СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ КООРДИНАТ ДВИЖУЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА ПАССИВНОЙ РАДИОСИСТЕМОЙ Российский патент 2020 года по МПК G01S3/72 

Изобретение относится к пассивным радиосистемам, предназначенным для наблюдения за движущимися объектами в радио диапазоне длин волн.

Система состоит из двух взаимно удаленных и ориентированных в пространстве радиоприемников с антенными решетками (АР), составленными из нескольких приемных элементов, которые принимают отраженный от объекта радиосигнал. Ориентация задается матрицей Р поворота трех осей координат второго приемника по отношению к первому приемнику и базовым вектором b, соединяющим центры двух прямоугольных систем координат.

Радиопередатчик, расположенный отдельно от радиоприемников, посылает в отдельные моменты времени t периодический радиосигнал s(t) c известными параметрами в сторону области пересечения диаграмм направленности антенн (ДНА) радиоприемников, которую пересекает движущийся с определенной скоростью объект наблюдения (воздушный или наземный).

Радиоприемники принимают отраженный от объекта полезный радиосигнал, а также помехи в виде сигналов переотражения от местности, возникающие с некоторой задержкой во времени по отношению к полезному сигналу. Присутствуют шумы аппаратуры.

Принятые в радиоприемниках радиосигналы s₁(t) и s₂(t) проходят первичную обработку, преобразуются в q-x измерительных каналах (по числу Q приемных элементов АР) в комплексные спектры на j-х доплеровских частотах ƒ_j. После чего выделяются спектральные составляющие соответствующие доплеровской частоте объекта, которые поступают на устройство (или алгоритм) определения угловых координат объекта (азимута и угла места).

Известные способы определения угловых координат объекта по совокупности выделенных комплексных амплитуд в приемопередающем радиоприемнике. Например, способы, основанные на моноимпульсном [1] и фазовом [2] методах. Для повышения точности выделения комплексных амплитуд известен также способ [3]. Результатом применения данных способов являются угловые координаты объекта (азимут и угол места) ϕ и θ, найденные в системе координат радиоприемника.

Однако для определения пространственных координат объекта в пассивном режиме наблюдения необходимо знать радиальные дальности r₁ и r₂ до объекта. Способы [1-3] рассчитаны на активные радиосистемы с приемопередающими антеннами, где дальности определяются по временной задержке переданного сигнала, и не применимы для пассивных наблюдений.

Известен способ [4] для пассивной системы, состоящей из стереопары пространственно удаленных и взаимно ориентированных приемников, где дальности r₁ и r₂ определяются на основе ортов а₁ и а₂ векторов М₁=r₁а₁ и М₂=r₂а₂ направлений на объект. Орты находятся на основе измеренных в i-х приемниках (i=1, 2) угловых координат объекта ϕ_i, θ_i по формуле:

в местных системах координат O_i,X_i,Y_i,Z_i, где оси O_iZ_i направлены в сторону объекта, оси O_iX_i и O_iZ_i расположены в горизонтальной плоскости, ось O_iY_i - в вертикальной, угол ϕ_i отсчитывается от оси O_iZ_i в плоскости O_i,X_i,Z_i, угол θ_i - в вертикальной плоскости относительно O_i,X_i,Z_i.

Дальности r₁ и r₂ находятся из условия сопряжения векторов М₁ и М₂:

где - вектор а₂, пересчитанный в систему координат первого приемника; е - вектор ошибок сопряжения. Из (2) методом наименьших квадратов определяется вектор оценок дальностей до объекта:

Соединение двух подходов представляет сущность предлагаемого способа определения пространственных координат движущегося объекта. Рассмотрим в качестве прототипа способ [2], который применительно к пассивному наблюдению сводится к следующему.

1. Центры приемных элементов АР в плоскости антенны радиоприемника располагают в точках с координатами (x₁,y₁)=(d/2,0), (х₂,у₂)=(0, d/2), (х₃,у₃)=(-d/2,0), (х₄,у₄)=(0, -d/2), где d - базовое расстояние между центрами приемных элементов.

2. При данном направлении линии визирования антенны фиксируют поступление полезного сигнала s_q{t) на промежутке времени до момента прихода переотраженных сигналов одновременно в q-x приемных каналах: горизонтальном (для 1-го и 3-го приемных элементов) и вертикальном (для 2-го и 4-го приемных элементов).

3. Формируют в цифровой форме временные последовательности s_q(t_j), (n - число временных отсчетов), которые подвергают дискретному преобразованию Фурье (ДПФ). В результате преобразуются в комплексные спектры в q-x каналах,

4. Выделяют спектральные составляющие сигнала на доплеровской частоте ƒ_j, амплитуда которых превышает порог обнаружения полезного сигнала во всех q-x каналах.

5. Находят аргументы комплексных величин - фазы и вычисляют разности фаз по азимуту ϕ для горизонтальных каналов (q=1 и 3) и по углу места θ для вертикальных каналов (q=2 и 4):

Δψ_ϕ = ψ₁-ψ₃, Δψ_θ = ψ₂-ψ₄.

6. Для полученных разностей фаз вычисляют угловые координаты по формуле (λ - длина волны):

Недостаток данного способа заключается в том, что в пассивном режиме работы радиоприемника невозможно найти дальность r до объекта и определить его пространственные координаты.

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение этого недостатка, а именно на определение дальности до объекта в пассивном режиме работы радиоприемников и нахождение его пространственных координат.

Технический результат предлагаемого технического решения достигается применением способа определения пространственных координат движущегося объекта пассивной радиосистемой, который заключается в приеме радиосигнала отражения от объекта антенной радиоприемника с четырьмя приемными элементами, преобразовании этого сигнала в четырех измерительных каналах в спектральные последовательности на доплеровских частотах, выделении четырех спектральных составляющих на доплеровской частоте объекта, нахождении из них разностей фаз и вычислении угловых координат азимута и угла места положения объекта умножением найденных разностей фаз на известный коэффициент, отличающийся тем, что к первому радиоприемнику добавляют второй радиоприемник, пространственно удаленный и взаимно ориентированный с первым матрицей Р поворота осей и базовым вектором b, принимают в радиоприемниках радиосигнал, переданный отдельно расположенным радиопередатчиком и отраженный от объекта, выделяют из принятого сигнала спектральные составляющие на доплеровской частоте объекта в измерительных каналах, определяют из них разности фаз в горизонтальном и вертикальном каналах и умножением разностей фаз на известный коэффициент вычисляют угловые координаты азимута и угла места положения объекта в системах координат двух радиоприемников, после чего на основе найденных угловых координат определяют орты а₁ и а₂ векторов направлений на объект, преобразуют орт а₂ в орт умножением его слева на матрицу Р и вычисляют на основе координат двух векторов a₁, матрицу Н, далее умножают матрицу Н справа на базовый вектор b и получают вектор оценок дальностей r₁ и r₂ до объекта, затем умножают дальности на орты а₁, а₂ и находят векторы М₁=r₁а₁ и М₂=r₂а₂ пространственных координат объекта в системах координат двух приемников.

Алгоритмически способ сводится к следующему.

1. Размещают два взаимно удаленных и ориентированных в пространстве радиоприемника с антеннами в виде АР из четырех приемных элементов.

2. Радиопередатчик, расположенный отдельно от приемников, посылает в определенные моменты времени t периодический радиосигнал s(t) с известными параметрами в сторону области пересечения ДНА приемников, которую пересекает движущийся объект.

3. Радиоприемники принимают отраженные от объекта сигналы соответственно s₁(t) и s₂(t), которые в трактах первичной обработки преобразуются в цифровой форме во временные n-последовательности в q-х приемных каналах каждого i-го приемника (i=1, 2). Временные поледовательности преобразуются с помощью ДПФ в комплексные спектры на j-x доплеровских частотах

4. Выделяются комплексные спектральные составляющие и спектров, соответствующие доплеровской частоте движущегося объекта ƒ_j. Находятся аргументы комплексных величин - фазы и вычисляются разности фаз п азимуту ϕ для горизонтальных каналов (q=1, 3) и по углу места θ для вертикальных каналов (q=2, 4): Δψ_iϕ = ψ_i1-ψ_i3, Δψ_iθ = ψ_i2-ψ_i4, i=1, 2.

Для полученных разностей фаз находятся оценки угловых координат (4):

ϕ_i = kΔψ_iϕ, θ_i = kΔψ_iθ, k=λ/(πd), i=1, 2.

5. Для найденных угловых координат ϕ_i, θ_i, i=1, 2, определяются орты а₁ и а₂ векторов направлений на объект по формуле (1). Координаты орта второго приемника преобразуются в систему координат первого приемника умножением а₂ справа на матрицу Р поворота осей: Из координат двух векторов составляется матрица А по формуле (2) и вычисляется матрица Н по формуле (3).

6. Вычисляется вектор R оценок дальностей r₁ и r₂ до объекта умножением матрицы Н справа на базовый вектор b по формуле (3), и умножением ортов а₁, а₂ на дальности r₁, r₂ находятся векторы М₁=r₁а₁ и М₂=r₂а₂ пространственных координат объекта в системах координат двух приемников.

Предложенный способ, в отличие от активных радиотехнических систем, позволяет в пассивном режиме наблюдения за объектом определить дальности до объекта и его пространственные координаты на основе решения системы уравнений для сопряженных векторов направлений на объект.

Способ может найти применение в пассивных радиотехнических системах слежения за движущимися объектами.

Литература

1. Патент RU 2534224.

2. Патент RU 2572357.

3. Патент RU 2661913.

4. Патент RU 2681518.

Изобретение относится к пассивным радиосистемам, предназначенным для наблюдения за движущимися объектами в радиодиапазоне длин волн. Достигаемый технический результат – определение дальности до объекта в пассивном режиме работы радиоприемников и определение его пространственных координат. Указанный результат достигается за счет того, что для реализации способа определения координат движущегося объекта пассивной радиосистемой используют два взаимно удаленных и ориентированных в пространстве радиоприемника с антенными решетками, которые принимают отраженный от движущегося объекта радиосигнал, переданный радиопередатчиком, расположенным отдельно от радиоприемников. По результатам обработки принятых сигналов на доплеровских частотах определяются угловые координаты объекта и орты векторов направлений на объект. Способ, в отличие от активных радиолокационных систем, позволяет в пассивном режиме наблюдения за объектом определить дальности до объекта и его пространственные координаты на основе решения системы уравнений для сопряженных векторов направлений на объект.

Способ определения пространственных координат движущегося объекта пассивной радиосистемой, заключающийся в приеме радиосигнала отражения от объекта антенной радиоприемника с четырьмя приемными элементами, преобразовании этого сигнала в четырех измерительных каналах в спектральные последовательности на доплеровских частотах, выделении четырех спектральных составляющих на доплеровской частоте объекта, нахождении из них разностей фаз и вычислении угловых координат азимута и угла места положения объекта умножением найденных разностей фаз на известный коэффициент, отличающийся тем, что к первому радиоприемнику добавляют второй радиоприемник, пространственно удаленный и взаимно ориентированный с первым матрицей Р поворота осей и базовым вектором b, принимают в радиоприемниках радиосигнал, переданный отдельно расположенным радиопередатчиком и отраженный от объекта, выделяют из принятого сигнала спектральные составляющие на доплеровской частоте объекта в измерительных каналах, определяют из них разности фаз в горизонтальном и вертикальном каналах и умножением разностей фаз на известный коэффициент вычисляют угловые координаты азимута и угла места положения объекта в системах координат двух радиоприемников, после чего на основе найденных угловых координат определяют орты а₁ и а₂ векторов направлений на объект, преобразуют орт а₂ в орт умножением его слева на матрицу Р и вычисляют на основе координат двух векторов матрицу Н, далее умножают матрицу Н справа на базовый вектор b и получают вектор оценок дальностей r₁ и r₂ до объекта, затем умножают дальности на орты а₁, а₂ и находят векторы М₁=r₁a₁ и М₂=r₂a₂ пространственных координат объекта в системах координат двух приемников.