 от 25.07.98], предложенные в изобретении соотношения (8)-(10) определения ДСЧ, скорости и дальности - без учета динамики сближения за время радиоконтакта - вырождаются в следующий частный случай при ВЧП (при sign (S₁)≠sign (S₂), ), фактически эквивалентный аналогу:

При равномерном движении и полагая, что для малоскоростных ВЦ приращение дальности за время между ПЗИ считается несущественным (T_з1≅Т_з2=Т_з), точность оценки доплеровского сдвига частоты по выражению (15) зависит только от ошибок измерения частот, а точность оценки дальности по выражению (16) - от ошибок частотных измерений, масштабированных по удвоенному модулю назначаемой крутизны ЛЧМ.

При равноускоренном движении в полученных таким образом оценках ДСЧ и дальности, наряду с указанными ошибками частотных измерений, будет присутствовать и динамическая погрешность. Например, при S₁>0, S₂<0, измеряемые ДМЧ:

Тогда абсолютная ошибка оценки ДСЧ:

где: Δ_Fдинам=-S_a(Т_з-0,5 Т_пачки) - неучтенная динамическая ошибка. Например, при радиальном ускорении 10g (S_a≈6533 Гц/с), Т_пачки=100 мс, дальности 15 км (Т_з=0,0001 с) динамическая составляющая ошибки оценивания ДСЧ составляет |Δ_Fдинам|≈326 Гц, что при длине волны λ=3 см приводит к существенной дополнительной ошибке по радиальной скорости ≈4,9 м/с, игнорируемой в эквивалентном аналогу соотношении (15).

Аналогично, для эквивалентного аналогу соотношения (16) при определении дальности, наряду с компонентой, зависящей от ошибок частотных измерений и крутизны, в оценке присутствует неучтенная динамическая погрешность, которая, например, при крутизне ЛЧМ S=12 кГц/мс составит ≈4083 м. Такая ошибка практически исключает возможность использования этих оценок для устранения неоднозначности по дальности в режимах с ВЧП и малой скважностью.

В заявляемом способе компенсация динамической ошибки в оценке ДСЧ осуществляется с абсолютной ошибкой δ_{ΔF динам}=(Т_з-0,5 T_пaчки) δ_Sa. Соответственно, СКО ошибки компенсации Например, для ранее рассчитанного значения, при дальности 15 км и Т_пачки=100 мс, значения СКО что соответствует малым значением СКО некомпенсированной динамической ошибки по скорости ≈(4…10)*10^-3 м/с при λ=3 см.

Аналогично, при симметричной крутизне ±12 кГц/мс СКО некомпенсированной динамической ошибки в оценке дальности составляет ≈368…119 м, что более чем на порядок меньше динамической ошибки по дальности (≈4083 м) Гц, вносимой при оценке дальности по соотношению (16), эквивалентному рассматриваемому аналогу [заявка 198335199 от 25.07.98] изобретения.

В способе измерения дальности [RU 2221258 С1], принятом в качестве прототипа, оценка дальности при радиоконтакте выполняется по соотношению вида: R=(с/2) [ΔF/ΔS], где: ΔF - отклонение частоты (ДМЧ), вызванное приращением крутизны ΔS, причем ΔS=ΔS₀₁=S₀-S₁ или же ΔS=ΔS₀₂=S₀-S₂. При равномерном сближении и без учета смещения ВПЦ за время между ПЗИ (для малоскоростных ВЦ) потенциальная точность способа-прототипа характеризуется СКО ошибок определения дальности по сигналам с ЛЧМ , где - СКО ошибок измерения отклонения дальномерных частот. При больших отношениях «сигнал/шум» ошибки частотных измерений δ_F, в основном, зависят от ширины Δf доплеровских фильтров и характеризуются дисперсией D_F=Δf²/12. При аналогичных условиях в заявляемом способе оценка дальности сводится к выражению вида R=(с/2) [ΔF/2ΔS] с использованием отклонений частоты, фактически вызванных удвоенным приращением крутизны |ΔS*|=|ΔS₁₂|=|S₁-S₂|=2|ΔS|. Как следствие, в сравнении с прототипом вдвое снижается значение СКО ошибок по дальности -

При равноускоренном движении в полученных в соответствии со способом-прототипом оценках дальности, наряду с ошибками частотных измерений, будет присутствовать и существенная динамическая погрешность. Например, даже при относительно небольшом ускорении 1g (т.е. при крутизне вторичной ЛЧМ S_a≈653 Гц/с) некомпенсированная динамическая составляющая ошибки дальности |ΔR_динам|≈(с/2) [S_a Т_пачки/ΔS], которая, например, при ΔS=4 кГц/мс и интервале Т_пачки=100 мс составляет ≈2248 м.

Очевидно, что без компенсации динамической составляющей ошибки данный способ не может использоваться при ВЧП, а при более интенсивном маневрировании только динамические ошибки могут составлять более десятка километров и в таких условиях способ-прототип является практически неработоспособным. Заявленный же способ сохраняет работоспособность и в условиях интенсивного маневрирования, обеспечивая снижение уровня влияния динамики на ошибки оценивания и компенсацию возникающих динамических ошибок. Например, при вышеуказанных условиях (1g, ΔS=4 кГц/мс, Т_пачки=100 мс с) динамическая составляющая ошибки ≈1125 м, причем она оценивается и компенсируется точностью (СКО) ≈109 м. Такая потеря точности дальнометрии в условиях маневрирования сопоставима с погрешностями, обусловленными ошибками дискретных частотных измерений. Например, при ширине доплеровского фильтра 15 Гц в данных условиях СКО инструментальных ошибок определения дальности составляет ≈162 м.

В целом, предлагаемый способ в условиях интенсивного маневрирования обеспечивает устойчивое определение дальности по сигналам с ЛЧМ с точностью, позволяющей использование полученных оценок дальности для устранения неоднозначности измерений ВПЦ и перехода к точной оценке дальности в режимах с ВЧП и при малой скважности.

Эффективность применения заявляемого способа в условиях интенсивного маневрирования ВЦ также проверена путем имитационного математического моделирования, результаты которого подтвердили достигаемый технический эффект изобретения, заключающийся в возможности одновременного измерения дальности, радиальной скорости и ускорения малоскоростной маневрирующей цели с точностью:

измерения радиального ускорения, превышающей точность способа-аналога;

измерения дальности по сигналам с ЛЧМ, значительно превышающей точность способа-прототипа как при равномерном движении, так и в условиях интенсивного маневрирования,;

измерения скорости по сигналам с ЛЧМ, значительно превышающего точность способа, принятого в качестве аналога, в условиях интенсивного маневрирования.

Заявленный способ достаточно просто может быть реализован в системах управления и обработки информации существующих ИД РЛС с ВЧП и ЛЧМ. Без изменений способ может использоваться не только для малоскоростных маневрирующих ВЦ, но и для скоростных целей, доплеровские частоты которых даже при их смещении ЛЧМ, измеряются однозначно и находятся вне зоны МО.

Использованные источники информации

(кроме патентов и заявок, указанных в тексте описания изобретения)

1. Справочник по радиолокации. Том 3. /Под ред. М. Сколника, Нью-Йорк, 1970. Пер. с англ. (в 4-х томах) // Под общей ред. К.Н. Трофимова. М.: Сов. Радио, 1979.

2. Редди Н.С, Свейми М.Н. Устранение неоднозначности по дальности и доплеровскому смещению частоты в РЛС в РЛС со средней частотой повторения при наличии многочисленных целей, перевод Л-46681, Всесоюзный центр переводов, Москва, 1985.

3. Поттер Н.С. Устранение неоднозначности по дальности в РЛС с высокой частотой повторения, ВРЭ, Серия ОТ, Вып. 11, 1977.

4. Кондратенков Г.С. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. - М.: Радиотехника, 2005. - 368 с.

5. Рязанцев Л.Б., Лихачев В.П., Шатовкин P.P. Фазоразностный способ определения ускорения сближения истребителя с воздушной целью // Труды МАИ, Выпуск №84.

6. Лихачев В.П., Рязанцев Л.Б. Вероятностные характеристики индикатора маневра воздушной цели на основе фазоразностной оценки ускорения сближения. // Успехи современной радиоэлектроники. 2010, №11, с. 10-14.

7. Радиолокационные системы многофункциональных самолетов. Т. 1. РЛС - информационная основа боевых действий многофункциональных самолетов. / Под ред. Канащенкова А.И. и Меркулова В.И. М.: Радиотехника, 2006. 656 с.

8. А. Фарина, Ф. Студер. Цифровая обработка радиолокационной информации. Сопровождение целей. - М.: Радио и связь. 1993, с. 223-224.

9. Кузьменков В.Ю., Логинова В.М. Способы и устройства совместного измерения радиальной скорости и радиального ускорения. Радиотехника и электроника, 1997, Т. 42, №12, с. 1465…1475.

10. Обработка сигналов в многоканальных РЛС / Под. ред. А.П. Лукошина. М.: Радио и связь, 1983, с. 307.

11. Тейлор Дж. Введение в теорию ошибок. Пер. с англ. - М.: Мир. 1985. - 272 с., ил.

Изобретение относится к способу одновременного измерения дальности, скорости и ускорения малоскоростной маневрирующей воздушной цели (ВЦ) в импульсно-доплеровских радиолокационных станциях (ИД РЛС) при высокой (ВЧП) частоте повторения импульсов и линейной частотной модуляции (ЛЧМ) в ИД РЛС, предназначенных для обнаружения, измерения первичных радиолокационных траекторных параметров (ПРЛП). Обнаружение/измерение ПРЛП выполняется на основе трех пачек зондирующих импульсов (ПЗИ) с ЛЧМ. Определение радиального ускорения осуществляется путем оценивания асимметричности отклонений ДМЧ относительно ДМЧ по первой пачке, обусловленной в процессе измерений. Определение скорости осуществляется по ДМЧ при второй и третьей ПЗИ. Однозначное определение дальности выполняется на основе разности измерений ДМЧ по второй и третьей ПЗИ и с использованием удвоенного модуля симметричных приращений крутизны ЛЧМ этих пачек относительно первой ПЗИ и процедур оценки/компенсации динамических погрешностей, возникающих во время измерений. Технический результат заключается в повышении информативности измерений и возможности реализации в типовых ИД РЛС.

Способ одновременного измерения дальности, скорости и ускорения малоскоростной маневрирующей воздушной цели в импульсно-доплеровских радиолокационных станциях при высокой частоте повторения импульсов и линейной частотной модуляции (ЛЧМ),

основанный на излучении при одинаковой частоте повторения F_п трех пачек зондирующих импульсов ПЗИ(i), (i=0, 1, 2) с заданными значениями крутизны S₀, S₁, S₂ внутриимпульсной ЛЧМ несущей частоты ƒ₀ (среди которых крутизна S₀ в первой пачке является средним от значений крутизны S₁ и S₂ во второй и третьей пачках и приращения ΔS₀₁, ΔS₀₂ значений крутизны S₁ и S₂ во второй и третьей пачках относительно крутизны S₀ в первой пачке имеют разный знак), приеме отраженных от цели сигналов этих пачек импульсов, измерении по сигналам обнаруженной цели неоднозначных задержек τ_i (внутрипериодных положений сигнала цели), смещенных при заданной ЛЧМ доплеровских частот F_ia (дальномерных частот), запоминании значений этих временных и частотных измерений для всех трех пачек импульсов

и отличающийся тем, что излучают пачки импульсов при высокой частоте повторения и на основании выполненных известными способами и запомненных частотных и временных измерений F_ia, τ_i (i=0, 1, 2), при известных значениях частоты повторения F_п, длины волны λ, постоянного интервала времени Т_пачки между моментами излучения ближайших пачек импульсов, заданной крутизны S₀, S₁, S₂ для всех пачек с ЛЧМ, определяют одновременно (в рамках одного сеанса измерения по трем пачкам) текущие значения радиального ускорения, скорости и дальности до цели путем выполнения следующих вычислительных операций, при которых:

- рассчитывают дополнительную крутизну S_a для ЛЧМ, вызванной радиальным ускорением, и значение радиального ускорения а_ц, для чего:

определяют отклонения ΔF_1a, ΔF_2a измеренных значений дальномерной частоты F₀₁, F₀₂, полученных по второй и третьей пачкам с ЛЧМ, от базовой дальномерной частоты F_0a, определенной по первой пачке с ЛЧМ, а также сумму этих отклонений ΔF_{сумм а} по формулам

вычисляют среднее значение Δτ_ср смещения внутрипериодного положения сигнала цели за время Т_пачки между ближайшими моментами излучения пачек зондирующих импульсов по измерениям внутрипериодного положения сигнала цели τ₀ и τ₂, полученным по первой и третьей пачкам

по вычисленным значениям суммы отклонений измеренных дальномерных частот ДМЧ от базовой частоты и среднего смещения ВПЦ, при известных значениях S₁, S₂ заданной крутизны ЛЧМ, временного интервала Т_пачки и длины волны λ определяют значение крутизны S_a дополнительной ЛЧМ, обусловленной радиальным ускорением, а также значение а_ц этого ускорения по соотношениям

а_ц=(λ/2)S_a;

- вычисляют доплеровское смещение частоты сигнала цели и радиальную скорость V_ц, соответствующие моменту излучения третьей пачки (с использованием измерений дальномерных частот F_ia (i=1, 2), полученных по второй и третьей пачкам, рассчитанных значений S_a крутизны дополнительной ЛЧМ, среднего смещения Δτ_ср внутрипериодного положения сигнала цели и известных значений для заданной крутизны S₁ и S₂ ЛЧМ для второй и третьей пачки, временного интервала Т_пачки и длины волны λ), по формулам

- определяют дальность R₂ до цели на момент излучения третьей пачки (с использованием измерений дальномерных частот F_ia (i=1, 2), полученных по второй и третьей пачкам, рассчитанных значений S_a крутизны дополнительной ЛЧМ из-за ускорения, среднего смещения Δτ_ср внутрипериодного положения сигнала цели и известных значений для заданной крутизны S₁ и S₂ ЛЧМ для второй и третьей пачки, временного интервала Т_пачки и длины волны λ) по формуле

а затем, с использованием рассчитанного значения дальности R₂, при известной частоте (периоде) повторения импульсов F_п=1/Т_п и измеренного по сигналам третьей пачки внутрипериодного положения сигнала цели τ₃₂ вычисляют соответствующий номер r периода повторения импульсов и определяют уточненное значение дальности R на момент излучения третьей пачки по известным формулам:

где - процедура взятия целой части числа, заключенного в скобках.