Устройство разрешения составляющих плотного порядка групповой воздушной цели по дальности и азимуту Российский патент 2022 года по МПК G01S13/02 

Изобретение относится к устройствам разнесенного приема сверхкороткоимпульсных (СКИ) радиолокационных сигналов и может быть использовано для построения многопозиционной радиолокационной системы сопровождения групповых целей (ГЦ), в том числе и плотной группы (роя) беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) [1], при этом обеспечивается раздельное измерение дальности и азимута каждого БПЛА из состава группы.

Известны устройства обнаружения БПЛА, представляющие собой РЛС контрбатарейной борьбы [2-5] Основные характеристики этих РЛС представлены в таблице 1.

Таблица 1

РЛС AN/TPQ 48 AN/TPQ 53 YLC 48 Serhat
HTR COBRA EL/M 2084 Разработчик США США Китай Турция Euro-ART Израиль Диапазон 1…2 ГГц 2…4 ГГц 2…4 ГГц 1…2 ГГц 4…8 ГГц 1…2 ГГц Обзор азимута 360 град 90 град 360 град 360 град 270 град 120 град Антенна круговая
панельная ФАР плоская АФАР круговая
панельная ФАР круговая
панельная ФАР плоская АФАР плоская АФАР Дальность обнаружения БПЛА 6км 20км 6км 6км 20км 6…10км Мертвая зона РЛС 500м Н. д. 100м 500м Н. д. Н. д. Точность по дальности 75м Н. д. 40м 50м 60м 125…150м Точность по азимуту 2 град Н. д. 3 град 2 град 0,18 град 0,18 град. Разрешение по дальности Н. д. Н. д. 80м Н. д. Н. д. Н. д. Разрешение по азимуту Н. д. Н. д. 9 град Н. д. Н. д. Н. д.

Недостатками этих устройств являются недостаточная точность и разрешающая способность по дальности и азимуту, что не позволяет раздельно обнаруживать и измерять координаты целей из состава плотной группы БПЛА, линейные расстояния между которыми сравнимы с размерами самих БПЛА [6-8] и составляют единицы метров. Кроме того, объективное отсутствие данных (Н. д.) по разрешающей способности некоторых РЛС не позволяет оценить применимость таких устройств для сопровождения ГЦ.

Известны и другие устройства обнаружения и сопровождения, представляющие собой РЛС, специализированные для работы по БПЛА, в том числе, и с применением СКИ, а также межпачечного когерентного накопления [9]. Основные характеристики этих РЛС представлены в табл. 2.

Таблица 2

РЛС Ranger R8SS 3D RST Teknoloji СМЕРЧ ВЫПЬ СКИРЛ НИИДАР
(проект) 1 2 3 4 5 6 Ссылка на источник [10] [11] [12 - 14] [15] [16], [17] [22] Разработчик США Турция РОЛОС НИИ РЭТ МАИ НИИДАР Диапазон 8…12 ГГц (X) 8…12 ГГц (X) 4…13 ГГц
(C…X) 33…50ГГц
(Q) 8…12 ГГц
(X) 30ГГц…
3000ГГц Обзор азимута 45 град 360 град 360 град 240 град 360 град Параллельный Период сканирования 0,25…0,5с 4с 12,5с Н. д. 1,3с 0с Антенна АФАР АФАР Раздельные АФАР Зеркальная
поворотная Зеркальная
поворотная Н. д.* Зондирующий сигнал Н. д. Н. д. OFDM,
ЛЧМ, СКИ ЛЧМ СКИ Н. д. Мощность 135 Вт Н. д. 200 Вт 200 Вт 50 Вт Н. д. Когерентное накопление Н. д. Н. д. Н. д. 10с Нет Длительное Ширина полосы Н. д. Н. д. 4 ГГц 400 МГц 250 МГц Н. д. Минимальная ЭПР цели 0,01 кв.м Н. д. 0,001кв.м 0,01 кв.м 0,01 кв.м Н. д. Мертвая зона РЛС 10м Н. д. 0м Н. д. 5м Н. д.

Продолжение таблицы 2

РЛС Ranger R8SS 3D RST Teknoloji СМЕРЧ ВЫПЬ СКИРЛ НИИДАР
(проект) 1 2 3 4 5 6 Ссылка на источник [10] [11] [12 - 14] [15] [16], [17] [22] Число целей 512 200 500 Н. д. Н. д. Н. д. Разрешение роя Н. д. TWS** Только по дальности Только по дальности Только по дальности Да Дальность обнаружения БПЛА 2…4км
1км (Perdix) 6км 12,6км 40 км
(ЛЧМ) 6…10км Н. д. Точность по дальности 3м 5м 0,04м 0,2м 0,5м Н. д. Точность по азимуту 0,8 град 1 град 0,3 град 0,017 град 0,5 град Н. д. Разрешение по дальности Н. д. 15м 0,1м (OFDM) 1,5м 1,5м Н. д. Разрешение по азимуту Н. д. 2 град Н. д. Н. д. Н. д. Н. д.

* Н. д. - нет данных

** TWS (Track While Scan) - одновременное сопровождение целей и сканирование пространства.

Для успешного обнаружения и разрешения плотной группы (роя) малоразмерных БПЛА, типа Perdix [6], все устройства, представленные в таблице 2, обладают рядом недостатков и ограничений.

Недостатком устройства 1 является малая дальность обнаружения малоразмерного БПЛА типа Perdix, а также низкие точности по дальности и азимуту. Это является следствием портативности устройства.

Недостатком устройства 2 является низкая точность и разрешающая способность по дальности и азимуту, что не позволяет разрешать составляющие плотной группы малоразмерных БПЛА.

Устройство 3 использует косвенное измерение в частотной области [13] и имеет точность и разрешение по дальности, достаточное для раздельного наблюдения целей из состава плотной группы (роя) БПЛА. Устройство может работать как с OFDM (основной), так и с ЛЧМ, СКИ зондирующими сигналами.

Недостатком устройства 3 является наличие боковых лепестков тела неопределённости, присущее как OFDM [18], так и ЛЧМ [19] сигналам. При локации плотной группы (роя) БПЛА высокий уровень боковых лепестков (УБЛ) приводит к ошибочным измерениям дальности и азимута ложных целей, что является недопустимым. Для снижения УБЛ OFDM сигнала в [20] предложен алгоритм формирования и обработки OFDM сигналов на основе манипуляции с минимальным сдвигом частоты. Однако при анализе блок-схемы обработки сигнала в ПЛИС передатчика (рис.2 в [14]) и блок-схемы обработки сигнала в ПЛИС приёмника (рис.3 в [14]) не ясно, используется ли в устройстве 3 предложенный в [20] алгоритм.

Устройство 4 имеет точности по дальности и азимуту, достаточные для раздельного наблюдения целей из состава плотной группы (роя) БПЛА. Высокая точность по азимуту при приемлемом размере зеркальной антенны обусловлена работой в миллиметровом диапазоне (Q). Устройство работает с ЛЧМ зондирующим сигналом.

Недостатком устройства 4 является высокий УБЛ ЛЧМ сигнала, доходящих до -13дБ. Применение весовой обработки позволяет снизить УБЛ до реально достижимого -37дБ, но только при жестких требованиях величине джиттера в АЦП/ЦАП и к уровню фазовых шумов передатчика и гетеродинов приемного тракта [19]. Такие требования выполнить в миллиметровом диапазоне (Q) значительно труднее, чем в сантиметровом (Х).

Устройство 5 использует прямое измерение задержки СКИ сигнала во временной области с однозначным определением дальности [17]. Такой сигнал не имеет боковых лепестков тела неопределённости по оси времени [21, с.342]. Отсутствие боковых лепестков позволяет этому устройству разрешать по дальности цели из состава плотной группы (роя) БПЛА с минимальной вероятностью ложных тревог.

Недостатком устройства 5 является низкая точность и разрешающая способность по азимуту, которая всецело зависит размера зеркальной антенны.

Устройство 6 [22] находится на стадии проекта, хотя и заявлено о возможности раздельного наблюдения целей из состава плотной группы (роя) БПЛА. Отсутствие информации о характеристиках устройства 6 не позволяет в полной мере оценить его применимость для наблюдения и разрешения составляющих плотной группы (роя) малоразмерных БПЛА.

Это является недостатком устройства 6.

Таким образом, применительно к задаче наблюдения и разрешения составляющих плотной группы (роя) малоразмерных БПЛА на ближних и средних дальностях (до 20км) рассмотренные в таблице 2 устройства обладают рядом недостатков и ограничений, что затрудняет их непосредственное применение для решения вышеуказанной задачи.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности и разрешающей способности по азимуту при локации СКИ сигналом плотной группы (роя) малоразмерных БПЛА.

Достижение поставленной цели обеспечивается за счет совместной обработки СКИ эхо-сигналов, принимаемых как активным СКИ локатором, так и двумя широкополосными пассивными приёмными постами (ПрП).

Изобретение предполагает добавление к СКИ локатору (устройство 5 из таблицы 2), работающему в качестве дальномера, двух разнесённых ПрП, которые размещаются на одной прямой по разные стороны от СКИ локатора (Фиг.1) и образуют разностно-временное пеленгационное устройство. На Фиг.1 в точке p слева от дальномера на расстоянии Lp от антенны дальномера располагается антенна ПрП p, а точке q справа от дальномера на расстоянии Lq от антенны дальномера располагается антенна ПрП q. Линия визирования, задающая нулевой отсчёт углов прихода, при этом перпендикулярна прямой, на которой размещены дальномер, ПрП p и ПрП q. Диаграммы направленности (ДН) антенн дальномера и ПрП делаются широкими, охватывающими по азимуту весь сектор налёта роя малоразмерных БПЛА.

Блок-схема предлагаемого устройства изображена на Фиг. 2. Предлагаемое устройство состоит из следующих блоков:

• антенна 1 с широкой ДН;

• циркулятор 2;

• передатчик СКИ зондирующих сигналов 3;

• широкополосное радиоприемное устройство 4;

• синхронизатор 5;

• измеритель временных интервалов (ИВИ) 6;

• разнесённые антенны 7 , 12, идентичные антенне 1;

• широкополосные радиоприемные устройства 8, 13, идентичные радиоприемному устройству 4;

• счётчики 9, 14;

• формирователь бланка 10;

• определитель знака 11;

• цифровой вычислитель (ЦВС) 15.

Блоки 1 - 6 (обведены на Фиг.2 пунктиром) вместе составляют СКИ локатор, являющийся прототипом, и работающий в предлагаемом устройстве в качестве дальномера. Блоки 7 - 9 вместе составляют левый ПрП p, а блоки 12 - 14 вместе составляют правый ПрП q.

Предлагаемое устройство работает следующим образом:

1. В исходном состоянии приёмные тракты 8 и 13 в ПрП заперты бланкирующим импульсом с формирователя бланка 10. Счётчики и определитель знака 11 обнулены по команде «сброс» из ЦВС 15.

2. Cинхронизатор 5 с началом очередного цикла зондирования формирует импульс запуска передатчика 3 (ИЗП) и одновременно бланкирующий импульс для приёмного тракта 4 в дальномере и импульс сброса для ИВИ 6.

3. После окончания излучения зондирующего СКИ сигнала снимается бланкирующий импульс приёмного тракта 4 дальномера. Запускается отсчёт временных задержек в ИВИ 6. Приёмные тракты 8 и 13 в ПрП остаются закрытыми. Устройство переходит в режим ожидания эхо-сигналов от групповой цели в очередном цикле зондирования.

4. В момент прихода эхо-сигнала от N-й цели из состава группы в приёмный тракт 4 дальномера выходной эхо-импульс этого тракта поступает на ИВИ 6, где происходит отсчёт временной задержки τ_N и передача значения τ_N в ЦВС 15. Одновременно эхо-импульс с выхода тракта 4 дальномера осуществляет старт счётчиков 9 и 14 в ПрП. По этому же эхо-импульсу формирователь бланка 10 снимает бланкирующий импульс с приёмных трактов 8 и 13 в ПрП. Устройство переходит в режим ожидания эхо-сигналов от N-й цели из состава группы на входах ПрП.

5. В момент прихода эхо-сигнала от N-й цели из состава группы в приёмный тракт 8 или 13 (в зависимости от знака угла прихода) выходной эхо-импульс соответствующего тракта вызывает останов счётчика соответственно 9 или 14 в ПрП. Другой счётчик продолжает счёт. Одновременно с остановом счётчика формирователь бланка 10 выдает бланкирующий импульс на приёмные тракты 8 и 13, запирая их. Определитель знака 11, представляющий собой быстродействующую логическую схему с «защелкой» и со сбросом, определяет, на каком счётчике раньше произошёл останов и формирует признак, по которому в ЦВС 15 выбираются показания временной разности хода Δτ_N этого счётчика, а показания другого счётчика игнорируются.

6. ЦВС 15 производит обмен со счётчиками 9 и 14 и определителем знака 11, после чего выдает команду «сброс», обнуляя счётчики 9 и 14 и определитель знака 11. Устройство переходит в режим ожидания эхо-сигналов от (N+1)-й цели из состава группы на входе дальномера. Дальность (D_N) и относительный азимут (Δβ_N) N-й цели рассчитываются в ЦВС по формулам:

- для левого ПрП p

или

- для правого ПрП q

Рассчитанные для каждой цели значения D_N и Δβ_N сохраняются в буферном ОЗУ ЦВС для выдачи в каждом цикле зондирования.

7. Цикл (4 - 6) повторяется для каждой N-й цели из состава группы до тех пор, пока не будет определена дальность (D_N) и относительный азимут (Δβ_N) самой удалённой цели в группе.

8. Cинхронизатор 5 с началом очередного цикла зондирования формирует ИЗП и цикл (2-7) повторяется.

Таким образом, предлагаемое устройство разрешения составляющих плотного порядка групповой воздушной цели по дальности и азимуту, имеет преимущество по сравнению с прототипом [17], что позволяет различать как по дальности, так и по азимуту цели из состава плотной группы (роя) малоразмерных БПЛА. Предлагаемое устройство является разностно-временным и нечувствительно к стабильности фазовых характеристик и к уровню фазовых шумов передатчика и гетеродинов приемных трактов.

Устройство может быть рекомендовано для создания сплошного радиолокационного поля с короткоимпульсным зондирующим сигналом Х диапазона, для надёжного разрешения плотной группы (роя) атакующих малоразмерных БПЛА на ближних и средних дальностях.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Федутинов Д.В. Разящий рой // Независимое военное обозрение, 22.05.2020.

2. Крупников А. Радиолокационные станции контрбатарейной борьбы основных зарубежных стран // Зарубежное военное обозрение, №12, 2010, с.32 - 41.

3. Противодронный заслон // Зарубежное обозрение «Вектор ПВО», №3 (7), 2018, с.67 - 80.

4. Новейшая РЛС контрбатарейной борьбы AN/TPQ 53 //

Сайт: www.lockheedmartin.com

5. РЛС контрбатарейной борьбы AN/TPQ 53 // Сайт: www.topwar.ru

6. БПЛА объединяются в рой // Обзор от Компании «ИА Безопасность сегодня» 20.06.2017 Сайт: www.secnews.ru

7. Лесив Е.А., Колодочка М.А., Щукин К.О. и др. Применение роя квадрокоптеров для поисковых операций // Сайт: www. sciencedirect.com

8. Бойко А. Рои беспилотников // Обзор на сайте www.robotrends.ru

9. Гейстер С.Р., Чугай К.Н. Межпачечное когерентное накопление - способ повышения качества оценивания спектральных характеристик радиолокационных сигналов // Доклады БГУИР, том 1, №3, 2003, с 37 - 41.

10. Официальный сайт фирмы Flir Systems Inc. // www.flir.com

11. Официальн. сайт фирмы RST Teknoloji // www.rstteknoloji.com.tr

12. Официальный сайт компании РОЛОС // www.rolos.ru

13. Родович А.А., Серяков А.А., Захаров П.Н. Реализация радиолокационной системы на основе сигналов с ортогональным мультиплексированием и частотным разделением // Учёные записки физического факультета МГУ, №5 (165508), 2016, с 1-4.

14. Родович А.А., Серяков А.А., Захаров П.Н., Полищук М.А. Реализация радиолокационной системы с использованием ансамбля сигналов с ортогональным мультиплексированием и частотным разделением // Журнал радиоэлектроники, ISSN 1684-1719, №12, 2016, с 1-10.

15. Презентация НИИ РЭТ МГТУ им. Н. Э. Баумана на форуме «Армия 2016»

16. Скосырев В.Н., Нуждин В.М., Ананенков А.Е., Коновальцев А.В. Технология сверхкороткоимпульсной радиолокации - ключ к повышению информационных возможностей РЛС // Первая международная конференция «Сверхширокополосные сигналы и сверхкороткие импульсы в радиолокации, связи и акустике», г. Суздаль, 27-29 сентября 2005.

17. Ананенков А.Е., Коновальцев А.В., Нуждин В.М., Скосырев В.Н. Технология сверхкороткоимпульсной радиолокации. Состояние и перспективы развития // Труды Второй Всероссийской конференции-семинара, г. Муром, 2006.

18. B. Nuss, Y. L. Sit, M. Fennel, D. Mayer, T. Maler, T. Zwick ”Detection drone by MIMO-OFDM-Radar” // Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Hochfrequenztechnik und Elektronik, 2017. // Перевод с немецкого на сайте www.astrosoft.ru

19. Коновальцев А.В., Нуждин В.М., Скосырев В.Н., Харламов А.Н., Кишко Д.В. Оценка фазовых искажений широкополосных ЛЧМ сигналов в аналоговом тракте локатора // III Всероссийская научная конференция «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике» г. Муром, 2010, с.257-262

20. Назаров Л.Е., Зудилин А.С. Алгоритмы формирования и приёма OFDM сигналов на основе манипуляции с минимальным сдвигом частоты // Журнал радиоэлектроники, ISSN 1684-1719, №8, 2016, с 1-16.

21. Теоретические основы радиолокации: Под ред. Ширмана Я.Д. Учебное пособие для вузов // М.: Советское радио, 1970. - 560 с.

22. Официальное сообщение пресс-службы НИИДАР на форуме «Армия 2020» // Сайт www.niidar.ru

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано для разрешения по дальности и азимуту плотного строя беспилотных летательных аппаратов. Техническим результатом изобретения является повышение разрешения составляющих плотного порядка групповой воздушной цели по дальности и азимуту. Достижение технического результата в заявленном устройстве осуществляется за счет использования сверхкороткоимпульсных зондирующих сигналов, не имеющих боковых лепестков по дальности, в сочетании со стробированным разнесенным приемом эхо-сигналов, что в конечном итоге, позволяет разрешать по азимуту и дальности составляющие плотного строя групповой цели. 2 ил., 2 табл.

Устройство разрешения составляющих плотного порядка групповой воздушной цели по дальности и азимуту, включающее антенну 1, выход которой соединен со вторым входом циркулятора 2, первый вход которого соединен с выходом передатчика сверхкороткоимпульсных зондирующих сигналов (СКИ) 3, третий выход циркулятора соединен с первым входом широкополосного радиоприемного устройства 4, выход которого соединен с первым входом измерителя временных интервалов (ИВИ) 6, выход которого соединен с первым входом цифрового вычислителя (ЦВС) 15, синхронизатор 5, первый выход которого соединен с входом СКИ передатчика 3, второй выход синхронизатора 5 соединен со вторым входом радиоприемного устройства 4, третий выход синхронизатора 5 соединен с вторым входом ИВИ 6, а четвертый выход синхронизатора 5 соединен с третьим входом ИВИ 6, отличающееся тем, что с целью повышения разрешения составляющих плотного порядка групповой воздушной цели по азимуту дополнительно вводятся разнесенные антенны 7 и 12, причем выход антенны 7 соединен с первым входом широкополосного радиоприемного устройства 8, выход которого соединен со вторым входом счетчика 9, выход которого соединен с третьим входом ЦВС 15, а выход антенны 12 соединен с первым входом широкополосного радиоприемного устройства 13, выход которого соединен со вторым входом счетчика 14, выход которого соединен с пятым входом ЦВС 15, причем выход широкополосного радиоприемного устройства 8 соединен с первым входом формирователя бланка 10 и с первым входом определителя знака 11, выход широкополосного радиоприемного устройства 4 соединен со вторым входом формирователя бланка 10, с первым входом счетчика 9 и с первым входом счетчика 14, а выход широкополосного радиоприемного устройства 13 соединен со третьим входом формирователя бланка 10 и со вторым входом определителя знака 11, при этом выход формирователя бланка 10 соединен со вторым входом широкополосного радиоприемного устройства 8 и со вторым входом широкополосного радиоприемного устройства 13, а выход определителя знака 11 соединен с четвертым входом ЦВС 15, при этом второй выход ЦВС 15 соединен с третьим входом счетчика 9, с третьим входом определителя знака 11 и с третьим входом счетчика 14, причем четвертый выход синхронизатора 5 соединен со вторым входом ЦВС 15, с четвертым входом счетчика 9 и с четвертым входом счетчика 14, при этом на первом выходе ЦВС 15 по СКИ сигналам, принятым антенной 1, выдается информация о дальностных составляющих групповой воздушной цели, а по СКИ сигналам, совместно принятым антеннами 1, 7, 12, выдается информация об азимутальных составляющих групповой воздушной цели.