СПОСОБ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ЛОКАЛИЗАЦИИ РАДИОПЕРЕДАТЧИКОВ Российский патент 2020 года по МПК G01S5/04 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в однопозиционных системах скрытного контроля наземного, морского и воздушного пространства, осуществляющих траекторное сопровождение подвижных объектов по прямым радиосигналам их бортовых радиопередатчиков и копиям этих радиосигналов, отраженным посторонними отражателями в виде естественных неоднородностей рельефа местности или стационарных и подвижных объектов искусственного происхождения.

Технология траекторного сопровождения целей по излучениям их радиопередатчиков, использующая естественно возникающие при излучении радиосигналов отражения от произвольно распределенных в пространстве посторонних отражателей, пока еще не получила достаточного распространения, несмотря на то, что осуществима однопозиционной системой контроля и может существенно повысить эксплуатационную эффективность широкого класса систем и комплексов скрытного дистанционного обнаружения, слежения и управления.

Известен способ пространственной локализации радиопередатчиков [1], заключающийся в том, что принимают решеткой антенн радиосигналы передатчиков, преобразуют принятые радиосигналы в двумерные комплексные угловые спектры принятых радиосигналов, по угловым спектрам определяют азимутальные и угломестные пеленги передатчиков, а после сравнения угломестных пеленгов β с порогом разделяют передатчики на наземные и воздушные и определяют наклонную дальность R до радиопередатчиков воздушных целей по формуле R=Н/sinβ, где Н - известная высота полета цели.

Данный способ обеспечивает пространственную локализацию (определение пространственных координат и траекторное сопровождение) радиопередатчиков воздушных целей однопозиционной системой контроля. Однако этот способ требует наличия априорной информации о высоте перемещения передатчика и при ее отсутствии теряет свою эффективность.

Известен способ пространственной локализации радиопередатчиков [2], заключающийся в том, что

принимают на заданной частоте приема решеткой антенн прямой радиосигнал передатчика и отраженные от посторонних отражателей копии этого радиосигнала,

синхронно преобразуют ансамбль принятых антеннами радиосигналов в цифровые сигналы,

цифровые сигналы преобразуют в фазированные сигналы для выбранных азимутально-угломестных направлений приема,

фазированные сигналы разделяют на прямой и отраженные сигналы, запоминают направления их приема,

по прямому и отраженным сигналам определяют и запоминают задержку по времени каждого отраженного сигнала относительно прямого сигнала,

по задержкам рассчитывают разности длин путей прямого и каждого отраженного сигнала,

по направлениям приема отраженных сигналов и рассчитанным разностям длин путей вычисляют значения гипотетических координат отражателей в зависимости от значений гипотетической дальности до радиопередатчика,

сравнивают значения гипотетических и предварительно измеренных координат отражателей,

при совпадении с заданной точностью гипотетических и предварительно измеренных координат отражателей фиксируют наиболее вероятное значение дальности до радиопередатчика,

по значению направления приема прямого сигнала и наиболее вероятному значению дальности находят пространственные координаты радиопередатчика.

Способ-прототип не требует наличия априорной информации о высоте радиопередатчика и обеспечивает его пространственную локализацию однопозиционной системой контроля.

Однако способ-прототип обладает следующими недостатками, снижающими его эффективность:

1) осуществляет операции проверки гипотезы о значениях пространственных координат отражателей, требующие наличия априорной информации о пространственных координатах возможных отражателей радиосигналов в районе размещения однопозиционной системы контроля и, как следствие:

а) является сложно осуществимым в стационарных комплексах скрытного контроля, так как требует до начала функционирования комплекса продолжительных (несколько лет) и трудоемких (с использованием летно-подъемных средств) операций выбора возможных отражателей радиосигналов и измерения их пространственных координатах.

При этом операции предварительного выбора отражателей предполагают измерение бистатической эффективной площади рассеяния каждого из возможных отражателей на каждой из множества возможных рабочих частот системы контроля и на каждом из возможных угловых направлений приема по азимуту и углу места. Например, в наиболее типичных условиях, при измерениях на каждой из 1000 частот и числе дискретных значений по азимуту 360, а по углу места 90 можно получить, что общее число измерений может достигать очень больших значений 1000×360×90=32400000. Если предположить, что в течение суток выполняется 100 измерений, то общая продолжительность измерения пространственных координат возможных отражателей радиосигналов в районе размещения однопозиционной системы контроля может достигать 324000 суток;

б) не осуществим в мобильных комплексах скрытного контроля, как правило, предназначенных для многократного оперативного перебазирования на новые позиции и, как следствие, требующих минимального времени развертывания;

2) не содержит операций определения вектора скорости радиопередатчика, что свидетельствует об ограниченности его информативности.

Техническим результатом изобретения является повышение информативности (определение вектора скорости в дополнение к пространственным координатам) и оперативности пространственной локализации широкого класса радиопередатчиков однопозиционной системой контроля в условиях априорной неопределенности формы, размеров, отражающих свойств и пространственных координат посторонних отражателей радиосигналов.

Повышение информативности и оперативности достигается за счет расширения номенклатуры измеряемых параметров отраженных сигналов (временные задержки и доплеровские сдвиги частоты вместо временных задержек) и осуществления операций проверки гипотезы о значениях доплеровских сдвигов отраженных сигналов вместо операций проверки гипотезы о значениях пространственных координат отражателей, являющихся сложно осуществимыми в стационарных и практически не осуществимыми в мобильных комплексах скрытного контроля

Технический результат достигается тем, что в способе пространственной локализации радиопередатчиков, заключающемся в том, что принимают на заданной частоте приема решеткой антенн прямой радиосигнал передатчика и отраженные от посторонних отражателей копии этого радиосигнала, синхронно преобразуют ансамбль принятых антеннами радиосигналов в цифровые сигналы, цифровые сигналы преобразуют в фазированные сигналы для выбранных азимутально-угломестных направлений приема, фазированные сигналы разделяют на прямой и отраженные сигналы, которые совместно с выбранными направлениями приема запоминают, согласно изобретению, прямой и отраженные сигналы преобразуют в сигналы комплексных частотно-временных изображений для каждого направления приема отраженных сигналов, по частотно-временным изображениям определяют и запоминают число М отражателей, доплеровский сдвиг частоты ω_i и задержку по времени τ_i сигнала каждого отражателя относительно прямого сигнала, где - номер отражателя, по значениям задержек и направлений приема вычисляют гипотетические значения дальности до каждого отражателя в зависимости от гипотетических значений дальности до передатчика где h - текущий номер гипотетического значения дальности, с - скорость света, e_t и e_i - соответствующие запомненным направлениям приема прямого сигнала передатчика и сигнала i-го отражателя единичные векторы-пеленги, по гипотетическим значениям дальностей и единичным вектор-пеленгам находят и фиксируют гипотетические координаты отражателей и передатчика, формируют и запоминают матрицу Q^h, элементы которой где m=1, 2, 3, e_m - единичные векторы осей декартовой системы координат, с точностью до множителя, равного обратной длине волны λ на частоте приема, являются проекциями на оси декартовой системы координат суммы направлений из точки приема на гипотетическое положение передатчика и из гипотетического положения передатчика на каждую из точек гипотетических положений отражателей, из запомненных значений доплеровских сдвигов частоты ω_i формируют и запоминают вектор-столбец ω измеренных доплеровских сдвигов частоты отраженных сигналов, находят вектор-столбец гипотетической скорости передатчика где (Q^h)^H - матрица, эрмитово сопряженная с Q^h, который запоминают и преобразуют в вектор-столбец гипотетических доплеровских сдвигов частоты отраженных сигналов ω^h=Q^hv^h, для каждого значения гипотетической дальности до передатчика вычисляют невязку между вектор-столбцами гипотетических ω^h и измеренных ω доплеровских сдвигов отраженных сигналов по формуле где ω^H - вектор-столбец, эрмитово сопряженный с ω, по глобальному минимуму невязки определяют дальность до радиопередатчика, по которой находят вектор скорости и пространственные координаты где r₀ - радиус-вектор положения однопозиционной системы контроля в декартовой системе координат, радиопередатчика.

Операции способа поясняются чертежами:

Фиг. 1. Структурная схема устройства, реализующего предложенный способ калибровки.

Фиг. 2. Схема взаимного расположения однопозиционной системы контроля, радиопередатчика и отражателя в декартовой системе координат.

Устройство (фиг. 1), в котором реализуется предложенный способ, содержит последовательно соединенные систему приема и предварительной обработки 1 и вычислительную систему 2.

Система 1 включает антенную решетку 1-1, тракт приема радиосигналов, включающий преобразователь частоты 1-2, АЦП 1-3 и устройство пространственной фильтрации 1-4.

Система 2 имеет выход, предназначенный для подключения к внешним системам. Кроме этого система 2 имеет управляющий выход для настройки на заданную частоту приема преобразователя частоты 1-2 (для упрощения управляющий выход на фиг. 1 не показан).

Система 1 является аналогово-цифровым устройством и предназначена для приема на заданной частоте рабочего диапазона частот и пространственной фильтрации прямого радиосигнала передатчика и отраженных от посторонних отражателей копий этого радиосигнала.

Антенная решетка 1-1 состоит из N антенн с номерами Каждая антенна обеспечивает прием прямых и отраженных радиосигналов.

Пространственная конфигурация антенной решетки может быть произвольной: плоской прямоугольной, плоской кольцевой или объемной, в частности, конформной.

Преобразователь частоты 1-2 является N-канальным, выполнен с общим гетеродином и с полосой пропускания каждого канала, изменяемой в соответствии с шириной спектра принимаемого радиосигнала. Общий гетеродин обеспечивает многоканальный когерентный прием сигналов.

АЦП 1-3 также является N-канальным и синхронизирован сигналом одного опорного генератора (для упрощения опорный генератор на фиг. 1 не показан). Если разрядность и быстродействие АЦП достаточны для непосредственного аналого-цифрового преобразования входных сигналов, то вместо преобразователя частоты 1-2 могут использоваться частотно избирательные полосовые фильтры и усилители. Кроме этого, преобразователь частоты 1-2 обеспечивает подключение одной из антенн вместо всех антенн решетки для периодической калибровки приемных каналов по внешнему источнику сигнала. Возможна калибровка с использованием внутреннего генератора, выход которого также подключается вместо всех антенн для периодической калибровки каналов (для упрощения внутренний генератор на фиг. 1 не показан).

Устройство 1-4 представляет собой вычислительное устройство, обеспечивающее формирование, например, классическим способом формирования луча или способом адаптивной пространственной фильтрации [3], фазированных сигналов для выбранных азимутально-угломестных направлений приема и последующего их разделения на прямые и отраженные радиосигналы.

Вычислительная система 2 предназначена для формирования сигналов комплексных частотно-временных изображений радиосигналов, рассеянных посторонними отражателями в анализируемой области доплеровских частот и временных задержек, определения числа отраженных сигналов, их доплеровских сдвигов частоты и задержек по времени относительно прямого сигнала, а также вычисления координат и вектора скорости контролируемого радиопередатчика.

Устройство работает следующим образом.

В системе 2 на основе данных от внешних систем периодически обновляются параметры радиопередатчиков, подлежащих пространственной локализации.

Параметры радиопередатчиков (несущая частота и ширина спектра радиосигнала) запоминаются в системе 2, а также используются для настройки преобразователя 1-2. С целью упрощения цепи управления преобразователем не показаны.

Преобразователь частоты 1-2 по сигналам системы 2 перестраивается на заданную частоту приема.

Принятое каждой антенной с номером n решетки 1-1 многолучевое электромагнитное поле прямого и рассеянных радиосигналов в виде зависящих от времени t радиосигналов s_n(t) поступает на входы преобразователя частоты 1-2.

В преобразователе частоты 1-2 каждый принятый радиосигнал s_n(t) фильтруется по частоте и переносится на более низкую частоту.

Сформированный в преобразователе 1-2 ансамбль радиосигналов синхронно преобразуется с помощью АЦП 1-3 в цифровые сигналы где - номер временного отсчета сигнала, которые поступают в устройство 1-4, где запоминаются.

В устройстве 1-4 цифровые сигналы преобразуются в прямой и рассеянные сигналы для выбранных азимутально-угломестных направлений приема.

Преобразование цифровых сигналов в прямой сигнал и рассеянные сигналы для выбранных азимутально-угломестных направлений приема осуществляется известным способом классического формирования луча или способом адаптивной пространственной фильтрации [3].

Например, при использовании способа адаптивной пространственной фильтрации цифровые сигналы отдельных антенн s_n объединяются в матричный цифровой сигнал размером N×Z. Из матричного цифрового сигнала S формируется сигнал пространственной корреляционной матрицы R размером N×N. Сигнал корреляционной матрицы R преобразуется в сигнал оптимального весового вектора размером N×1 для формирования фазированного сигнала в выбранном азимутально-угломестном направлении приема, где η - вектор наведения размером N×1, определяемый выбранным азимутально-угломестным направлением приема радиосигнала, длиной волны (частотой) и геометрией решетки.

После этого матричный цифровой сигнал S преобразуется в фазированный для выбранного азимутально-угломестного направления приема сигнал где - символ эрмитова сопряжения. Фазированный сигнал является векторным сигналом включающим Z временных отсчетов.

Аналогично осуществляется формирование фазированных сигналов для всех выбранных азимутально-угломестных направлений приема.

Физически описанные операции адаптивной пространственной фильтрации обеспечивают одновременный направленный прием полезных сигналов в выбранных направлениях приема. При этом обеспечивается пространственная фильтрация сигналов с каждого выбранного направления с одновременным подавлением широкого класса помех, приходящих с других направлений.

Полученные фазированные сигналы совместно со значениями азимутально-угломестных направлений приема поступают в вычислительную систему 2, где запоминаются.

В вычислительной системе 2 выполняются следующие действия:

- фазированные сигналы разделяются на прямой и отраженные сигналы, которые совместно с выбранными направлениями приема запоминаются.

При разделении сигналов выполняются следующие действия:

сравниваются с порогом значения модулей фазированных сигналов s и при превышении порога принимается решение об обнаружении в выбранном азимутально-угломестном направлении приема прямого сигнала, а в противном случае - отраженного сигнала.

Порог выбирается исходя из минимизации вероятности перепутывания прямого и отраженных сигналов;

- прямой и отраженные сигналы преобразуются в сигналы комплексных частотно-временных изображений для каждого направления приема отраженных сигналов.

Преобразование прямого и отраженных сигналов в сигналы комплексных частотно-временных изображений возможно различными способами: классическим способом взаимной корреляции [4] или современными итерационными способами [5-7].

Например, при использовании способа [4] для каждого направления приема отраженных сигналов формируется зависящая от временного и частотного сдвигов комплексная двумерная взаимно корреляционная функция между прямым и отраженным сигналами.

Модуль комплексной двумерной взаимно корреляционной функции описывает частотно-временное изображение распределения энергии отраженных сигналов в анализируемой области задержек и доплеровских частот и позволяет определить число отражателей, доплеровский сдвиг частоты и задержку по времени сигнала каждого отражателя.

Итерационные способы [5-7] за счет дополнительных операций нелинейной обработки сигналов обеспечивают формирование частотно-временных изображений распределения энергии отраженных сигналов в анализируемой области задержек и доплеровских частот с повышенным динамическим диапазоном и разрешающей способностью;

- по частотно-временным изображениям определяется и запоминается число М отражателей, доплеровский сдвиг частоты ω_i и задержка по времени τ_i сигнала каждого i-го отражателя относительно прямого сигнала, где - номер отражателя.

Описанные операции формирования сигналов двумерных комплексных частотно-временных изображений в заданных направлениях приема являются ключевыми при повышении информативности и оперативности, так как позволяют описывать распределение отраженных радиосигналов не только в области временных задержек, но и в области доплеровских сдвигов.

В результате осуществления этих операций обеспечивается возможность увеличения числа измеряемых и моделируемых параметров в виде относительных задержек по времени и доплеровских сдвигов частоты сигналов отражателей, вместо относительных задержек.

На последующих этапах обработки сигналов это открывает возможность определения не только координат передатчика, но и вектора его скорости.

За счет этого повышается информативность пространственной локализации широкого класса радиопередатчиков однопозиционной системой контроля. Более того, не требуется априорное знание координат отражателей, то есть, устраняется второй основной недостаток способа-прототипа - сложность осуществимости в стационарных и практическая неосуществимость в мобильных комплексах скрытного контроля.

Кроме этого в вычислительной системе 2 выполняются следующие действия:

- по значениям задержек τ_i и направлений приема вычисляются гипотетические значения дальности до каждого i-го отражателя в зависимости от гипотетических значений дальности до передатчика где h - текущий номер гипотетического значения дальности, с - скорость света, e_t и e_i - соответствующие запомненным направлениям приема прямого сигнала передатчика и сигнала i-го отражателя единичные векторы-пеленги;

- по гипотетическим значениям дальностей и единичным вектор-пеленгам e_i и e_t находятся и фиксируются гипотетические координаты отражателей и передатчика.

Гипотетические координаты отражателей и передатчика вычисляются по следующим формулам: и где r₀ - радиус-вектор положения однопозиционной системы контроля в декартовой системе координат;

- формируется и запоминается матрица Q^h, элементы которой где m=1, 2, 3, e_m - единичные векторы осей декартовой системы координат, с точностью до множителя, равного обратной длине волны λ на частоте приема, являются проекциями на оси декартовой системы координат суммы направлений из точки приема с радиус-вектором r₀ на гипотетическое положение передатчика с радиус-вектором r^h и из гипотетического положения передатчика на каждую из точек с радиус-вектором гипотетических положений отражателей (фиг. 2);

- из запомненных значений доплеровских сдвигов частоты ω_i, формируется и запоминается вектор-столбец ω измеренных доплеровских сдвигов частоты отраженных сигналов;

- находится вектор-столбец гипотетической скорости передатчика где (Q^h)^H - матрица, эрмитово сопряженная с матрицей Q^h.

Отметим, что формула может быть получена из переопределенной системы Q^hv^h=ω, включающей М уравнений относительно трех компонент вектора-столбца гипотетической скорости передатчика v^h;

- вектор-столбец гипотетической скорости передатчика запоминается и преобразуется в вектор-столбец гипотетических доплеровских сдвигов частоты отраженных сигналов ω^h=Q^hv^h;

- для каждого значения гипотетической дальности до передатчика вычисляется невязка между вектор-столбцами гипотетических ω^h и измеренных ω доплеровских сдвигов отраженных сигналов по формуле где ω^H - вектор-столбец, эрмитово сопряженный с вектор-столбцом ω;

-по глобальному минимуму невязки определяется дальность до радиопередатчика, по которой находят вектор скорости и пространственные координаты где r₀ - радиус-вектор положения однопозиционной системы контроля в декартовой системе координат, радиопередатчика.

При определении вектора скорости v радиопередатчика по полученной оценке дальности находятся элементы матрицы Q, которая подставляется в формулу для вычисления вектора скорости где (Q)^H - матрица, эрмитово сопряженная с матрицей Q.

Из приведенного описания следует, что устройство, реализующее предложенный способ, обеспечивает повышение информативности (определение вектора скорости в дополнение к пространственным координатам) и оперативности пространственной локализации широкого класса радиопередатчиков однопозиционной системой контроля в условиях априорной неопределенности формы, размеров, отражающих свойств и пространственных координат посторонних отражателей радиосигналов.

Таким образом, за счет расширения номенклатуры измеряемых параметров отраженных сигналов (временные задержки и доплеровские сдвиги частоты вместо временных задержек) и осуществления операций проверки гипотезы о значениях доплеровских сдвигов отраженных сигналов вместо операций проверки гипотезы о значениях пространственных координат отражателей, являющихся сложно осуществимыми в стационарных и практически не осуществимыми в мобильных комплексах скрытного контроля, удается решить поставленную задачу с достижением указанного технического результата.

Источники информации:

1. RU, патент, 2158002, кл. G01S 13/14, 2000 г.

2. RU, патент, 2457505 С2, кл. G01S 5/04 (2006.01), 2012 г.

3. Ратынский М.В. Адаптация и сверхразрешение в антенных решетках. М.: Радио и связь. 2003 г.

4. Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. - М.: Радио и связь, 1981.

5. RU, патент, 2521608 С1, кл. G01S 13/02 (2006.01), 2014 г.

6. RU, патент, 2524401 С1, кл. G01S 13/02(2006.01), 2014 г.

7. RU, патент, 2557250 С1, кл. G01S 13/02 (2006.01), 2015 г.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в однопозиционных системах скрытного контроля наземного, морского и воздушного пространства, осуществляющих траекторное сопровождение подвижных объектов по прямым радиосигналам их бортовых радиопередатчиков и копиям этих радиосигналов, отраженным посторонними отражателями в виде естественных неоднородностей рельефа местности или стационарных и подвижных объектов искусственного происхождения. Достигаемый технический результат - повышение информативности (определение вектора скорости в дополнение к пространственным координатам) и оперативности пространственной локализации широкого класса радиопередатчиков однопозиционной системой контроля в условиях априорной неопределенности формы, размеров, отражающих свойств и пространственных координат посторонних отражателей радиосигналов. Указанный результат достигается за счет расширения номенклатуры измеряемых параметров отраженных сигналов (временные задержки и доплеровские сдвиги частоты вместо временных задержек) и осуществления операций проверки гипотезы о значениях доплеровских сдвигов отраженных сигналов вместо операций проверки гипотезы о значениях пространственных координат отражателей, являющихся сложно осуществимыми в стационарных и практически не осуществимыми в мобильных комплексах скрытного контроля. 2 ил.

Способ пространственной локализации радиопередатчиков, заключающийся в том, что принимают на заданной частоте приема решеткой антенн прямой радиосигнал передатчика и отраженные от посторонних отражателей копии этого радиосигнала, синхронно преобразуют ансамбль принятых антеннами радиосигналов в цифровые сигналы, цифровые сигналы преобразуют в фазированные сигналы для выбранных азимутально-угломестных направлений приема, фазированные сигналы разделяют на прямой и отраженные сигналы, которые совместно с выбранными направлениями приема запоминают, отличающийся тем, что прямой и отраженные сигналы преобразуют в сигналы комплексных частотно-временных изображений для каждого направления приема отраженных сигналов, по частотно-временным изображениям определяют и запоминают число М отражателей, доплеровский сдвиг частоты ω_i и задержку по времени τ_i сигнала каждого отражателя относительно прямого сигнала, где - номер отражателя, по значениям задержек и направлений приема вычисляют гипотетические значения дальности до каждого отражателя в зависимости от гипотетических значений дальности до передатчика где h - текущий номер гипотетического значения дальности, с - скорость света, e_t и e_i - соответствующие запомненным направлениям приема прямого сигнала передатчика и сигнала i-го отражателя единичные векторы-пеленги, по гипотетическим значениям дальностей и единичным вектор-пеленгам находят и фиксируют гипотетические координаты отражателей и передатчика, формируют и запоминают матрицу Q^h, элементы которой где m=1, 2, 3, e_m - единичные векторы осей декартовой системы координат, с точностью до множителя, равного обратной длине волны λ на частоте приема, являются проекциями на оси декартовой системы координат суммы направлений из точки приема на гипотетическое положение передатчика и из гипотетического положения передатчика на каждую из точек гипотетических положений отражателей, из запомненных значений доплеровских сдвигов частоты ω_i формируют и запоминают вектор-столбец ω измеренных доплеровских сдвигов частоты отраженных сигналов, находят вектор-столбец гипотетической скорости передатчика где - матрица, эрмитово-сопряженная с Q^h, который запоминают и преобразуют в вектор-столбец гипотетических доплеровских сдвигов частоты отраженных сигналов для каждого значения гипотетической дальности до передатчика вычисляют невязку между вектор-столбцами гипотетических ω^h и измеренных ω доплеровских сдвигов отраженных сигналов по формуле где ω^H - вектор-столбец, эрмитово-сопряженный с ω, по глобальному минимуму невязки определяют дальность до радиопередатчика, по которой находят вектор скорости и пространственные координаты где r₀ - радиус-вектор положения однопозиционной системы контроля в декартовой системе координат, радиопередатчика.