Способ определения координат воздушных целей в многопозиционной радиолокационной системе в условиях малого значения отношения сигнал/шум Российский патент 2020 года по МПК G01S13/42 

Предлагаемое изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для определения координат воздушных целей в многопозиционной радиолокационной системе (МПРЛС) в условиях малого отношения сигнал/шум.

Известен способ определения координат воздушной цели в МПРЛС, состоящей из N передатчиков и М приемников, основанный на использовании навигационных многопозиционных методов [1]. Для его реализации требуется, чтобы на этапе первичной обработки отклик цели был обнаружен не менее чем в трех (для 2-D позиционирования) или четырех (для 3-D позиционирования) каналах обработки сигналов (бистатических звеньях «передатчик-приемник»). В условиях малого ресурса мощности радиолиний «передатчик-приемник» или применения воздушной цели с малой эффективной поверхностью рассеяния отношение сигнал/шум в каналах первичной обработки сигналов может быть недостаточным для обнаружения в требуемом количестве каналов первичной обработки. В этом случае определение координат цели с использованием известного метода становится невозможным.

Для повышения отношения сигнал/шум предложены алгоритмы некогерентного суммирования видеосигналов на выходах нескольких каналов первичной обработки [2]. При этом повышается вероятность правильного обнаружения цели, но задача определения координат цели не решается. Кроме того, для реализации этих алгоритмов в МПРЛС, состоящей из N передатчиков и М приемников, требуются линии обмена данными с высокой пропускной способностью для передачи видеосигналов от разных приемных позиций в центр обработки информации.

Целью изобретения является разработка способа определения координат N воздушных целей в условиях малого значения отношения сигнал/шум в многопозиционной радиолокационной системе, содержащей I передатчиков сигналов подсвета целей и один приемник с известными координатами.

Технический результат достигается тем, что

- передатчики с известными координатами х_1,i, у_1,i, z_1,i, i=1, 2, …, I излучают ортогональные друг относительно друга фазокодоманипулированные сигналы, которые рассеиваются воздушными целями с искомыми координатами x_3n, y_3n, z_3n, n=1, 2, …, N;

- в наземном приемнике с известными координатами x₂, у₂, z₂, синхронизированном с передатчиками, вычисляются огибающие корреляционных функций X_i(τ) принятых сигналов, излученных передатчиками и отраженных воздушными целями, и опорных сигналов, представляющих собой задержанные копии сигналов передатчиков;

- формулируется гипотеза о том, что цель находится в точке с координатами х_3г, у_3г, z_3г и в рамках нее рассчитываются соответствующие гипотетические задержки для каждой огибающей корреляционной функции

где с - скорость света;

- для проверяемой точки формируется значение суммарной огибающей корреляционной функции

получаемое суммированием отсчетов всех огибающих корреляционных функций X_i(τ), задержка которых соответствует гипотетическим задержкам τ_i,г,2, рассчитанным для них в рамках проверяемой гипотезы;

- проводится виртуальный обзор пространства и проверка всех гипотез X_∑(x_з,г, у_з,г, z_з,г) о нахождении воздушной цели 3.n в заданных точках пространства значений суммарной огибающей корреляционной функции от координат проверяемой точки (x_з,г, у_з,г, z_з,г), считая критерием правильности проверяемой гипотезы о нахождении воздушной цели 3.n в точке (x_з,г, у_з,г, z_з,г) превышение установленного порога значением суммарной огибающей корреляционной функции

Изобретение поясняется рисунками, где показано на Фиг. 1 гипотетическая схема МПРЛС, на Фиг. 2 сигнал навигационного передатчика 1.1 (а) и суммарный сигнал на входе приемника 2j (б), на Фиг. 3 огибающая корреляционной функции принятого полезного сигнала и опорного сигнала передатчика 1.1 при наличии двух целей в зоне действия МПРЛС, на Фиг. 4 двумерная зависимость Х_∑(х_з,r, у_з,r) значений суммарной огибающей корреляционной функции от координат (х_з,r, у_з,r) проверяемой точки для фиксированного значения z_з,r, равного высоте полета двух воздушных целей.

Способ определения координат воздушных целей в многопозиционной радиолокационной системе в условиях малого значения отношения сигнал/шум, представляющей собой систему, состоящую из I задействованных передатчиков 1.i с координатами х_1,i, у_1,i, z_1,i, i=1, 2, …, I и одного приемника 2 с координатами х₂, у₂, z₂. В зоне действия системы одновременно находятся N воздушных целей 3.n с искомыми координатами x_3n,y_3n, z_3n, n=1, 2, …, N (Фиг. 1).

Каждый передатчик 1.i формирует и излучает фазокодоманипулированный сигнал (Фиг. 2а)

где A_i - амплитуда, G_i(f) - псевдослучайная последовательность (ПСП), ортогональная по отношению к ПСП сигналов всех других передатчиков, ƒ₀ - несущая частота, ϕ_i - начальная фаза сигнала.

В качестве ПСП используются М-последовательности [3]. Характеристические многочлены, порождающие М-последовательности с периодом 2047, использованные в данном примере (не нарушает общность), имеют вид

где ⊕ - сложение по модулю 2.

Последовательности G_i(t) (i=1, 2, …, I), сформированные с использованием этих многочленов, ортогональны между собой, что дает возможность раздельного анализа откликов приемника на принимаемые сигналы от разных передатчиков.

Сигнал передатчика 1.i, отраженный от цели 3.n и принятый в приемнике 2, без учета доплеровского смещения частоты будет иметь вид

где A_i,n,2 - амплитуда полезного сигнала, τ_i,n,2 - задержка полезного сигнала, определяемая взаимным расположением передатчика, приемника и цели

где:

расстояние «передатчик 1.i - цель 3.n;

- расстояние «цель 3.n - приемник 2»;

с - скорость света.

Аналогично записываются сигналы передатчика 1.i, отраженные от других целей, находящихся в зоне действия МПРЛС. С учетом всех передатчиков суммарный сигнал на входах каналов первичной обработки приемника будет иметь вид (Фиг. 2б)

где n(t) - внутренний тепловой шум приемника.

В данном примере (не нарушает общности) несущие частоты сигналов равны 1200 МГц, тактовые частоты ПСП равны 300 МГц.

Уровень собственных тепловых шумов приемника находится значительно выше уровня суммарного полезного сигнала, отраженного от целей, более, чем в 200 раз (не нарушает общности).

При приеме слабых рассеянных целью сигналов осуществляется компенсация мощных сигналов прямого распространения. Для этого при приеме смеси мощных прямых сигналов и слабых сигналов, рассеянных целями, осуществляется процедура обнаружения мощных прямых сигналов, формируются точные копии этих сигналов, которые вычитаются из входных смесей [4].

В приемнике в i-ом канале первичной обработки вычисляется огибающая корреляционной функции принятого суммарного сигнала и опорного сигнала, представляющего собой задержанную на τ копию сигнала передатчика 1.i

где - синфазная составляющая, - квадратурная составляющая корреляционной функции, T_н - время накопления сигнала в корреляторе, равное длительности ПСП (в приведенном примере T_н=2 мс, не нарушает общности).

Огибающая корреляционной функции будет иметь N характерных максимумов, соответствующих N целям 3.n (Фиг. 3 иллюстрирует наличие двух целей в зоне действия МПРЛС).

Задержка опорного сигнала, обеспечивающая формирование этих максимумов огибающей корреляционной функции соответствует величинам τ_i,n,2 (при условии синхронизации шкал времени приемника и передатчика), однако величина самих максимумов вследствие малого значения отношения сигнал/шум в принятом сигнале не будет превышать установленного порогового значения Н. Следовательно, использование известного позиционного метода определения координат будет невозможно. Кроме того, соответствующие по порядку появления максимумы в разных каналах первичной обработки приемника могут принадлежать разным целям.

Для повышения отношения сигнал/шум и определения координат всех целей применяется пространственно-некогерентное накопление (суммирование отсчетов) огибающих корреляционных функций на выходах каналов первичной обработки в ходе виртуального обзора пространства с проверкой гипотез о местонахождении цели в заданных точках пространства в пределах зоны действия МПРЛС.

Для этого в пределах зоны действия МПРЛС с шагом, соответствующим разрешающей способности по задержке, последовательно задается точка гипотетического местоположения цели 3.г с координатами х_3г, y_3г, z_3г. Для проверки гипотезы о нахождении цели в этой точке в каждом i-ом канале приемника рассчитывается гипотетическая задержка

для которой при правильности этой гипотезы должен быть сформирован максимум огибающей корреляционной функции в соответствующем канале.

Значение суммарной огибающей корреляционной функции для проверяемой гипотезы (точки) получается суммированием отсчетов огибающих корреляционных функций X_i(τ) всех I каналов приемника, задержка которых соответствует гипотетическим задержкам τ_i,г,2, рассчитанным для этих каналов в рамках проверяемой гипотезы

В ходе виртуального обзора пространства и проверки всех гипотез о нахождении воздушной цели 3.n в заданных точках пространства в пределах зоны действия МПРЛС получают трехмерную зависимость X_∑(x_з,г, у_з,г, z_з,г) значений суммарной огибающей корреляционной функции от координат проверяемой точки (x_з,г, у_з,г, z_з,г).

Для примера рассмотрим результаты наблюдения двух целей в МПРЛС, состоящей из шести передатчиков, размещенных в узлах шестиугольника со стороной 30 км, и одного приемника, размещенного в центре этого шестиугольника (Фиг. 4).

В проверяемых точках, в которых действительно находится цель, значение суммарной огибающей корреляционной функции получается суммированием отсчетов, соответствующих максимумам огибающих корреляционной функции в каждом отдельном канале приемника. При этом значение суммарной огибающей корреляционной функции в этих точках увеличивается по отношению к значению максимумов огибающих корреляционной функции в каждом канале приемника примерно в I раз и превышает величину установленного порога Н.

Таким образом, критерием правильности проверяемой гипотезы о нахождении воздушной цели 3.n в заданной точке пространства является превышение значением суммарной огибающей корреляционной функции в этой точке установленного порога Н, а координаты соответствующей проверяемой точки являются оценками координат наблюдаемой цели 3.n

Количество точек, в которых значение суммарной огибающей корреляционной функции превысит установленный порог Н, соответствует количеству наблюдаемых целей N.

Источники.

1. Журавлев А.В., Кирюшкин В.В., Коровин А.В., Савин Д.И. Синтез многопозиционных радиолокационных систем на базе специализированных излучателей // Радиотехника, 2018, №7, 109-118.

2. Черняк B.C. Многопозиционная радиолокация. - М: Радио и связь, 1993. 416 с.

3. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь, 1985. - 384 с.

4. Патент 2591052. МПК G01S 5/06, G01S 13/95. Способ обнаружения и оценки радионавигационных параметров сигнала космической системы навигации, рассеянного воздушной целью, и устройство его реализации / В.В. Кирюшкин (РФ), Д.А. Черепанов (РФ), А.А. Дисенов (РФ), В.В. Неровный (РФ), А.В. Коровин (РФ), С.С. Ткаченко (РФ); Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации, Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации. - №2014101847; Заявлено 21.01.2014; Опубл. 27.07.2015 Бюл. №21. 9 с.: 1 ил.

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для определения координат воздушных целей в многопозиционной радиолокационной системе (МПРЛС) в условиях малого отношения сигнал/шум, что и является достигаемым техническим результатом. Технический результат достигается тем, что передатчики с известными координатами x_1,i, у_1,i, z_1,i, i=1, 2, …, I излучают ортогональные относительно друг друга фазокодоманипулированные сигналы, которые рассеиваются воздушными целями с искомыми координатами x_3n, y_3n, z_3n, n=1, 2, …, N; в наземном приемнике с известными координатами x₂, y₂ z₂, синхронизированном с передатчиками, вычисляются огибающие корреляционных функций X_i(τ) принятых сигналов, излученных передатчиками и отраженных воздушными целями, и опорных сигналов, представляющих собой задержанные копии сигналов передатчиков; формулируется гипотеза о том, что цель находится в точке с координатами х_3r, у_3r, z_3r и в рамках нее рассчитываются соответствующие гипотетические задержки для каждой огибающей корреляционной функции, для проверяемой точки формируется значение суммарной огибающей корреляционной функции, получаемое суммированием отсчетов всех огибающих корреляционных функций X_i(τ), задержка которых соответствует гипотетическим задержкам τ_i,r,2, рассчитанным для них в рамках проверяемой гипотезы; проводится виртуальный обзор пространства и проверка всех гипотез Х_∑(х_3,r, у_3,r, z_3,r) о нахождении воздушной цели 3.n в заданных точках пространства значений суммарной огибающей корреляционной функции от координат проверяемой точки (х_3,r, у_3,r, z_3,r), считая критерием правильности проверяемой гипотезы о нахождении воздушной цели 3.n в точке (х_3,r, у_3,r, z_3,r) превышение установленного порога значением суммарной огибающей корреляционной функции. Количество точек, в которых значение суммарной огибающей корреляционной функции превысит установленный порог Н, соответствует количеству наблюдаемых целей N. 4 ил.

Способ определения координат воздушных целей в многопозиционной радиолокационной системе в условиях малого значения отношения сигнал/шум, осуществляющий:

- передатчиками с известными координатами х_1,i, у_1,i, z_1,i, i=1, 2, …, I излучение ортогональных относительно друг друга фазокодоманипулированных навигационных сигналов, которые рассеиваются воздушными целями с искомыми координатами x_3n, y_3n, z_3n, n=1, 2, …, N,

- наземным приемником с известными координатами х₂, у₂, z₂, синхронизированным с передатчиками по сигналам, рассеянным воздушными целями, вычисление огибающих корреляционных функций X_i(τ) принятых сигналов, излученных передатчиками и отраженных воздушными целями, и опорных сигналов, представляющих собой задержанные копии сигналов передатчиков;

- формирование гипотезы о том, что цель находится в точке с координатами х_3r, у_3r, z_3r и в рамках нее рассчитываются соответствующие гипотетические задержки для каждой огибающей корреляционной функции

где с - скорость света;

- формирование суммарной огибающей корреляционной функции

для проверяемой точки, получаемой суммированием отсчетов огибающих корреляционных функций X_i(τ) всех I каналов приемника, задержка которых соответствует гипотетическим задержкам τ_i,r,2, рассчитанным для этих каналов в рамках проверяемой гипотезы,

- проведение виртуального обзора пространства и проверки всех гипотез X_∑(x_3,r, у_3,r, z_3,r) о нахождении воздушной цели 3.n в заданных точках пространства значений суммарной огибающей корреляционной функции от координат проверяемой точки (x_3,r, у_3,r, z_3,r), считая критерием правильности проверяемой гипотезы о нахождении воздушной цели 3.n в точке (x_3,r, у_3,r, z_3,r) превышение установленного порога значением суммарной огибающей корреляционной функции