Способ повышения точности определения угла пеленга цели при сохранении взаимозаменяемости антенны в составе системы Российский патент 2020 года по МПК G01S3/14 

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в системах суммарно-разностной моноимпульсной радиолокации.

Из уровня техники известны радиолокационные системы, содержащие антенну с функцией углового дискриминатора, приемное устройство с функцией определения уровня «суммарного» и «разностного» сигналов, приходящих от антенны - углового дискриминатора, и цифровое вычислительное устройство, выполняющее вычисления по определению угловой координаты цели при помощи математической функции, использующей в качестве входных параметров значения уровней «суммарного» и «разностного» сигналов, определенных приемным устройством.

Погрешность определения угла пеленга цели такой системой зависит от погрешности определения приемным устройством уровней «суммарного» и «разностного» каналов, а также от погрешности представления реальных значений угла пеленга цели математической функцией, значение которой вычисляется цифровым вычислительным устройством. Вид математической функции и значения ее коэффициентов (например, степенной полином и его коэффициенты) определяются конструкцией антенны и не изменяются при смене (в порядке взаимозаменяемости) экземпляров антенны с одинаковой конструкцией. В то же время, в общем случае, значения коэффициентов полинома в используемой математической функции не будут оптимальными по критерию обеспечения наименьшей среднеквадратической ошибки определения угла пеленга цели для данного экземпляра антенны, т.к. они никак не зависят от погрешностей изготовления данного экземпляра антенны и не учитывают их. Кроме этого, нормируемая погрешность определения угла пеленга цели (технический параметр системы) с учетом взаимозаменяемости антенны в составе системы ограничивается снизу величиной (т.е. не может быть менее этой величины), определяемой по ансамблю значений погрешностей всех экземпляров антенн или рассчитанной исходя из возможных максимальных значений погрешностей в этом ансамбле.

Из уровня техники известны различные способы повышения точности определения угла пеленга цели (угла пеленга) в системах суммарно-разностной моноимпульсной радиолокации.

Одним из способов является уменьшение систематических ошибок, возникающих вследствие отклонения направления главного луча антенной системы от направления максимумов диаграмм направленности (ДН) излучающих элементов системы, а также из-за изменения частоты передаваемых (принимаемых) сигналов и квантования требуемых значений фазового распределения сигналов, подаваемых на излучающие элементы системы или принимаемых от них (О.Г. Вендик, М.Д. Парнес, п/р Л.Д. Бахраха, 2001. Антенны с электрическим сканированием. Введение в теорию. Глава 5). Способ предполагает введение корректирующих коэффициентов, определяемых аналитическим путем, а также уменьшение значения дискрета квантования фазы в фазовращателях антенной системы. Недостатком данного способа является невозможность учета ошибок, присущих конкретному экземпляру системы, связанных с отклонениями параметров узлов системы от номинальных значений вследствие производственных допусков на параметры и других причин конструктивного и производственного характера.

Известен способ, который применяется в системе, выполненной в виде линейной решетки излучающих элементов (US 5905463, 1999 год, Линейная антенная решетка с конической коррекцией). Данный способ нацелен на уменьшение ошибок, связанных с тем, что значение азимутального направления на цель, определяемое системой, изменяется при изменении угла места цели и неизменном азимуте цели, т.е. поверхность пеленга цели представляет собой не плоскость, а конус, ось которого совпадает с направлением раскрыва линейной решетки. Способ предполагает увеличение сложности аппаратуры за счет введения дополнительных узлов и также не учитывает отклонений параметров узлов системы от номинальных значений вследствие производственных допусков на параметры и других причин конструктивного и производственного характера.

В качестве прототипа для заявляемого способа выбран способ цифровой обработки сигналов при обзорной моноимпульсной амплитудной суммарно-разностной пеленгации с использованием антенной решетки (второй вариант) (патент RU 2583849 С1, МПК: G01S 3/14, H01Q 25/02, опубликован 10.02.2016), заключающийся в расчете и обеспечении определенного значения угла смещения максимумов парциальных диаграмм направленности антенной решетки, при котором пеленгационная характеристика антенной решетки с максимальной точностью описывается кубическим уравнением (т.е. математической функцией в виде степенного полинома третьей степени).

При реализации указанного способа до приема сигналов осуществляют моделирование процесса их приема и обработки, при котором используют весовую функцию Хэмминга w(x)=0.08+0.92cos²(πx/2), -1≤x≤1, обеспечивающую уровень боковых лепестков не выше минус 40 дБ и, с учетом далее определяемого значения угла смещения ϑ₀, ширину рабочей зоны пеленгации не менее двукратной ширины диаграммы направленности парциального канала по уровню половинной мощности, или другую весовую функцию, обеспечивающую не более высокий, чем функция Хэмминга, уровень боковых лепестков и не меньшую ширину рабочей зоны, в процессе моделирования определяют на основе весовой функции и параметров антенной решетки конкретный вид функций F₁(ϑ), F₂(ϑ) и S(ϑ,ϑ₀), параметрически зависящих от угла смещения ϑ₀, разлагают нечетную функцию S(ϑ,ϑ₀), описывающую пеленгационную характеристику, по нечетным степеням угла 9 в ряд Маклорена

коэффициенты b_k(ϑ₀) которого являются функциями угла смещения ϑ₀.

Окончательное значение угла смещения определяют как результат решения задачи ϑ₅(ϑ₀)=0, обеспечивающее соответствие пеленгационной

характеристики кубической функции с отклонением только в седьмом и более высоких порядках членов разложения, далее по полученному значению угла смещения вычисляют значения коэффициентов b₁(ϑ₀) и b₃(ϑ₀), затем использованную при моделировании весовую функцию и определенное в результате моделирования значение угла смещения ϑ₀ используют при формировании диаграмм направленности антенной решетки, приеме и обработке сигнала, получая значение S_CP, после чего вычисляют значение угла ϑ прихода сигнала источника радиоизлучения, совпадающее с пеленгом ϑ_C, как минимальное по абсолютной величине действительное решение кубического уравнения b₁(ϑ₀)ϑ+b₃(ϑ₀)ϑ³=S_CP, полученное по формулам Кардано.

Недостатком данного способа является то, что коэффициенты b_k(ϑ₀) определяются до приема сигналов как результат моделирования их приема и обработки, при этом в моделировании участвуют функции F₁(ϑ), F₂(ϑ) и S(ϑ,ϑ₀), определяемые на основе весовой функции и параметров антенной решетки, но не учитывающие отклонения параметров антенной решетки от номинальных значений, присущие конкретному экземпляру антенной решетки и характеризующие ее индивидуальность.

Техническая проблема, возникающая при применении вышеуказанного способа, заключается в зависимости пеленгационной характеристики конкретного экземпляра антенной решетки не только от значения ϑ₀ (определяющего значения коэффициентов b_k(ϑ₀) как результатов моделирования), но и от других факторов, которые присущи только конкретному экземпляру антенной решетки и не могут быть учтены при моделировании.

Таким образом, коэффициенты b_k(ϑ₀), определенные по результатам моделирования, никак не характеризуют конкретный экземпляр антенной решетки, и, при их использовании для вычисления угла пеленга цели, в вычисленном результате присутствуют погрешности, источниками которых являются отклонения параметров конкретного экземпляра антенной решетки от значений, использованных при моделировании процесса приема и обработки сигналов от цели. Уменьшение указанных погрешностей при использовании способа, описанного прототипом, возможно лишь путем ужесточения требований к допускам на значения параметров элементов антенной решетки, что влечет за собой неизбежное усложнение антенны и удорожание процесса ее производства.

Другая техническая проблема, возникающая при применении способа прототипа, заключается в необходимости обеспечения требуемого значения угла смещения ϑ₀ для каждой частоты в случае использования двухчастотных или многочастотных антенных решеток, что также неизбежно влечет за собой усложнение антенны и удорожание ее производства.

Технический результат, на который направлено заявляемое изобретение, заключается в уменьшении ошибки при определении угла пеленга, связанной с отличием параметров конкретного экземпляра антенны от номинальных значений.

Кроме этого неожиданным техническим результатом является упрощение и удешевление производства антенны вследствие возможности расширения полей допусков на значения параметров антенны и ее узлов, а также обеспечение взаимозаменяемости антенны из состава системы при сохранении требуемых характеристик точности определения угла пеленга цели.

Технические результаты для заявляемого способа достигаются тем, что угол пеленга цели на этапе эксплуатации системы моноимпульсной радиолокации определяется как значение степенного полинома, в виде которого представляется пеленгационная характеристика антенны системы моноимпульсной радиолокации. Аргументом степенного полинома при определении пеленга цели, как и для прототипа, является отношение сигналов от цели на «суммарном» и «разностном» выходах антенны. Коэффициенты степенного полинома, определяемые для прототипа по результатам моделирования приема сигналов и не зависящие от конкретного экземпляра антенны, для заявляемого способа определяются в процессе производства конкретной антенны на основании результатов измерений ее параметров после изготовления, сохраняются в антенне, и используются при расчете угла пеленга цели цифровым вычислительным устройством системы моноимпульсной радиолокации при эксплуатации системы.

После изготовления антенны с помощью измерительного оборудования измеряют пеленгационную характеристику антенны в виде совокупности пар значений «отношение сигналов на «суммарном» и «разностном» выходах антенны - угол отклонения направления на источник сигнала от равносигнального направления антенны». Измерения проводят во всем диапазоне углов отклонения направления антенны на источник сигнала, и при всех требуемых значениях внешних параметров и факторов, влияющих на пеленгационную характеристику антенны (частота принимаемых сигналов, расположение источника сигнала слева/справа, сверху/снизу от равносигнального направления антенны, напряжение питания, температура окружающей среды, влажность и т.д.).

По полученным результатам измерений определяют наборы коэффициентов степенного полинома по заданному критерию (например, по минимальной среднеквадратичной ошибке представления угла отклонения направления на источник сигнала значением степенного полинома). Определение наборов коэффициентов степенного полинома проводят методом полиномиальной регрессии для степенного полинома, степень которого совпадает со степенью полинома, используемого для определения угла пеленга цели при эксплуатации системы, а входными данными для метода полиномиальной регрессии являются массивы пар значений «отношение уровней сигналов - угол отклонения направления на источник сигнала». Наборы коэффициентов степенного полинома определяют для всех значений внешних параметров и факторов, влияющих на пеленгационную характеристику антенны. Наборы коэффициентов сохраняют в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) того экземпляра антенны, для которого эти наборы определены.

Таким образом, перед началом эксплуатации системы моноимпульсной радиолокации, в ПЗУ ее антенны имеются наборы коэффициентов степенного полинома, представляющие пеленгационную характеристику именно этого экземпляра антенны, в том числе в условиях воздействия внешних параметров и факторов, влияющих на пеленгационную характеристику. Указанные наборы коэффициентов наилучшим образом представляют пеленгационную характеристику этого экземпляра антенны, в том числе с учетом воздействия внешних параметров и факторов, т.к. получены по результатам измерений пеленгационной характеристики именно этого экземпляра антенны, и в условиях воздействия именно тех значений внешних параметров и факторов, при которых проводились измерения.

На этапе эксплуатации системы моноимпульсной радиолокации при пеленгации цели цифровое вычислительное устройство системы после определения текущих значений внешних параметров и факторов, влияющих на пеленгационную характеристику антенны, считывает из ПЗУ антенны соответствующий набор коэффициентов степенного полинома. В процессе пеленгации цели система моноимпульсной радиолокации измеряет выходные сигналы от цели на «суммарном» и «разностном» выходах своей антенны. С помощью своего цифрового вычислительного устройства система определяет угол пеленга цели путем вычисления значения степенного полинома. Коэффициентами полинома является считанный из ПЗУ антенны набор коэффициентов, а входным параметром полинома является значение отношения измеренных уровней сигналов на «суммарном» и «разностном» выходах антенны системы.

Пеленгационная характеристика конкретной антенны определяется конкретными значениями ее конструктивных параметров, имеющими фактические отклонения от номинальных значений, поэтому использованные для определения коэффициентов полинома результаты измерений пеленгационной характеристики отражают, в том числе, и вклад в пеленгационную характеристику фактических отклонений конструктивных параметров от номинальных значений. Таким образом, определение коэффициентов полинома по результатам измерений пеленгационной характеристики конкретного экземпляра антенны позволяет учесть фактические отклонения от номинальных значений конструктивных параметров именно этого экземпляра антенны, т.е. позволяет минимизировать влияние на определяемый угол пеленга цели погрешностей, возникающих вследствие фактических отклонений конструктивных параметров антенны от номинальных значений.

Определение коэффициентов полинома по результатам измерений пеленгационной характеристики в условиях воздействия определенных значений внешних параметров и факторов наилучшим образом отражает пеленгационную характеристику для этой (или близкой по значениям) совокупности значений внешних параметров и факторов, т.е. позволяет минимизировать влияние внешних параметров и факторов на погрешность определения угла пеленга цели.

Кроме этого, для прототипа погрешность определения угла пеленга определяется средним квадратом суммы погрешностей параметров антенны, влияющих на пеленгационную характеристику. Вследствие этого каждый отдельный параметр, влияющий на пеленгационную характеристику, должен иметь достаточно малую погрешность с тем, чтобы сумма квадратов погрешностей всех параметров удовлетворяла требуемой точности определения угла пеленга, т.е. требования к погрешности каждого отдельного параметра ужесточаются. Для заявляемого способа требование к погрешностям каждого параметра, влияющего на пеленгационную характеристику, может быть существенно ослаблено, т.к. определенные в соответствии с заявляемым способом значения коэффициентов полинома уже учитывают влияние этих погрешностей, и минимизируют таким образом влияние погрешностей. В свою очередь, ослабление требований к погрешностям изготовления антенны и ее составных частей позволяет удешевить производство антенны.

Т.к. коэффициенты степенного полинома, представляющие пеленгационную характеристику экземпляра антенны, сохраняются в ПЗУ именно этого экземпляра антенны, для другой антенны из ее ПЗУ будут считываться коэффициенты степенного полинома, представляющие пеленгационную характеристику другой антенны. Таким образом обеспечивается взаимозаменяемость антенн, фактические пеленгационные характеристики которых различаются. Точность представления угла пеленга обеспечивается соответствующими коэффициентами степенного полинома, обеспечивающими минимизацию влияния отклонения конструктивных параметров каждого экземпляра антенны от номинальных значений, и минимизацию влияния внешних параметров и факторов на этот экземпляр антенны.

Осуществление изобретения включает в себя технический расчет антенны, ее проектирование и изготовление (сборочно-монтажные и регулировочные операции), которое осуществляется в соответствии с требованиями конструкторской документации. Технический расчет, проектирование и изготовление антенны осуществляются известными способами и методами.

После завершения сборочно-монтажных, регулировочных и других операций, влияющих на пеленгационную характеристику антенны, осуществляют действия, составляющие сущность изобретения, а именно:

Определяют и фиксируют зависимость отношения уровней сигналов на «суммарном» и «разностном» выходах антенны от угла отклонения (угла между направлением на источник сигнала и заранее определенным, связанным с антенной, например, с направлением привалочной плоскости антенны) в виде совокупностей пар значений «отношение уровней сигналов на «суммарном» и «разностном» выходах антенны - угол отклонения». Уровни сигналов и угол отклонения измеряют с помощью оборудования, позволяющего проводить измерения с требуемой точностью. Угол отклонения при измерениях изменяют во всем рабочем диапазоне углов отклонения. Зависимости отношения сигналов на «суммарном» и «разностном» выходах антенны от угла отклонения определяют для всех требуемых значений изменяющихся внешних параметров и факторов, влияющих на пеленгационную характеристику, то есть для всех фактических условий, при которых эксплуатируется антенна.

По результатам измерений для каждого набора изменяющихся внешних параметров и факторов определяют совокупности коэффициентов степенных полиномов, при этом степень полинома определяется требуемой точностью определения угла отклонения и совпадает со степенью полинома, используемого для определения угла пеленга цели при эксплуатации системы. Совокупности коэффициентов степенных полиномов определяют методом полиномиальной регрессии по определенному критерию (например, по наименьшей среднеквадратической ошибке значения полинома относительно фактического значения угла отклонения в требуемом диапазоне углов отклонения). Входными параметрами для метода полиномиальной регрессии служат совокупности пар «значение угла отклонения - значение отношения сигналов» для определенного набора изменяющихся внешних параметров и факторов и степень полинома, выходными значениями метода полиномиальной регрессии является совокупность коэффициентов степенного полинома для этого набора изменяющихся внешних параметров и факторов. Совокупности коэффициентов степенного полинома методом полиномиальной регрессии определяют, например, с помощью пакета программ Mathcad (см. книгу Кирьянов Д.В. Самоучитель Mathcad 11. - СПб.: БХВ-Петербург, 2003, стр. 391).

Указанным способом определяют все совокупности коэффициентов степенного полинома для всех наборов изменяющихся параметров и факторов.

Вычисленные совокупности коэффициентов степенного полинома сохраняют в ПЗУ антенны.

На этапе эксплуатации системы моноимпульсной радиолокации при пеленгации цели цифровое вычислительное устройство системы считывает определенный набор коэффициентов степенного полинома из совокупности наборов коэффициентов, сохраняемых в ПЗУ антенны. Выбор считываемого набора из совокупности наборов определяется текущими значениями внешних параметров и факторов (частотой принимаемых сигналов, расположением источника сигналов слева/справа, снизу/сверху от равносигнального направления антенны, текущей температурой окружающей среды и т.д.).

В процессе пеленгации цели система моноимпульсной радиолокации измеряет сигналы от цели на «суммарном» и «разностном» выходах антенны. Цифровое вычислительное устройство системы определяет отношение указанных сигналов и вычисляет значение степенного полинома, используя вычисленное значение в качестве угла пеленга цели. При вычислении значения степенного полинома в качестве аргумента степенного полинома используется отношение уровней сигналов от цели, а в качестве коэффициентов степенного полинома используется считанный из ПЗУ антенны набор коэффициентов, соответствующий текущим значениям внешних параметров и факторов, влияющих на пеленгационную характеристику антенны.

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в системах суммарно-разностной моноимпульсной радиолокации. Технический результат, на который направлено заявляемое изобретение, заключается в уменьшении ошибки при определении угла пеленга при упрощении и удешевлении производства антенны вследствие возможности расширения полей допусков на значения параметров антенны и ее узлов, а также в обеспечении взаимозаменяемости антенны из состава системы моноимпульсной радиолокации при сохранении требуемых характеристик точности определения угла пеленга цели. В способе повышения точности определения угла пеленга цели при сохранении взаимозаменяемости антенны в составе системы моноимпульсной радиолокации угол пеленга цели на этапе эксплуатации системы моноимпульсной радиолокации определяется как значение степенного полинома, в виде которого представляется пеленгационная характеристика антенны системы моноимпульсной радиолокации. Аргументом степенного полинома при определении пеленга цели является отношение сигналов от цели на «суммарном» и «разностном» выходах антенны. Коэффициенты степенного полинома определяются в процессе производства конкретной антенны на основании результатов измерений ее параметров после изготовления, сохраняются в антенне, считываются из антенны и используются при расчете угла пеленга цели цифровым вычислительным устройством системы моноимпульсной радиолокации при эксплуатации системы.

Способ повышения точности определения угла пеленга цели при сохранении взаимозаменяемости антенны в составе системы моноимпульсной радиолокации, включающий определение угла пеленга цели путем вычисления цифровым вычислительным устройством системы моноимпульсной радиолокации значения степенного полинома с известными коэффициентами, аргументом которого является отношение сигналов от цели на «суммарном» и «разностном» выходах антенны, отличающийся тем, что при изготовлении антенны после завершения операций изготовления и контроля ее параметров определяют значения коэффициентов степенного полинома, при этом с помощью измерительного оборудования определяют и фиксируют зависимость отношения сигналов на «суммарном» и «разностном» выходах антенны от угла отклонения, значения которого изменяют во всем диапазоне углов отклонения и для всех требуемых значений изменяющихся параметров, влияние которых на определяемый угол пеленга требуется минимизировать, по совокупности пар значений «значение угла отклонения - значение отношения сигналов» определяют совокупности коэффициентов степенного полинома для каждого набора изменяющихся параметров, позволяющие наилучшим образом по заданному критерию представлять значения угла отклонения вычисленными значениями степенного полинома, после чего определенные значения коэффициентов степенного полинома сохраняют в постоянном запоминающем устройстве антенны с целью их считывания и использования в процессе определения угла пеленга цели цифровым вычислительным устройством системы моноимпульсной радиолокации, при этом определение угла пеленга цели путем вычисления значения степенного полинома в процессе эксплуатации системы выполняют с использованием указанных коэффициентов.