СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КУРСА ОБЪЕКТА НА ЛИНЕЙНОЙ ТРАЕКТОРИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИЗМЕРЕНИЙ ЕГО РАДИАЛЬНОЙ СКОРОСТИ Российский патент 2020 года по МПК G01S13/58 

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для определения курса неманеврирующих объектов, движущихся по линейной траектории, в том числе аэродинамических и надводных морских целей, преимущественно в РЛС с большими ошибками измерения азимута.

Известен способ, в котором текущий курс определяют как сумму курсового угла q_n и азимута объекта β_n-1 в предыдущем обзоре Q=q_n+β_n-1. Для определения курсового угла, то есть угла между линией визирования объекта (между направлением «РЛС - объект») 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 курсового угла q_n и курса Q. Далее производят экспоненциальное сглаживание текущих значений курса [1, С. 360-365].

Недостаток способа: низкая точность определения курса при больших ошибках измерения азимута.

Известен способ, в котором для определения курса объекта находят оценки (сглаженные значения) скорости изменения горизонтальных прямоугольных координат Затем вычисляют значение вспомогательного угла Q*, равное арктангенсу отношения этих оценок:

Для устранения неоднозначности определения курса используют информацию о знаке оценок скорости изменения горизонтальных прямоугольных координат [2, С. 314].

Недостаток способа: низкая точность определения курса при больших ошибках измерения азимута.

Наиболее близким аналогом заявленному способу (прототипом) является способ, в котором для определения курса неманеврирующего объекта, движущегося по линейной траектории, вычисляют оценку курсового угла в середине интервала наблюдения по формуле [3]:

При этом оценку радиальной скорости в середине интервала наблюдения определяют путем оптимального взвешенного суммирования фиксированной выборки значений дальности до объекта r_i. Оценку путевой скорости определяют по фиксированной выборке квадратов дальности [4, 6, 7]. Кроме того, находят оценку азимута в середине интервала наблюдения путем оптимального взвешенного суммирования измеренных значений азимута β_i.

Далее вычисляют значения курса, как алгебраическую сумму оценок азимута курсового угла и углов 180°, 0° или 360°. Для устранения неоднозначности сравнивают вычисленные значения курса со значением курса, полученным по оценкам скорости изменения горизонтальных прямоугольных координат то есть как во втором аналоге.

Недостаток прототипа: низкая точность определения курса при больших ошибках измерения дальности, достигающих значений до нескольких сотен метров и более. Для получения выигрыша в точности определения курса по сравнению с другими способами необходимо уменьшить ошибки измерения дальности до нескольких десятков метров. Это требование сложно реализовать в РЛС метрового и декаметрового диапазонов с относительно узкополосными зондирующими сигналами. Ширина полосы частот зондирующих сигналов этих РЛС ограничена требованиями электромагнитной совместимости с системами связи, навигации, телевидения и другими радиоэлектронными средствами.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности определения курса неманеврирующего объекта, движущегося по линейной траектории, за счет использования выборок произведений дальности на радиальную скорость и уменьшения вследствие этого влияния ошибок измерения дальности и азимута объекта.

Для достижения этого технического результата в заявленном изобретении так же, как в прототипе, в РЛС измеряют полярные координаты объекта (дальность r_i и азимут β_i) и преобразуют их в цифровые сигналы. Далее производят преобразование этих координат в горизонтальные прямоугольные координаты: x_i=r_isinβ_i, y_i= r_icosβ_i.

Путем оптимального взвешенного суммирования фиксированной выборки этих координат определяют оценки скорости изменения прямоугольных координат Затем вычисляют оценку вспомогательного угла по формуле: После этого вычисляют однозначную оценку курса, как во втором аналоге [2, С. 314]:

Далее определяют значения радиальной скорости в середине интервала наблюдения и оценку путевой скорости Затем вычисляют значение оценки курсового угла в середине интервала наблюдения по формуле:

После этого определяют два значения курса, как алгебраическую сумму сглаженных значений оценок азимута курсового угла а также углов 180°или 0°. Для устранения неоднозначности используют однозначную оценку курса вычисленную по формуле (3).

В отличие от прототипа, согласно заявленного изобретения, радиальную скорость объекта, в том числе в середине интервала наблюдения определяют по измеренному доплеровскому сдвигу частоты отраженного от объекта сигнала.

Для измерения путевой скорости перемножают цифровые сигналы дальности r_i и радиальной скорости и получают значения произведений дальности на радиальную скорость Далее определяют оценку первого приращения произведения дальности на радиальную скорость за период обзора Т₀ путем взвешенного суммирования фиксированной выборки произведений дальности на радиальную скорость с весовыми коэффициентами Затем делят эту оценку на период обзора Т₀ и вычисляют квадратный корень [7]:

Азимут объекта в середине интервала наблюдения оценивают путем взвешенного суммирования измеренных значений азимута βi:

где N - число измерений азимута или значений произведений дальности на радиальную скорость в выборке;

i - номер измерения азимута или значения произведения дальности на радиальную скорость в выборке.

Далее определяют две оценки курса При этом для определения оценки курса к сумме оценок азимута и курсового угла прибавляют или вычитают из этой суммы 180° в зависимости от знака радиальной скорости и координаты х:

Для определения другой оценки курса такие же операции осуществляют с разностью оценок азимута и курсового угла:

Затем вычисляют абсолютные значения разностей двух полученных оценок и однозначной оценки, полученной во втором аналоге По меньшей разности устраняют неоднозначность определения курса в заявленном изобретении, так как при истинном курсе эта разность теоретически равна нулю, а при ложном курсе - удвоенному курсовому углу.

Достоверность формул (3), (6) и (7) подтверждается схемами траекторий, приведенными в фиг. 1 - фиг. 4. В фиг. 1 и фиг. 2 приведены схемы восьми траекторий в точках с координатами r_i и β_i. Для удаляющихся от РЛС объектов (фиг. 1), то есть при положительной радиальной скорости оценки курса могут быть равны как сумме, так и разности азимута и курсового угла во всех четырех квадрантах прямоугольной системы координат XOY. Для приближающихся к РЛС объектов (фиг. 2), то есть при отрицательной радиальной скорости в первом и втором квадрантах (х>0) прибавляется 180°, а в третьем и четвертом квадрантах (х<0) вычитается 180°.

В фиг. 3 приведены параметры траектории в двух точках, то есть вблизи траверза (точка А) и на краю зоны обнаружения (точка В), удаляющегося от РЛС объекта. При этом курс равен разности между азимутом и курсовым углом:

В фиг. 4 также приведены параметры траектории в двух точках, но курс равен сумме азимута и курсового угла:

Во всех приведенных случаях при истинном курсе разность теоретически равна нулю, а при ложном курсе - удвоенному курсовому углу

Для доказательства реализуемости заявленного технического результата вычислим среднеквадратические ошибки (СКО) определения курса объекта, то есть аэродинамической цели (АЦ), в РЛС «Резонанс-Н» тремя способами по фиксированным выборкам из 13 значений дальности, радиальной скорости и азимута при СКО измерения азимута σ_β=1,5° радиальной скорости и дальности σ_r=300 м [5, С. 356-361].

В приведенном примере, как показано на схеме фиг. 3, АЦ летит с курсом Q=20°, скоростью 250 м/с и курсовым параметром (траверзным расстоянием) Р=25 км. Автосопровождение АЦ и оценивание параметров ее движения, то есть курса Q, путевой скорости V, азимута производят от дальности 50 км до 350 км в «скользящем окне» (интервале наблюдения) длиной L_инт=15 км при периоде обзора T₀=5 с и объеме выборки N=13.

СКО определения курса в заявленном изобретении и в прототипе вычисляют по формуле:

СКО определения путевой скорости в прототипе и в заявляемом изобретении вычисляют по формулам:

Прототип нельзя использовать в РЛС «Резонанс-Н» для определения курса объекта, так как из-за больших ошибок измерения дальности в соответствии с (9) СКО оценивания путевой скорости а СКО курса в соответствии с (8) будет равно 21 градусу уже на дальности, равной двум курсовым параметрам, то есть 50 км.

Результаты анализа точности определения курса в заявленном изобретении и во втором аналоге приведены в табл. 1 и на графиках фиг. 5 и фиг. 6.

В заявленном изобретении большие ошибки измерения дальности (σ_r = 300 м) в соответствии с (10) несущественно (до 17%) снижают точность оценивания путевой скорости на дальностях до 100 км, а на дальностях более 200 км практически не оказывают влияния. Ошибки измерения азимута на дальностях более 100 км также практически не оказывают влияния на точность определения курса.

В способе-аналоге (3), то есть при оценивании курса по выборкам прямоугольных координат, ошибки определения курса зависят от СКО измерения азимута и вычисляются по формуле [3]:

Эффективность заявленного технического результата характеризуется выигрышем в точности оценивания курса заявленным способом по сравнению с аналогом, то есть отношением их СКО

Как видно из нижней строки таблицы 1, этот выигрыш в точности оценивания курса заявленным способом по сравнению с аналогом на дальностях до 200 км достигает значений от 1,75 до 4,2. На дальности 350 км выигрыш отсутствует, а на дальностях больше 350 км заявленный способ уступает в точности второму аналогу.

В общем виде этот выигрыш вычисляется по формуле:

В соответствии с (12) этот выигрыш возрастает при увеличении путевой скорости V, курсового угла (курсового параметра Р), СКО измерения азимута σ_β и при уменьшении СКО измерения радиальной скорости и дальности r_ср до объекта.

Как видно из таблицы 1 и фиг. 5, на дальности 175 км курсовой угол становится равным СКО его определения заявленным способом На дальностях больше 175 км курсовой угол становится меньше СКО его определения заявленным способом

Поэтому во втором пункте формулы изобретения предлагается вычислять СКО определения курса заявленным способом по формуле:

Где - длина интервала наблюдения (скользящего окна).

Далее вычисляют отношение курсового угла к СКО его определения

Если это отношение меньше единицы, то есть то курс определяют однозначно без использования значений курсового угла по оценкам азимута по формуле:

В приведенном в таблице 1 примере на дальности 350 км положительное смещение оценки курса, равное курсовому углу q_cp=4,1°, в 8 (восемь) раз меньше СКО определения курсового угла Поэтому выигрыш в точности определения курса возрастает в 8 раз по сравнению со вторым аналогом.

На графиках фиг. 6 показана зависимость значений среднеквадратических ошибок определения курса от дальности до объекта в заявленном изобретении в прототипе и во втором аналоге В заявленном изобретении СКО достигает максимума на дальности 175 км, а далее уменьшается с ростом дальности. В прототипе из-за больших ошибок измерения дальности определение курса практически невозможно. В аналоге при оценивании курса по выборкам прямоугольных координат точность определения курса в несколько раз хуже, чем в заявленном изобретении. При этом с ростом дальности до объекта этот разрыв увеличивается.

Таким образом, доказана промышленная реализуемость технического результата заявленного изобретения: повышение точности определения курса неманеврирующего объекта, движущегося по линейной траектории, за счет использования выборок произведений дальности на радиальную скорость и уменьшения вследствие этого влияния ошибок измерения дальности и азимута объекта.

Список использованных источников

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

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

3. Способ и устройство определения курса неманеврирующей аэродинамической цели с использованием выборки квадратов дальности. Патент на изобретение №2621692 от 07.06.17.

4. Способ определения модуля скорости аэродинамической цели. Патент на изобретение №2559296 от 14.07.15.

5. Устройство радиолокационного определения путевой скорости неманеврирующей воздушной цели. Патент на полезную модель №152617 от 18.05.15.

6. Радиолокационный измеритель путевой скорости неманеврирующей аэродинамической цели по выборке квадратов дальности. Патент на полезную модель №158491 от 11.12.15.

7. Способ радиолокационного определения путевой скорости неманеврирующей аэродинамической цели по выборке произведений дальности на радиальную скорость и устройство для его реализации. Патент на изобретение №2644588 от 13.02.1.

8. Вооружение ПВО и РЭС России. Альманах. М.: Издательство НО «Лига содействия оборонным предприятиям», 2011, 504 с.

Изобретение относится к области радиолокации и предназначено для определения курса неманеврирующих объектов. Технический результатом изобретения заключается в повышении точности определения курса неманеврирующего объекта. Указанный результат достигается за счет использования выборки произведений измеренных значений дальности r_i на радиальную скорость и уменьшения вследствие этого влияния ошибок измерения дальности и азимута. Для этого оценивают путевую скорость по выборке произведений дальности на радиальную скорость и вычисляют курсовой угол в середине интервала наблюдения Курс вычисляют как алгебраическую сумму сглаженных значений оценок азимута курсового угла а также углов 0° или 180°. С помощью известного способа определения курса по выборкам прямоугольных координат устраняют неоднозначность определения курса в заявленном изобретении. 1 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

1. Способ определения курса объекта на линейной траектории с использованием измерений его радиальной скорости, заключающийся в том, что в РЛС измеряют дальность r_i и азимут β_i и преобразуют их в горизонтальные прямоугольные координаты x_i=r_isinβ_i, y_i=r_icosβ_i, определяют оценки скорости изменения прямоугольных координат вычисляют оценку вспомогательного угла по формуле и однозначную оценку курса по формуле далее определяют значения радиальной скорости в середине интервала наблюдения и оценку путевой скорости вычисляют значение курсового угла в середине интервала наблюдения определяют два значения курса как алгебраическую сумму сглаженных значений оценок азимута курсового угла а также углов 180° или 0°, для устранения неоднозначности используют однозначную оценку курса отличающийся тем, что значения радиальной скорости на интервале наблюдения, в том числе в середине интервала наблюдения определяют по измеренному доплеровскому сдвигу частоты отраженного от объекта сигнала, перемножают измеренные значения дальности r_i и радиальной скорости и получают значения произведений дальности на радиальную скорость оценивают первое приращение произведения дальности на радиальную скорость за период обзора Т₀ путем взвешенного суммирования фиксированной выборки произведений дальности на радиальную скорость с весовыми коэффициентами делят эту оценку на период обзора T₀, вычисляют квадратный корень из полученного результата и получают оценку путевой скорости оценивают азимут объекта в середине интервала наблюдения путем взвешенного суммирования измеренных значений азимута β_i по формуле где N - число измерений азимута или значений произведений дальности на радиальную скорость в выборке, i - номер измерения азимута или значения произведения дальности на радиальную скорость в выборке, определяют две оценки курса по формулам вычисляют абсолютные значения разностей между однозначной оценкой и двумя полученными оценками по меньшей разности устраняют неоднозначность определения курса в заявленном изобретении, так как при истинном курсе эта разность равна нулю, а при ложном курсе - удвоенному значению оценки курсового угла

2. Способ определения курса по п. 1, отличающийся тем, что в разных точках траектории вычисляют среднеквадратическую ошибку (СКО) определения курсового угла в заявленном изобретении по формуле где r_ср - дальность до объекта в середине интервала наблюдения, - СКО измерения радиальной скорости, - длина интервала наблюдения, вычисляют отношение оценки курсового угла к СКО его определения если это отношение меньше единицы, то есть то курс определяют однозначно по оценкам азимута объекта без использования значений его курсового угла по формуле