Способ определения координат воздушной цели в многопозиционной наземной системе наблюдения Радиопередатчики-воздушная цель-приемник Российский патент 2020 года по МПК G01S5/02 G01C21/04 

Изобретение относится к области радиотехники, навигации и может быть использовано для расчета трехмерных координат воздушной цели дальномерным методом при расположении радиопередатчиков навигационных сигналов и приемника с известными координатами на равнинной местности.

Известен способ нахождения трехмерных координат целей [1], который может быть реализован в многопозиционных радиолокационных станциях и системах для формирования вектора состояния целей, дающий наибольшую точность при многократном повторении, последовательно приближаясь к истинному положению цели. Недостатком указанного способа является большой объем вычислений, связанный с многократным использованием последовательных приближений к истинному положению цели, что может привести к возникновению погрешностей в оценке координат.

Известен способ определения координат источника радиоизлучения в трехмерном пространстве [2]. Основой способа является измерение расстояний от источника радиоизлучения до не менее, чем 4 станций с известными координатами, размещаемых в разных точках трехмерного пространства. Данный способ не позволяет определить координаты источника (с учетом высоты) при расположении станций с известными координатами на равнинной поверхности.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ [3]. Согласно этому способу определение местоположения воздушной цели осуществляется с помощью N наземных моностатических радиолокационных станций с известными координатами x_n, y_n, z_n, n=1, 2, … ,N, которые излучают навигационные сигналы и принимают сигналы, отраженные от воздушной цели, измеряют расстояния R_n, n=1, 2, …, N до воздушной цели. С использованием измеренных расстояний формируется система нелинейных уравнений, позволяющая определить координаты воздушной цели.

Недостатками этого способа являются потребности в:

- наличии центра сбора измеряемых расстояний и расчета координат,

- организации дополнительных каналов связи между станциями с известными координатами и центром сбора измеряемых расстояний.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков и изыскание последовательности операций, обеспечивающих определение координат воздушной цели по результатам измерений расстояний.

Технический результат достигается применением многопозиционной наземной системы наблюдения Радиопередатчики-воздушная цель-приемник, содержащей N радиопередатчиков навигационных сигналов при N≥4, воздушную цель и приемник, синхронизированный с радиопередатчиками, принимающий отраженные от воздушной цели сигналы, оценивающий расстояния Радиопередатчики-воздушная цель-приемник и определяющий координаты воздушной цели х, у и расстояния r₀ между целью и приемником

где

R_n - расстояние вдоль пути распространения n-й радиопередатчик - воздушная цель - приемник; x_n, y_n, n=1, 2, …, N - координаты радиопередатчиков

при количестве радиопередатчиков N=4 координаты х, у и расстояние r₀ определяются в виде

где А^-1 - обратная матрица.

при количестве радиопередатчиков N>4 координаты х, у и расстояние r₀ определяются в виде

где - псевдообратная матрица, - индекс транспонирования.

Координата z воздушной цели определяется в виде

На Фиг. 1 приведена функциональная схема многопозиционной наземной системы наблюдения. Она содержит расположенные на равнинной местности N радиопередатчиков 1₁, 1₂, …, 1_N, приемник 2, синхронизированный с радиопередатчиками 1₁, 1₂, …, 1_N, и воздушную цель 3 с искомыми координатами х, у, z.

Способ определения координат воздушной цели 3 состоит в следующем.

Радиопередатчики 1₁, 1₂, …, 1_N, излучают радионавигационные сигналы, приемник 2, синхронизированный с радиопередатчиками 1₁, 1₂, …, 1_N, принимает сигналы, отраженные от воздушной цели 3, определяет расстояния вдоль траектории Радиопередатчики-воздушная цель-приемник и рассчитывает координаты воздушной цели 3. Координаты воздушной цели 3 определяются из системы уравнений, связывающих расстояния R₁, R₂, …, R_N Радиопередатчики-воздушная цель-приемник с искомыми координатами х, у и z воздушной цели 3, известными координатами x_n, y_n, 0, n=1, 2, …, N радиопередатчиков 1₁, 1₂, …, 1 и координатами х₀, y₀, 0 приемника 2

где - расстояние Воздушная цель-приемник.

После избавления от квадратных корней эта система принимает вид

Эта система является нелинейной. Она содержит искомые координаты х, у, z, а также неизвестное расстояние r₀ в степени два. Проводится линеаризация этой системы. Вычитая из каждого i-го уравнения уравнение с номером i+1 (i=1, …, N-1) и приводя подобные члены, получается система из N-1 линейных уравнений относительно координат х, у и расстояния r₀

Матричная форма этих уравнений имеет вид

где

При количестве передатчиков N=4 матрица А имеет размер 3×3, а координаты воздушной цели 3 х, у и расстояние r₀ определяются в виде

где А^-1 - обратная матрица.

При количестве передатчиков N>4 матрица А - прямоугольная размером (N-1)×3. В этом случае координаты воздушной цели 3 х, у и расстояние r₀ определяются в виде

где - псевдообратная матрица, - индекс транспонирования.

Координата z воздушной цели 3 определяется из равенства

Откуда

Таким образом, предложенный способ позволяет определить пространственные координаты воздушной цели в многопозиционной наземной системе наблюдения Радиопередатчики-воздушная цель-приемник путем прямого решения системы уравнений, связывающей искомые координаты с расстояниями вдоль путей распространения Радиопередатчики-воздушная цель - приемник.

При этом измерения всех расстояний Радиопередатчики-воздушная цель-приемник и расчет координат цели осуществляются в одном приемнике, что не требует организации дополнительных каналов связи и дополнительного центра сбора и обработки измерительной информации.

В подтверждении работоспособности способа ниже приведен пример расчета неизвестных координат воздушной цели 3 с применением предлагаемого способа.

Исходные данные для расчета:

Координаты воздушной цели:

х=3000 м, у=3500 м, z=450 м.

Координаты приемника:

х₀=3000 м, у₀=3500 м.

Координаты передатчиков:

x₁=1000 м, у₁=1000 м;

х₂=2000 м, у₂=1500 м;

х₃=1000 м, у₃=2500 м;

x₄=2000 м, у₄=3000 м;

х₅=2300 м, у₅=3200 м;

x₆=1300 м, у₆=2700 м.

Измеренные расстояния:

R₁=3683 м;

R₂=2730,9 м;

R₃=2730,9 м;

R₄=1655,2 м;

R₅=l334,6 м;

R₆=2382 м.

Результаты расчета

Расчет матрицы А

Расчет вектора В

Расчет матрицы [А^ТА]^-1А^Т

Рассчитанные координаты воздушной цели х=3000 м, у=3500 м.

Рассчитанное расстояние r₀=450 м.

Рассчитанная координата воздушной цели z=450 м.

Таким образом, рассчитанные координаты воздушной цели 3 совпадают с ее исходными координатами.

Источники информации.

1. А.В. Бычков А.В., Пелипенко И.И. Алгоритм нахождения трехмерных координат целей в многопозиционной радиолокации без пеленгации. Вестник СибГУТИ. 2015. №2. С. 93-98.

2. Патент 2643360 РФ, МПК G01S 5/12. Способ определения координат источника радиоизлучения в трехмерном пространстве / Ю.Н. Гайчук и др. (РФ); Гайчук Юрий Николаевич (РФ). - №2017110185; Заявлено 27.03.2017; Опубл. 01.02.2018, Бюл. 4. - 17 с.: 8 ил.

3. Патент 2686847. Российская Федерация, Способ расчета трехмерных координат летательного аппарата дальномерным методом при расположении станций с известными координатами на равнинной местности/ Маркин В.Г., Шуваев В.А. Красов Е.М., опубл. 0.6.05.2019. Бюл. №13.

Изобретение относится к области радиотехники, навигации и может быть использовано для расчета трехмерных координат воздушной цели дальномерным методом при расположении радиопередатчиков навигационных сигналов и приемника с известными координатами на равнинной местности. Техническим результатом изобретения является обеспечение определения координат воздушной цели по результатам измерений расстояний. В способе применяют многопозиционную наземную систему наблюдений радиопередатчики-воздушная цель-приемник, содержащую N радиопередатчиков навигационных сигналов при N≥4, воздушную цель и приемник, синхронизированный с радиопередатчиками, принимающий отраженные от воздушной цели сигналы, оценивающий расстояния Радиопередатчики-воздушная цель-приемник и определяющий координаты воздушной цели х, у и расстояния r₀ между целью и приемником. Измерения всех расстояний радиопередатчики-воздушная цель-приемник и расчет координат цели осуществляются в одном приемнике, что не требует организации дополнительных каналов связи и дополнительного центра сбора и обработки измерительной информации. 1 ил.

Способ определения координат воздушной цели в многопозиционной наземной системе наблюдения Радиопередатчики-воздушная цель-приемник, содержащей N радиопередатчиков навигационных сигналов при N≥4, воздушную цель и приемник, синхронизированный с радиопередатчиками, принимающий отраженные от воздушной цели сигналы, оценивающий расстояния Радиопередатчики-воздушная цель-приемник и определяющий координаты воздушной цели х, у и расстояния r₀ между целью и приемником

где

R_n - расстояние вдоль пути распространения n-й радиопередатчик-воздушная цель-приемник; x_n, y_n, n=1, 2, …, N - координаты радиопередатчиков,

при количестве радиопередатчиков N=4 координаты х, у и расстояние r₀ определяются в виде

где А^-1 - обратная матрица,

при количестве радиопередатчиков N>4 координаты х, у и расстояние r₀ определяются в виде

где - псевдообратная матрица, - индекс транспонирования,

при этом координата z воздушной цели определяется в виде