СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КУРСА ОБЪЕКТА НА ЛИНЕЙНОЙ ТРАЕКТОРИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЫБОРОК КВАДРАТОВ ДАЛЬНОСТИ Российский патент 2021 года по МПК G01S13/58 G01S13/66 

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для определения курса неманеврирующих объектов, движущихся по линейной траектории, в том числе аэродинамических целей, преимущественно в РЛС с большими ошибками измерения азимута.

Известен способ, в котором текущий курс определяют как сумму курсового угла q_n и азимута объекта β_n-1 предыдущем обзоре Q=q_n+β_n-1. Для определения курсового угла, то есть угла между линией визирования объекта (между направлением «РЛС - объект») и направлением вектора скорости, вычисляют несколько вспомогательных величин: разность азимутов в соседних обзорах δβ_n; произведение дальности в последнем обзоре на синус разности азимутов b_n=r_nsinδβ_n; разность между дальностью в предыдущем обзоре и произведением дальности в последнем обзоре на косинус разности азимутов a_n=r_n-1 - r_ncosδβ_n; вспомогательный угол По знаку (положительный или отрицательный) a_n и b_n устраняют неоднозначность определения курсового угла q_n и курса Q. Далее производят экспоненциальное сглаживание текущих значений курса [1, С. 360-365].

Недостаток способа: низкая точность определения курса при больших ошибках измерения азимута.

Известен способ, в котором для определения курса объекта находят оценки (сглаженные значения) скорости изменения горизонтальных прямоугольных координат и . Затем вычисляют значение вспомогательного угла Q^*, равное арктангенсу отношения этих оценок:

Для устранения неоднозначности определения курса используют информацию о знаке оценок скорости изменения горизонтальных прямоугольных координат [2, С. 314].

Недостаток способа: низкая точность определения курса при больших ошибках измерения азимута.

Наиболее близким аналогом заявленному способу (прототипом) является способ, в котором для определения курса неманеврирующего объекта, движущегося по линейной траектории, вычисляют оценку курсового угла в середине интервала наблюдения по формуле [3]:

При этом оценку радиальной скорости в середине интервала наблюдения определяют путем взвешенного суммирования фиксированной выборки значений дальности до объекта r_i. Оценку путевой скорости определяют по фиксированной выборке квадратов дальности [3, 4]. Кроме того, находят оценку азимута в середине интервала наблюдения путем оптимального взвешенного суммирования измеренных значений азимута β_i.

Далее вычисляют значения курса, как алгебраическую сумму оценок азимута , курсового угла и углов 180°, 0° или 360°. Для устранения неоднозначности сравнивают вычисленные значения курса со значением курса, полученным по оценкам скорости изменения горизонтальных прямоугольных координат и , то есть как во втором аналоге.

Недостаток прототипа: низкая точность определения курса при больших дальностях до объекта. Кроме того, усложнена процедура устранения неоднозначности определения курса.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности определения курса неманеврирующего объекта, движущегося по линейной траектории, и упрощение процедуры устранения неоднозначности определения курса.

Для достижения этого технического результата в заявленном изобретении так же, как в прототипе, в РЛС измеряют полярные координаты объекта (дальность r_i и азимут β_i) и преобразуют их в цифровые сигналы. Далее производят преобразование этих координат в горизонтальные прямоугольные координаты по формулам: x_i=r_isinβ_i, y_i=r_icosβ_i.

Путем оптимального взвешенного суммирования фиксированной выборки этих координат определяют оценки скорости изменения прямоугольных координат и Затем вычисляют оценку вспомогательного угла по формуле: После этого вычисляют однозначную оценку курса, как во втором аналоге [2, С. 314]:

Далее определяют оценку радиальной скорости в середине интервала наблюдения путем оптимального взвешенного суммирования фиксированной выборки из N измеренных значений дальности r_i с весовыми коэффициентами

Затем перемножают измеренные значения дальности r_i и получают значения квадратов дальности формируют фиксированную выборку из N значений квадратов дальности и оценивают второе приращение квадрата дальности путем взвешенного суммирования этой фиксированной выборки квадратов дальности с весовыми коэффициентами Из этой оценки вычисляют квадратный корень, делят на период обзора и получают оценку путевой скорости объекта После этого вычисляют курсовой угол в середине интервала наблюдения и среднеквадратическую ошибку (СКО) определения этого угла:

где σ_r - СКО измерения дальности.

Затем оценивают азимут в середине интервала наблюдения путем взвешенного суммирования измеренных значений азимута β_i по формуле:

В отличие от прототипа, согласно заявленного изобретения, определяют две оценки курса и по формулам:

Далее вычисляют абсолютные значения разностей между однозначной оценкой вычисленной по формуле (3), и двумя полученными оценками и По меньшей разности устраняют неоднозначность определения курса в заявленном изобретении, так как при истинном курсе эта разность теоретически равна нулю, а при ложном курсе - удвоенному значению оценки курсового угла, то есть

Для повышения точности определения курса при больших, по сравнению с курсовым параметром, дальностях до объекта в разных точках траектории вычисляют отношение оценки курсового угла к СКО его определения

Если это отношение больше единицы, то есть то курс определяют по формулам (6) и (7), а неоднозначность устраняют по меньшему абсолютному значению разностей.

Если это отношение не превышает единицы, то есть то курс определяют однозначно без использования значений курсового угла по оценкам азимута по формуле:

Достоверность формул (3), (6) и (7) подтверждается схемами восьми траекторий, приведенными в фиг. 1 и фиг. 2. Для удаляющихся от РЛС объектов (фиг. 1), то есть при положительной радиальной скорости оценки курса и могут быть равны как сумме, так и разности азимута и курсового угла во всех четырех квадрантах прямоугольной системы координат XOY. Для приближающихся к РЛС объектов (фиг. 2), то есть при отрицательной радиальной скорости в первом и втором квадрантах (х>0) прибавляется 180°, а в третьем и четвертом квадрантах (х<0) вычитается 180°.

Во всех приведенных случаях при истинном курсе разность теоретически равна нулю, а при ложном курсе - удвоенному курсовому углу В итоге существенно упрощается процедура устранения неоднозначности определения курса по сравнению с прототипом [3]. В прототипе для решения этой задачи сравнивают с аналогом все варианты сумм и разностей углов, то есть (0° и 360°).

Для доказательства реализуемости заявленного технического результата в части повышения точности определения курса, вычислим среднеквадратические ошибки (СКО) определения курса объекта, то есть аэродинамической цели (АЦ), тремя способами по фиксированным выборкам из 13 значений дальности и азимута при СКО измерения азимута σ_β=1,5° и дальности σ_r=25 м.

В приведенном примере, как показано на схеме фиг. 3, АЦ приближается к РЛС, то есть летит с курсом Q=20°, скоростью 250 м/с и курсовым параметром (траверзным расстоянием) Р=25 км. Автосопровождение АЦ и оценивание параметров ее движения, то есть курса Q, путевой скорости V, азимута и радиальной скорости производят от дальности 350 км до 50 км в «скользящем окне» (интервале наблюдения) длиной L_ИНТ=30 км при периоде обзора Т₀=10 с и объеме выборки N=13.

СКО определения курса в заявленном изобретении и в прототипе вычисляют по формуле:

СКО определения путевой скорости в прототипе и в заявляемом изобретении вычисляют по формуле:

В способе-аналоге (3), то есть при оценивании курса по выборкам прямоугольных координат, ошибки определения курса зависят от СКО измерения азимута и вычисляются по формуле [3]:

Результаты анализа точности определения курса в заявленном изобретении прототипе и во втором аналоге приведены в табл. 1 и на графиках фиг. 4.

Эффективность заявленного изобретения характеризуется выигрышем в точности оценивания курса заявленным способом по сравнению с прототипом и аналогом, то есть отношением их СКО

Как видно из табл. 1 и графиков фиг. 4, до дальности примерно 225 км прототип превосходит аналог по точности а затем уступает аналогу В заявленном способе на дальности около 190 км (в точке В фиг. 4) значение СКО становится равным курсовому углу q_cp. При дальнейшем увеличении дальности курсовой угол становится меньше СКО и поэтому курс определяют однозначно по формуле (8) без учета курсового угла. В итоге на дальности 350 км точность определения курса повышается в 6 раз по сравнению с прототипом и в 3,8 раза по сравнению со вторым аналогом.

Следует отметить, что в РЛС метрового диапазона проблематично существенно уменьшить ошибки измерения азимута, так как размеры их антенн соизмеримы с длиной волны. В то же время ошибки измерения дальности не зависят от размеров антенны. Например, в РЛС AN/TPS-59 достигнута точность измерения дальности около 30 метров [5, с. 36].

Таким образом, доказана промышленная реализуемость технического результата заявленного изобретения: повышение точности определения курса неманеврирующего объекта на дальностях, при которых курсовой угол, становится меньше среднеквадратической ошибки его определения, и упрощение процедуры устранения неоднозначности определения курса.

Список использованных источников

1. Кузьмин С.З. Цифровая обработка радиолокационной информации. - М.: «Радио и связь», 1967.

2. Кузьмин С.З. Основы теории цифровой обработки радиолокационной информации. - М.: «Сов. радио», 1974.

3. Способ определения модуля скорости аэродинамической цели. Патент на изобретение №2559296.

4. Устройство радиолокационного определения путевой скорости неманеврирующей воздушной цели. Патент на полезную модель №152617.

5. Радиоэлектронные системы: основы построения и теория. Справочник / Под ред. Я.Д. Ширмана. - М: ЗАО «МАКВИС», 1998.

Изобретение относится к области радиолокации. Техническим результатом изобретения является повышение точности и устранение неоднозначности определения курса объекта на линейной траектории. В заявленном способе определения курса объекта на линейной траектории с использованием выборок квадратов дальности в РЛС измеряют дальность r_i и азимут β_i объекта и преобразуют их в горизонтальные прямоугольные координаты. Затем определяют оценки скорости изменения прямоугольных координат, вычисляют однозначную оценку курса Далее определяют оценку радиальной скорости в середине интервала наблюдения путем оптимального взвешенного суммирования фиксированной выборки из N измеренных значений дальности r_i. Формируют фиксированную выборку из N значений квадратов дальности и оценивают второе приращение квадрата дальности путем взвешенного суммирования. Находят оценку путевой скорости объекта . Затем вычисляют курсовой угол в середине интервала наблюдения и среднеквадратическую ошибку (СКО) определения этого угла. Оценивают азимут в середине интервала наблюдения путем взвешенного суммирования измеренных значений азимута β_i. Определяют две оценки курса с использованием значений оценок азимута и курсового угла . Для устранения неоднозначности используют однозначную оценку курса и полученные две оценки, и по меньшей разности устраняют неоднозначность определения курса. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Способ определения курса объекта на линейной траектории с использованием выборок квадратов дальности, заключающийся в том, что в РЛС измеряют дальность r_i и азимут β_i объекта и преобразуют их в горизонтальные прямоугольные координаты x_i=r_isinβ_i, y_i=r_icosβ_i, определяют оценки скорости изменения прямоугольных координат и вычисляют оценку вспомогательного угла по формуле и однозначную оценку курса по формуле далее определяют оценку радиальной скорости в середине интервала наблюдения путем оптимального взвешенного суммирования фиксированной выборки из N измеренных значений дальности r_i с весовыми коэффициентами перемножают измеренные значения дальности r_i и получают значения квадратов дальности формируют фиксированную выборку из N значений квадратов дальности и оценивают второе приращение квадрата дальности путем взвешенного суммирования этой фиксированной выборки квадратов дальности с весовыми коэффициентами вычисляют квадратный корень из этой оценки, делят на период обзора и получают оценку путевой скорости объекта вычисляют курсовой угол в середине интервала наблюдения и среднеквадратическую ошибку (СКО) определения этого угла где σ_r - СКО измерения дальности, оценивают азимут в середине интервала наблюдения путем взвешенного суммирования измеренных значений азимута β_i по формуле определяют значения курса как алгебраическую сумму значений оценок азимута курсового угла а также углов 180° или 0°, для устранения неоднозначности используют однозначную оценку курса отличающийся тем, что определяют две оценки курса и по формулам и вычисляют абсолютные значения разностей между однозначной оценкой и двумя полученными оценками, и по меньшей разности устраняют неоднозначность определения курса в заявленном изобретении, так как при истинном курсе эта разность равна нулю, а при ложном курсе равна удвоенному значению оценки курсового угла

2. Способ определения курса по п. 1, отличающийся тем, что вычисляют отношение оценки курсового угла к СКО его определения если это отношение не больше единицы, то есть то курс определяют однозначно по оценкам азимута объекта без использования значений его курсового угла по формуле