ВРЕМЕННОЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ КООРДИНАТ СКАНИРУЮЩЕГО ИСТОЧНИКА РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2021 года по МПК G01S11/04 G01S3/46 G01S5/04 

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в многопозиционных радиолокационных системах радиоконтроля при решении задачи скрытного обнаружения, определения пространственных координат сканирующего источника радиоизлучения (ИРИ). Достигаемый технический результат изобретения - возможность определения пространственных координат сканирующего ИРИ без измерения пеленга. Указанный результат достигается за счет измерения периода сканирования Т_с ИРИ, временных интервалов последовательного облучения пяти приемных пунктов (ПП), входящих в состав двух подсистем, каждая из которых состоит из трех ПП (один общий). Условием ограничения по размещению ПП на местности является обязательное нахождение ПП каждой из подсистем на одной прямой, при этом прямые должны пересекаться в точке нахождения общего ПП (фиг. 3). Измеряются временные интервалы последовательного облучения ПП: τ₁₂ - временной интервал между последовательным облучением 1 ПП и 2 ПП первой подсистемы, τ₂₃ - временной интервал между последовательным облучением 2 ПП и 3 ПП первой подсистемы, τ₃₁ - временной интервал между последовательным облучением 3 ПП и 1 ПП первой подсистемы, τ₁₄ - временной интервал между последовательным облучением 1 ПП и 4 ПП второй подсистемы, τ₄₅ - временной интервал между последовательным облучением 4 ПП и 5 ПП второй подсистемы, τ₅₁ - временной интервал между последовательным облучением 5 ПП и 1 ПП второй подсистемы.

В каждой подсистеме отдельно осуществляется определение наклонной дальности до сканирующего источника временным способом [11] без измерения пеленга. По рассчитанным наклонным дальностям в обеих подсистемах далее определяется высота сканирующего ИРИ.

Известно изобретение, позволяющее определять местоположение работающей радиолокационной станции (РЛС), имеющей сканирующую направленную антенну [1]. Указанный результат достигается за счет определения местоположения сканирующей РЛС пассивным многолучевым, по меньшей мере трехлучевым, пеленгатором, при котором измеряют период вращения антенны РЛС, определяют угол поворота антенны РЛС относительно направления на пеленгатор, при этом в каждом цикле зондирования при данном угле поворота антенны РЛС измеряют временные задержки сигналов, рассеянных отражающей поверхностью не менее, чем в двух лучах пеленгатора. Затем на основании проведенных измерений рассчитывается расстояние от пеленгатора до цели, а также угол между направлением на РЛС и направлением первого луча пеленгатора вычисляют по соответствующим формулам.

Способ базируется на измерении направления на сканирующий ИРИ, что в свою очередь вносит дополнительные ошибки и является, своего рода, недостатком.

Известно изобретение [2] «Устройство для определения местоположения работающей радиолокационной станции». Предполагается, что приемные устройства пассивного многолучевого (двухлучевого) пеленгатора в месте наблюдения имеют достаточную чувствительность для приема прямых сигналов передатчика по боковому излучению его антенны. Ставя в соответствие измеренным разностям углов и моментам приема сигналов пеленгатором координаты реально существующих на местности отражающих объектов, вычисляется местоположение передатчика.

Способ поясняется фиг. 1, согласно которой в точке Е расположен импульсный передатчик РЛС, в точке О - пеленгатор, в точке А - единственный переотражающий объект. Импульсы, излученные передатчиком, приходят в точку приема О по прямому пути ЕО и по пути ЕАО, отразившись от объекта А. Приемный пункт имеет слабонаправленные антенны и способен принимать как прямые сигналы передатчика РЛС, излученные боковыми лепестками антенны РЛС, так и переотраженные от объектов поверхности сигналы при направлении на них главного лепестка антенны РЛС и измерять углы прихода прямого и переотраженного сигналов и задержку τ между ними. По задержке τ определяется разность длин путей прямого и переотраженного сигнала δ=сτ=ЕА+АО-ЕО, где с - скорость света.

Из последнего соотношения следует, что EA+AO=R+δ, где R - расстояние. Это означает, что точка А лежит на эллипсе, в фокусах которого расположены передающее и приемное устройства, и что сумма расстояний от любой точки эллипса до его фокусов равна R+δ.

Из фиг. 1 также следует, что для любой точки, находящейся на эллипсе, выполняется соотношение:

где α - угол между приемником и отражающим объектом,

x - горизонтальная координата точки эллипса,

y - вертикальная координата точки эллипса.

Подставляя формулу (4) в уравнение эллипса, находим координаты x и y отражающего объекта А:

Дальность до источника радиоизлучения оценивается путем сравнения действительных координат x_ni, y_ni, занесенных в память компьютера, с рассчитанными по формулам (2) и (3), в которые были подставлены измеренные значения угла α, пространственная разность путей распространения сигналов δ и переменная величина R. За оценку дальности принимается такое значение R, при котором разность между рассчитанными и заложенными в память компьютера координатами минимальна. Вследствие неизбежности ошибок измерений полное совпадение рассчитанных координат и координат, занесенных в память компьютера, маловероятно и, как показывает практика, в зоне действия приемного пункта (пеленгатора) обычно имеется несколько отражающих объектов, которые могут быть использованы для определения дальности R, формула для оценки дальности R в этом случае может быть записана в виде:

где x_i(R, α, δ) и y_i(R, α, δ) - координаты i-го отражающего объекта.

В способе для определения дальности до РЛС необходима точная априорная информация о координатах переотражающих объектов, что на море принципиально невозможно, а на суше требует выполнения предварительных трудоемких измерений. Кроме того, в способе прототипа предполагается нахождение РЛС только в пределах лучей многолучевого пеленгатора, обусловленное использованием моноимпульсного метода пеленгации, что уменьшает функциональные возможности способа. Кроме того, необходимость использования сигнала, излученного антенной РЛС по боковым лепесткам, уменьшает дальность действия прототипа. Дальность оценивается вероятностным критерием, что допускает возможность появления грубых ошибок измерений.

Известно изобретение [3] «Адаптивный способ пассивной радиолокации». Способ заключается в измерении с приемных позиций двухпозиционного измерительного комплекса (ДИК) угловых координат и мощности излучения ИРИ, определении временной задержки прихода волнового фронта излучения ИРИ на позиции комплекса. Далее применяют параллельно триангуляционный, угломерно-разностно-дальномерный и угломерно-мощностной методы для определения координат местоположения ИРИ. Для каждого из методов определяют значение дисперсии дальности до ИРИ, затем сравнивают эти значения и выбирают те значения координат местоположения ИРИ, которые соответствуют наименьшему значению дисперсии. При равных значениях дисперсии используют правило нахождения среднего арифметического для значений одноименных координат, получаемых двумя или тремя методами.

Определение плоскостных координат местоположения ИРИ на базе ДИК возможно путем реализации триангуляционного метода (ТМ) или угломерно-разностно-дальномерным методом (УРДМ).

В соответствии с ТМ ([4], с. 494-495; [5]) координаты местоположения ИРИ определяются как точка (без учета ошибок пеленгования) пересечения пеленгов ИРИ, измеренных с разнесенных в пространстве позиций (пеленгаторов) ДИК. Для определения плоскостных координат местоположения ИРИ на основе ТМ достаточно ограничиться измерением только углов азимута на ИРИ с каждой позиции ДИК. Основными недостатками ТМ, ограничивающими его применение, являются низкая точность определения координат местоположения ИРИ при его нахождении в окрестности линии базы и (или) при больших дальностях до ИРИ.

УРДМ ([4], с. 497) основан на измерении угловых координат ИРИ и определении разности расстояний от него до позиций ДИК. Для определения плоскостных координат местоположения ИРИ на основе УРДМ достаточно измерить только один азимут и определить разность расстояний от ИРИ до позиций ДИК. Основным недостатком УРДМ являются ошибки, вызванные неодновременностью измерений, то есть необходимостью синхронизации между приемными пунктами по времени с высокой точностью (порядка наносекунд).

Известен временной способ определения местоопределения сканирующих источников излучения при наблюдении из нескольких приемных пунктов, описанный в [6]. Способ позволяет определять дальность до источника излучения по известному расстоянию между приемными пунктами системы и измеренному пеленгу на ИРИ по формуле (5). Построение и пространственная конфигурация системы поясняется на фиг.2.

где: α - угол между направлениями на ИРИ и ПП2 из точки местоположения ПП1 (фиг. 2); γ₁₂ - угол между направлениями от ИРИ на приемные пункты ПП1 и ПП2, определяемый по формуле (6):

где: ω - угловая скорость сканирования ИРИ, которая вычисляется по измеренному периоду сканирования ИРИ; Δt₁₂ - время задержки, измеряемое при последовательном облучении сканирующим ИРИ приемных пунктов ПП1 и ПП2.

Системой из трех приемных пунктов определение местоположения излучателя возможно без применения пеленгаторных устройств только за счет измерения интервалов времени между последовательным облучением приемных пунктов. В таком случае, направление на ИРИ определяется из тригонометрических соотношений в смежных углах по формуле (7):

Данным способом осуществляется расчет направления на излучатель, при этом необходимо учитывать угол, который характеризует ориентацию приемных пунктов системы относительно друг друга.

В способе расчет дальности до ИРИ базируется на измерении и расчете угловых мер в пространственной структуре многопозиционной радиолокационной системе (МПРЛС) (γ₁₂, γ₂₃, δ). Однако, такой подход будет вносить дополнительные ошибки в расчетах, обусловленные не только ошибками рассчитываемых углов γ₁₂, γ₂₃, но и углом, задаваемым в качестве исходных данных δ, например, за счет кривизны земли.

Помимо классических методов пассивной радиолокации используются альтернативные методы определения координат местоположения ИРИ, основанные на других физических принципах.

В [7] показана возможность определения координат местоположения ИРИ на основе использования измерений лишь энергетических параметров излучения ИРИ. Однако для реализации метода [7] необходимо не менее четырех измерителей, распределенных в пространстве определенным образом.

В патенте [8] представлен способ определения наклонной дальности до движущегося ИРИ на базе однопозиционной измерительной системы. Для реализации указанного способа используются угловые и энергетические измерения. Существенным недостатком способа [8] является необходимость априорного знания скорости движения ИРИ.

Известны также энергетические методы [9-10], реализуя которые удается сформировать раздельные оценки дальности до ИРИ относительно каждой позиции ДИК (эти оценки используются далее для построения результирующей оценки координат местоположения ИРИ). Однако методы [9-10] имеют жесткие ограничения на точность пеленгования и ориентированы, в первую очередь, на узконаправленные и, как следствие, дорогостоящие антенные системы.

Известно изобретение [11] «Временной способ определения дальности до сканирующего источника радиоизлучения без измерения пеленга». Данный способ выбран в качестве прототипа. Способ позволяет определять дальности от приемных пунктов МПРЛС до сканирующего ИРИ и азимутальное направления на сканирующий ИРИ за счет измерения периода сканирования ИРИ, временных задержек последовательного облучения приемных пунктов МПРЛС. Отсутствие угловых измерений на ИРИ и учета пространственной ориентации приемных пунктов системы упрощает аппаратную реализацию устройств приемных пунктов (отсутствие пеленгаторов).

Если в системе [11], состоящей из трех приемных пунктов и ИРИ, последовательно облучающего их (фиг. 2), известны расстояния между приемными пунктами (h₃₁, h₁₂, h₃₂) и углы между направлениями от ИРИ на приемные пункты (γ₃₁, γ₃₂, γ₁₂), которые вычисляются по времени задержки между последовательным облучением приемных пунктов при известной угловой скорости сканирования ИРИ, то местоположение сканирующего ИРИ можно определить как точку пересечения окружностей, описывающих местоположение ИРИ относительно пары приемных пунктов при заданном угле между направлениями от ИРИ на приемные пункты (γ₃₁, γ₃₂, γ₁₂), с радиусами:

При известных координатах приемных пунктов ПП₁(x₁, y₁), ПП₂(x₂, y₂) и ПП₃(x₃, y₃), координаты ИРИ на плоскости ПП1 ПП2 ИРИ определяются следующим образом:

1) Рассчитываются координаты центров окружностей О₁₂(x₁₂, y₁₂), О₃₂(x₃₂, y₃₂) и О₃₁(x₃₁, y₃₁) путем решения системы уравнений:

где X_Оmn, Y_Оmn - искомые координаты центра соответствующей окружности О_mn;

x_ППn, x_ППm, y_ППn, y_ППm- координаты соответствующих приемных пунктов;

R_mn - радиус окружности.

2) Определяются координаты ИРИ решением системы уравнений:

где x, y - искомые координаты ИРИ.

По рассчитанным координатам определяются наклонные дальности от всех ПП до ИРИ.

Вышеприведенный способ [11] не позволяет определить пространственные координаты сканирующего ИРИ. Задача по разработке способа, позволяющего рассчитать пространственные координаты сканирующего ИРИ в МПРЛС с минимально возможным количеством измеряемых параметров, является актуальной.

Для определения пространственных координат сканирующего ИРИ требуется увеличение количества приемных пунктов до пяти. Вариант построения системы представлен на фиг. 3. Представленная система состоит из двух подсистем. Первая включает в себя ПП1, ПП2, ПП3, ИРИ, вторая - соответственно ПП1, ПП4, ПП5, ИРИ. Условием ограничения по размещению ПП на местности является обязательное нахождение всех ПП одной подсистемы на прямой, при этом прямые двух подсистем должны пересекаться в точке нахождения одного из ПП.

Временным способом [11] независимо для каждой подсистемы (фиг. 4, 5) определяются координаты точек ИРИ1(x₄,y₄) для подсистемы ПП1 - ПП2 - ПП3 - ИРИ и ИРИ2(x₃, y₃) - для подсистемы ПП1 - ПП4 - ПП5 - ИРИ, а также рассчитываются наклонные дальности l₁, l₂, l₃, l₄, l₅.

Так как при известных наклонных дальностях в системе из пяти приемных пунктов появляется избыточность, то далее рассматривается система, образованная частями подсистем, указанных выше, и состоящая из ПП1, ПП3, ИРИ от первой подсистемы и ПП1, ПП4, ИРИ от второй подсистемы (фиг. 4). Местоположение ИРИ в пространстве для каждой из подсистем определяется линией положения - полуокружностью. Для первой подсистемы полуокружность формируется вращением треугольника ПП1 ПП3 ИРИ относительно стороны треугольника ПП1 ПП3, для второй - вращением треугольника ПП4 ПП1 ИРИ относительно стороны треугольника ПП4 ПП1. Центры полуокружностей обозначаются как Ц1(x₇, y₇) и Ц2(x₆, y₆) (фиг. 4, 5). Точки ИРИ1(x₄, y₄) и ИРИ2(x₃, y₃) определяют положение ИРИ для каждой подсистемы в отдельности с условием, что высота ИРИ равна нулю. Углы α₁, α₂, α₃, β₁, β₂, β₃ характеризуют азимутальные направления на ИРИ относительно ПП, рассчитанные способом, указанным в [11].

Дальнейшая задача по определению пространственных координат ИРИ сводится к расчету горизонтальной дальности по известным координатам одного из пяти приемных пунктов и рассчитываемым координатам точки ИРИ3(x₈, y₈) (см. фиг. 4, 5).

Определяются координаты точек Ц2(x₆, y₆) и Ц1(x₇, y₇). Из фиг. 5 видно, что x₆=x₃, а y₆=y₁=y₂, так как прямые ИРИ1-Ц1 и ИРИ2-Ц2 перпендикулярны прямым расположения ПП подсистем.

Для определения координат точки Ц1 составляется система уравнений:

Решение данной системы дает координаты x₇, y₇. Найденное значение y₇ может принимать два значения. Для выбора одного из двух решений используются условия: y₇>y₅, x₇<x₅.

Рассчитываются координаты точки ИРИ3(x₈, y₈). Для этого составляется система уравнений:

где , , ; ,, .

Решение системы уравнений (18) дает:

Далее определяются горизонтальные дальности до приемных пунктов. Для примера рассмотрим расчет горизонтальной дальности до ПП4:

По полученному временным способом [11] значению наклонной дальности, а также рассчитанному значению горизонтальной дальности относительно выбранного приемного пункта рассчитывается высота нахождения ИРИ. Для ПП4 высота определяется согласно выражению (22):

Таким образом, предлагаемый способ, в отличие от известных [1-11], позволяет определять пространственные координаты сканирующего ИРИ за счет измерения периода сканирования ИРИ, временных интервалов последовательного облучения приемных пунктов МПРЛС без угловых измерений на ИРИ, что в свою очередь упрощает аппаратную реализации устройства приемных пунктов.

Источники информации

1. Патент РФ на изобретение № 2633962, МПК G01S 5/04 опубликован 20.10.2017 г.

2. Патент РФ на изобретение №2457505, МПК G01S 5/04, опубликован 27.07.2012 г.

3. Патент РФ на изобретение №2593149, МПК G01S 3/46, опубликован 27.07.2016 г.

4. Теоретические основы радиолокации / под ред. Я. Ширмана. М: Сов. радио. 1970. 561 с.

5. Булычев Ю.Г., Головской В.А. Обработка измерений угломерных систем в условиях априорной неопределенности // Радиотехника и электроника. 2010. Т. 55. №1. С. 71-77.

6. Мельников Ю.П., Попов С.В. Радиотехническая разведка. Методы оценки местоопределения источников излучения. - М.: «Радиотехника», 2008. С. 134-139.

7. Сытенький В.Д. Пассивная локация на основе амплитудных измерений // Известия ВУЗов России. Радиоэлектроника. 2011. №1. С. 69-75.

8. Патент РФ №2406098, МПК G01S 3/00, опубликован 10.12.2010 г.

9. Евдокимов Ю.Ф., Медведев В.П. Амплитудная система определения местоположения источников излучения с использованием метода наименьших квадратов и исследование ее точности // Телекоммуникации. 2003. №11. С. 34-37.

10. Уфаев В.А., Афанасьев В.И., Разиньков С.П. Оценка координат источника радиоизлучения на основе измерений амплитуды электромагнитного поля // Радиотехника. 2003. №10. С. 71-73.

11. Патент РФ на изобретение №2704029, МПК G01S 11/00, опубликован 23.10.2019 г.

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в многопозиционных радиолокационных системах радиоконтроля при решении задачи скрытного обнаружения, определения пространственных координат сканирующего источника радиоизлучения (ИРИ). Технический результат - обеспечение возможности определения пространственных координат сканирующего источника радиоизлучения. Временной способ определения пространственных координат сканирующего ИРИ осуществляют с помощью пассивной или активно-пассивной многопозиционной радиолокационной системы (МПРЛС), состоящей из пяти приемных пунктов, разделенных на две идентичные подсистемы. Каждая имеет по три приемных пункта (ПП), расположенных на одной прямой в горизонтальной плоскости, при этом один приемный пункт является общим для обеих подсистем и находится в точке пересечения прямых, на которых располагаются приемные пункты каждой из подсистем. Независимо для каждой подсистемы рассчитывают координаты точек нахождения ИРИ в плоскостях, образованных прямыми расположения ПП подсистем и точкой нахождения ИРИ. Определяют наклонные дальности от ИРИ до всех ПП и возможное местоположение ИРИ в пространстве для каждой из подсистем, характеризуемое линией положения - полуокружностью, формируемой путем вращения треугольника, вершинами которого являются два любых приёмных пункта подсистемы и рассчитанная точка положения ИРИ на плоскости для соответствующей подсистемы, относительно прямой, включающей выбранные приёмные пункты подсистемы. Осуществляют расчет координат центров полуокружностей, координаты точки пересечения прямых, являющихся проекциями полуокружностей на горизонтальную плоскость, а также рассчитывают горизонтальные дальности до ПП системы. По значениям наклонных и горизонтальных дальностей относительно выбранных ПП системы определяют высоту нахождения ИРИ. 5 ил.

Временной способ определения пространственных координат сканирующего источника радиоизлучения, заключающийся в том, что с помощью пассивной или активно-пассивной многопозиционной радиолокационной системы, состоящей из пяти приемных пунктов, разделенных на две идентичные подсистемы, каждая имеет по три приемных пункта (ПП), расположенных на одной прямой в горизонтальной плоскости, при этом один приемный пункт является общим для обеих подсистем и находится в точке пересечения прямых, на которых располагаются приемные пункты каждой из подсистем, временным способом определения дальности до сканирующего источника радиоизлучения (ИРИ) независимо для каждой подсистемы рассчитывают координаты точек нахождения ИРИ в плоскостях, образованных прямыми расположения приемных пунктов подсистем и точкой нахождения ИРИ и определяют наклонные дальности от ИРИ до всех ПП, возможное местоположение ИРИ в пространстве для каждой из подсистем характеризуется линией положения - полуокружностью, формируемой путем вращения треугольника, вершинами которого являются два любых приёмных пункта подсистемы и рассчитанная точка положения ИРИ на плоскости для соответствующей подсистемы, относительно прямой, включающей выбранные приёмные пункты подсистемы, осуществляют расчет координат центров полуокружностей для каждой подсистемы, для нахождения которых решают систему уравнений вида:

где х₇, у₇ - искомые координаты центра полуокружности для первой подсистемы; х₄, у₄ - координаты точки ИРИ1 - точки нахождения источника радиоизлучения в первой подсистеме на линии положения при высоте, равной нулю; х₅, у₅ - координаты приемного пункта ПП4; α₃ - угол, характеризующий азимутальное направление на ИРИ1 относительно линии размещения приемных пунктов первой подсистемы; l₃ - наклонная дальность от приемного пункта ПП4 до ИРИ1; аналогичным образом рассчитывают координаты х₆, у₆ центра полуокружности для второй подсистемы, далее рассчитывают координаты х₈, у₈ точки ИРИ3 - точки пересечения проекций полуокружностей двух подсистем на горизонтальную плоскость путем решения системы уравнений:

где: ; ; ; ; ; ; х₆, у₆ - координаты центра полуокружности второй подсистемы; х₇, у₇ - координаты центра полуокружности первой подсистемы; х₃, у₃ - координаты точки ИРИ2 - точки нахождения источника радиоизлучения во второй подсистеме на линии положения при высоте, равной нулю; по рассчитанным координатам точки ИРИ3 и известным координатам приемных пунктов системы рассчитывают горизонтальные дальности, по полученным значениям наклонных и горизонтальных дальностей относительно выбранных приемных пунктов системы, по теореме Пифагора рассчитывают высоту нахождения источника радиоизлучения.