СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОДУЛЯ СКОРОСТИ БАЛЛИСТИЧЕСКОЙ ЦЕЛИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОЦЕНОК ЕЕ РАДИАЛЬНОГО УСКОРЕНИЯ ПРИ НЕОДНОЗНАЧНЫХ ИЗМЕРЕНИЯХ РАДИАЛЬНОЙ СКОРОСТИ Российский патент 2023 года по МПК G01S13/58 

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано преимущественно в наземных радиолокационных станциях (РЛС) кругового и секторного обзора, размеры антенн которых соизмеримы с длиной волны, то есть в РЛС с большими ошибками измерениями угла места, азимута и дальности баллистической цели (БЦ). Знание модуля скорости БЦ необходимо для расчета баллистической траектории, прогноза точки падения, селекции баллистических ракет от самолетов и решения других задач.

Известны способы, в которых определяют скорости изменения декартовых координат, а модуль скорости вычисляют по формуле:

где - скорости изменения декартовых координат x, y, z.

Известны устройства определения скорости изменения декартовых координат с помощью цифрового нерекурсивного фильтра (ЦНРФ) путем оптимального взвешенного суммирования фиксированной выборки из N измеренных значений декартовых координат [1, рис. 4.7, С. 303] и с помощью α, β фильтра [1, рис. 4.11, С. 322] или α, β, γ фильтра [2, рис. 9.14, С. 392] путем последовательного оптимального сглаживания выборки измеренных значений декартовых координат нарастающего объема.

Основным недостатком известных устройств является низкая точность определения модуля скорости БЦ в РЛС с большими ошибками измерениями угла места и азимута, в частности в РЛС метрового диапазона волн (РЛС МДВ).

Известны способы определения модуля скорости БЦ с использованием выборок квадратов дальности [3, 4]. В этих способах модуль скорости V_ср в середине интервала наблюдения на пассивном участке траектории (ПУТ) вычисляют по формуле:

где - оценка второго приращения квадрата дальности, определяемая с помощью ЦНРФ [4] или α, β, γ фильтра [4];

T₀ - период обзора РЛС;

- оценка высоты БЦ в середине интервала наблюдения, определяемая с помощью ЦНРФ [3] или α, β фильтра [4];

ϕ_cp - геоцентрический угол ϕ_ср между РЛС и БЦ в середине интервала наблюдения;

g_cp - ускорение силы g_ср тяжести в середине интервала наблюдения;

R_з - радиус Земли;

N - объем выборки измерений.

Достоинство способа: снижено влияние ошибок измерения угла места и устранено влияние ошибок измерения азимута на точность определения модуля скорости БЦ при относительно высокоточных измерениях дальности.

Недостаток способа: высокие требования к точности измерения дальности для достижения преимущества по сравнению со способами оценивания скорости по выборкам значений прямоугольных координат. Например, при среднеквадратических ошибках (СКО) измерения дальности более 300 м (σ_r > 300 м) преимущества способа утрачиваются. Такие точности проблематично реализовать в РЛС метрового диапазона волн с узкополосными зондирующими сигналами, формируемыми для обеспечения электромагнитной совместимости этих станций с радиоэлектронными системами связи, навигации, телевидения и другими устройствами.

Известны способы определения модуля скорости БЦ с использованием выборок произведений дальности на радиальную скорость [5, 6]. В этих способах модуль скорости БЦ в середине интервала наблюдения V_ср вычисляют по формуле:

где - оценка первого приращения произведения дальности на радиальную скорость в середине интервала наблюдения, определяемая в ЦНРФ [5] или α, β фильтре [6].

Наиболее близким аналогом (прототипом) заявленного изобретения является способ, в котором модуль скорости БЦ вычисляется по формуле (3), а оценки первого приращения произведения дальности на радиальную скорость и оценки высоты определяют с помощью ЦНРФ [5].

В фиг. 1 приведен чертеж баллистической траектории для пояснения сущности аналогов, прототипа и заявленного изобретения:

- АС - интервал наблюдения;

- B - середина интервала наблюдения;

- GОЕ - поверхность Земли;

- G - точка падения БЦ;

- Е - точка старта БЦ;

- О - позиция РЛС;

- R₃=FD - радиус Земли;

- RF - удаление БЦ в середине интервала наблюдения от центра Земли;

- ПУТ - пассивный участок траектории;

- АУТ - активный участок траектории;

- ϕ_ср - геоцентрический угол между РЛС и БЦ в середине интервала наблюдения;

- g_ср - ускорение силы тяжести в середине интервала наблюдения;

- r₁, r_ср, r_N - дальность до БЦ в начале, в середине и в конце интервала наблюдения;

- - радиальная скорость БЦ в начале, в середине и в конце интервала наблюдения;

- ε_ср - угол места БЦ в середине интервала наблюдения;

-z_cp=r_ср sin ε_ср - высота БЦ в середине интервала наблюдения.

Для пояснения сущности способа-прототипа в фиг. 2 приведена структурная схема устройства его реализации.

В РЛС через интервалы времени, равные периоду обзора Т₀, измеряют дальность r_i;, радиальную скорость и угол места ε_i БЦ на интервале наблюдения АС, находящемся на пассивном участке баллистической траектории (смотри фиг. 1). Далее в блоке 1 перемножают измерения дальности и измерения радиальной скорости и получают произведения дальности на радиальную скорость (ПДРС) По измерениям дальности и угла места вычисляют высоту БЦ в местной системе координат РЛС в блоке 5: z_i=r_i sin ε_i. Полученные значения высоты и ПДРС преобразуют в цифровые сигналы.

Сигналы ПДРС подают на вход запоминающего устройства (ЗУ блок 2.1) ЦНРФ (блок 2), на выходе которого получают фиксированную выборку этих сигналов. В блоке 2.2 фиксированную выборку сигналов ПДРС умножают на весовые коэффициенты оценивания первого приращения.

После суммирования фиксированной выборки взвешенных коэффициентами сигналов ПДРС в сумматоре 2.3 получают оценку первого приращения произведения дальности на радиальную скорость которую делят на период обзора в блоке 3 и подают на вход вычислителя модуля скорости БЦ (блок 4).

Оцифрованные сигналы высоты Z; подают на вход ЗУ (блок 6.1) ЦНРФ оценивания высоты БЦ в середине интервала наблюдения (блок 6). Полученную на выходе ЗУ фиксированную выборку сигналов высоты умножают на весовые коэффициенты в блоке 6.2. После суммирования фиксированной выборки взвешенных сигналов на выходе сумматора 6.3 получают сглаженную оценку высоты БЦ в середине интервала наблюдения, которую подают на вход вычислителя модуля скорости БЦ (блок 3) и на входы блоков 5 и 6.

В блоке 5 вычисляют геоцентрический угол между РЛС и БЦ в середине интервала наблюдения по формуле где r_ср - дальность до БЦ в середине интервала наблюдения, R_з - радиус Земли (фиг. 1).

В блоке 6 вычисляют ускорение силы тяжести в середине интервала наблюдения по формуле где g₀ - ускорение силы тяжести на поверхности Земли.

В итоге с использованием оценок высоты первого приращения ПДРС вычисленных значений ускорения силы тяжести g_сp и геоцентрического угла ϕ_ср определяют значение модуля скорости БЦ в середине интервала наблюдения по формуле (3).

Достоинство способа-прототипа: снижено влияние ошибок измерения не только угла места, но и дальности, а также устранено влияние ошибок измерения азимута на точность определения модуля скорости БЦ при относительно высокоточных и однозначных измерениях радиальной скорости.

Недостаток способа-прототипа: невозможность определения модуля скорости БЦ при неоднозначных измерениях ее радиальной скорости.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности определения модуля скорости БЦ за счет устранении неоднозначности измерений ее радиальной скорости, а также в расширении арсенала технических средств, то есть способов и устройств, определения модуля скорости объектов, движущихся по невозмущенной баллистической траектории.

Указанный технический результат достигается тем, что в заявленном изобретении устраняют неоднозначность измерений радиальной скорости, а также используют оценки ее радиального ускорения.

Причина неоднозначности измерений радиальной скорости заключается в том, что используемая в РЛС когерентная последовательность излучаемых высокочастотных зондирующих импульсов имеет дискретный спектр, отдельные составляющие которого отстоят друг от друга на величину, равную частоте повторения (следования) F_п этих импульсов. Поэтому максимальная доплеровская частота, которую можно однозначно измерить, равна половине частоты повторения импульсов, то есть . Следовательно, максимальная измеряемая радиальная скорость равна произведению четверти длины волны λ РЛС на частоту повторения: [8. С. 297-298]. Так как длина волны равна скорости распространения электромагнитной волны с, деленной на несущую частоту РЛС, то максимальная измеряемая радиальная скорость вычисляется по формуле:

Поэтому радиальная скорость однозначно измеряется в интервале

то есть в окрестности центральной составляющей спектра. Для других составляющих спектра истинная радиальная скорость равна сумме измеренной радиальной скорости и произведения номера спектральной составляющей M_i на

Номер спектральной составляющей называют также коэффициентом неоднозначности M_i, который равен целому числу значений содержащихся в i-й истинной радиальной скорости:

где int(…) - операция вычисления целого числа.

В первом варианте предлагаемого изобретения радиальная скорость измеряется однозначно, то есть несущая частота и частота повторения импульсов РЛС установлены таким образом, что одновременно достигается однозначное измерение дальности и радиальной скорости.

Для пояснения сущности первого варианта в фиг. 3 приведена структурная схема устройства его реализации.

В этом варианте предлагаемого способа так же, как в способе-прототипе, в РЛС через интервалы времени, равные периоду обзора Т₀, измеряют дальность r_i, радиальную скорость и угол места ε_i БЦ на интервале наблюдения АС, находящемся на пассивном участке баллистической траектории и преобразуют их в цифровые сигналы.

По измерениям дальности и угла места в блоке 5 вычисляют высоту БЦ в местной системе координат РЛС по формуле: z_i=r_i sin ε_i. Далее в блоке 6 с помощью ЦНРФ оценивают высоту БЦ в середине интервала наблюдения Полученные оценки высоты используют для вычисления в блоке 7 геоцентрического угла ϕ_ср между РЛС и БЦ в середине интервала наблюдения, а также для вычисления в блоке 8 ускорения силы тяжести g_ср в середине интервала наблюдения.

В отличие от способа-прототипа, в соответствии с заявленным изобретением, оцифрованные в блоке 1 сигналы радиальной скорости используют в ЦНРФ (блок 2) для оценивания первого приращения радиальной скорости в середине интервала наблюдения. После деления в блоке 3 оценки на период обзора Т₀ получают оценку радиального ускорения

В итоге по полученным оценкам радиального ускорения и высоты по измеренным значениям дальности до БЦ в середине интервала наблюдения r_cр и ее радиальной скорости , а также по вычисленным значениям ускорения силы тяжести g_ср и геоцентрического угла ϕ_ср вычисляют значение модуля скорости баллистической цели в середине интервала наблюдения на невозмущенном пассивном участке баллистической траектории по формуле:

Устройство реализации первого варианта способа определения модуля скорости БЦ (смотри фиг. 3) так же, как устройство - прототип, содержит последовательно соединенные блок преобразования измерений радиальной скорости (блок 1), на вход которого подают измеренные значения радиальной скорости, ЦНРФ оценивания первого приращения (блок 2), состоящий из последовательно соединенных запоминающего устройства (ЗУ, блок 2.1), в котором формируют фиксированную выборку входных сигналов, блока реализации весовой функции (блок 2.2), в котором вычисляют или хранят весовые коэффициенты оценивания первого приращения и умножают на эти коэффициенты входные сигналы, сумматора (блок 2.3) взвешенных сигналов, делитель на период обзора (блок 3) и вычислитель модуля скорости БЦ в середине интервала наблюдения (блок 4). Ко второму входу блока 4 подключен выход вычислителя ускорения силы тяжести (блок 8), первый вход которого соединен с выходом вычислителя геоцентрического угла (блок 7), а второй вход соединен с выходом ЦНРФ оценивания высоты БЦ в середине интервала наблюдения (блок 6), выход которого соединен также с входом блока 7 и с четвертым входом блока 4. Третий вход блока 4 соединен с вторым выходом блока 7. Вход блока 6 соединен с выходом вычислителя высоты (блок 5), на входы которого подают измеренные значения дальности и угла места. Выход блока 4, то есть вычислителя модуля скорости БЦ в середине интервала наблюдения, является выходом заявленного устройства.

В отличие от устройства - прототипа, в соответствии с заявленным изобретением, на вход ЦНРФ оценивания первого приращения (блок 2) подают преобразованные в блоке 1 измерения радиальной скорости. На выходе блока 2 получают оценку первого приращения преобразованной радиальной скорости, после деления которой в блоке 3 на период обзора определяют оценку радиального ускорения. На пятый вход блока 4 подают измеренные значения дальности до БЦ в середине интервала наблюдения, а на шестой вход - измеренные значения радиальной скорости БЦ в середине интервала наблюдения.

Для доказательства практического отсутствия систематических (методических) ошибок оценивания модуля скорости заявленным способом в РЛС «Резонанс-Н» вычислим значение модуля скорости баллистической ракеты «Атакмс» с дальностью полета 125 км, летящей по навесной траектории.

Интервал наблюдения длительностью 30 с (N = 7, Т₀ = 5с) находится на восходящем участке траектории. Параметры ракеты в середине интервала наблюдения на 65-й секунде ее полета: модуль скорости ускорение силы тяжести геоцентрический угол ϕ_ср = 0,8°, высота z_ср = 48,37 км.

Принимаются следующие характеристики РЛС «Резонанс-Н»: несущая частота ƒ₀ = 75 Мгц, частота повторения импульсов F_п = 200 Гц, СКО измерения радиальной скорости угла места σ_ε = 1,5°, дальности σ_r = 300 м [9, С. 18-22].

Высота и радиальная скорость ракеты измеряются на интервале наблюдения с одинаковой точностью, без пропусков. Поэтому весовые коэффициенты вычислялись по формулам: и [7, С. 151, 155].

Исходные данные для проведения расчетов приведены в табл. 1.

Как видно из табл. 1, радиальные скорости измеряются однозначно, так как их абсолютные значения не превышают то есть .

При фиксированных выборках из семи измерений (N=7) оценки высоты, радиального ускорения, радиальной скорости и первого приращения ПДРС вычисляются по формулам:

В итоге в заявленном изобретении модуль скорости БЦ определяется практически без смещения:

В устройствах, использующих способ - прототип, при однозначных измерениях радиальной скорости модуль скорости БЦ также определяется практически без смещения:

Однако при полете ракеты по оптимальным и настильным траекториям на дальности до нескольких сотен и тысяч километров ее радиальные скорости могут достигать значений до нескольких тысяч метров в секунду. Поэтому первый вариант при неоднозначных измерениях радиальной скорости использовать нельзя. Докажем это на примере баллистической ракеты (БР) «Дунфэн-15» с дальностью полета 600 км. Исходные данные для расчетов приведены в табл. 2.

При фиксированных выборках из пяти измерений (N=5) оценки радиального ускорения и первого приращения ПДРС вычисляются по формулам:

В итоге в первом варианте заявленного изобретения модуль скорости БЦ определить невозможно, так как подкоренное выражение отрицательно:

не определяется.

В устройствах, использующих способ - прототип, модуль скорости БЦ определяется с большим отрицательным смещением

Достоинства первого варианта изобретения: снижено влияние ошибок измерения угла места и дальности, а также устранено влияние ошибок измерения азимута на точность определения модуля скорости БЦ при однозначных измерениях радиальной скорости.

Недостаток первого варианта: предлагаемый способ можно использовать только при однозначных измерениях радиальной скорости.

Как видно из формулы (5) неоднозначность радиальной скорости необходимо устранять при оценивании радиального ускорения и при оценивании истинной радиальной скорости в середине интервала наблюдения.

Второй вариант заявленного изобретения является дальнейшим развитием первого варианта. Во втором варианте, в отличие от первого варианта, истинная радиальная скорость в середине интервала наблюдения не измеряется, а оценивается путем оптимального взвешенного суммирования фиксированной выборки из N измеренных значений дальности. В результате устраняется неоднозначность радиальной скорости в середине интервала наблюдения.

Для этого формируют фиксированную выборку из N измеренных значений дальности r_i с помощью ЦНРФ. Далее умножают эту выборку на весовые коэффициенты оценивания первого приращения и определяют оценку первого приращения дальности путем суммирования взвешенных коэффициентами измеренных значений дальности. Затем делят эту оценку на период обзора и получают оценку истинной радиальной скорости в середине интервала наблюдения.

Структурная схема устройства реализации второго варианта приведена в фиг. 4.

В этом устройстве, в отличие от первого варианта, к шестому входу вычислителя модуля скорости БЦ в середине интервала наблюдения (блок 4) подключены дополнительно введенные, последовательно соединенные делитель на период обзора (блок 10) и ЦНРФ оценивания первого приращения дальности в середине интервала наблюдения (блок 9).

В приведенном в таблице 2 примере истинная радиальная скорость в середине интервала наблюдения вычисляется путем взвешенного суммирования измерений дальности практически без смещения

Однако и во втором варианте заявленного изобретения модуль скорости БЦ определяется также с большим отрицательным смещением

Достоинства второго варианта изобретения: снижено влияние ошибок измерения угла места и дальности, а также устранено влияние ошибок измерения азимута на точность определения модуля скорости БЦ при однозначных измерениях радиальной скорости.

Недостаток второго варианта: предлагаемый способ можно использовать только при однозначных измерениях радиальной скорости.

Третий вариант заявленного изобретения является дальнейшим развитием второго варианта.

В третьем варианте заявленного изобретения, в отличие от второго варианта, устраняют межобзорную неоднозначность радиальной скорости относительно измерений радиальной скорости в начале или в конце интервала наблюдения.

Для этого сначала оценивают второе приращение дальности путем оптимального взвешенного суммирования фиксированной выборки из N измеренных значений дальности.

Далее вычисляют межобзорные разности , то есть разности между измеренными в соседних обзорах значениями радиальной скорости:

С помощью межобзорной разности и оценки второго приращения дальности определяют межобзорные коэффициенты неоднозначности m_i по следующему правилу.

Если оценка положительна, то есть то межобзорный коэффициент неоднозначности в конце интервала наблюдения приравнивают к нулю, то есть m_N = 0.

Далее в каждом обзоре, начиная с предпоследнего (N-1)-го обзора, сравнивают абсолютные значения межобзорных разностей с максимальной измеряемой радиальной скоростью , вычисляемой по формуле (4). Если абсолютное значение межобзорной разности меньше половины , то межобзорные коэффициенты неоднозначности в текущем i-м и в предыдущем (i-1)-м обзорах считают одинаковыми, то есть Если абсолютное значение межобзорной разности больше половины , то к межобзорному коэффициенту неоднозначности предыдущего обзора прибавляют единицу, то есть m_i=m_i-1+1.

Таким образом, межобзорные коэффициенты неоднозначности m_i в соседних обзорах при вычисляют следующим образом:

Если оценка отрицательна, то есть то межобзорный коэффициент неоднозначности в начале интервала наблюдения приравнивают к нулю, то есть m₁=0.

Далее в каждом обзоре, начиная со второго обзора, сравнивают абсолютные значения межобзорных разностей с максимальной измеряемой радиальной скоростью Если абсолютное значение межобзорной разности меньше половины , то m_i=m_i-1. Если абсолютное значение межобзорной разности больше половины , то m_i=m_i-1+1.

Таким образом, межобзорные коэффициенты неоднозначности m_i в соседних обзорах при вычисляют по формуле:

В итоге с использованием значений вычисляют преобразованные на интервале наблюдения радиальные скорости по формуле:

Физический смысл формул (7)-(9) заключается в том, что при совпадении знаков и БЦ находится на участке разгона, то есть на нисходящей ветви баллистической траектории. Если знаки и противоположны, то БЦ находится на участке торможения, то есть на восходящей ветви траектории.

Далее вычисляют оценку радиального ускорения в середине интервала наблюдения путем взвешенного суммирования фиксированной выборки значений преобразованной радиальной скорости и деления этой оценки на период обзора:

При этом оценка радиального ускорения вычисляется без смещения, как и по выборке истинных значений радиальной скорости.

Для доказательства эффективности предлагаемого варианта вычислим модуль скорости БЦ для различных типов траекторий.

Пример 1. РЛС «Резонанс-Н» находится на удалении 200 км от точки старта и в 400 км от точки падения баллистической ракеты «Дунфэн-15» с дальностью полета 600 км, летящей по оптимальной траектории. Модуль скорости оценивается в начале ПУТ на 90-й секунде полета так же, как в таблицах 1 и 2. Исходные данные для проведения расчетов для третьего варианта приведены в табл. 3.

Оценку второго приращения дальности при отсутствии пропусков измерений вычисляют по известной формуле для квадратичной траектории [7, С. 155]:

При пяти измерениях (N=5) в табл. 3 эта формула приводится к виду:

Так как , то межобзорный коэффициент в последнем обзоре равен нулю, m₅=0.

Как видно из табл. 3, на 90-й секунде разность превышает поэтому m_i увеличивается в середине интервала наблюдения и после нее от нуля до единицы, а к измеренным значениям радиальной скорости прибавляется

Как и в табл. 2, оценки радиального ускорения и первых приращений ПДРС вычисляются по формулам:

В итоге в заявленном изобретении модуль скорости БЦ определяется практически без смещения

В устройствах, использующих способ - прототип, модуль скорости БЦ определяется с большим отрицательным смещением

Пример 2. РЛС «Резонанс-Н» находится в районе точки падения баллистической ракеты «Дунфэн-15» с дальностью полета 600 км, летящей по оптимальной траектории. Модуль скорости оценивается на нисходящем участке на 300-й секунде полета. Исходные данные и результаты расчетов приведены в табл. 4. В отличие от предыдущих таблиц

Как видно из табл. 4, , поэтому m₁ = 0. Разность становится больше на 320-й секунде. Поэтому межобзорный коэффициент m_i увеличивается на единицу в предпоследнем и последнем обзорах.

В итоге в заявленном изобретении модуль скорости БЦ определяется практически без смещения:

В прототипе оценивание по выборкам произведений дальности на радиальную скорость так же, как в предыдущих примерах, невозможно.

Аналогичным образом доказывается реализуемость заявленного технического результата при оценивании модуля скорости в области вершины траектории, на перелетной траектории, при полете ракеты с курсовым параметром относительно РЛС и в других случаях.

Таким образом, в третьем варианте заявляемого способа, в отличие от второго варианта, при оценивании радиального ускорения устраняют неоднозначность измерения радиальной скорости.

Для этого оценивают второе приращения дальности путем оптимального взвешенного суммирования фиксированной выборки из 7V измеренных значений дальности..

Далее вычисляют межобзорные разности измеренных в соседних обзорах значений радиальной скорости

Затем вычисляют межобзорные коэффициенты неоднозначности m_i, по следующему правилу. Если , то в последнем обзоре m_N = 0. Если в предыдущих обзорах то m_i=m_i-1. Если то m_i=m_i-1+1.

При межобзорный коэффициент неоднозначности в первом обзоре равен нулю, то есть m₁=0. В последующих обзорах m_i=m_i-1 при , а при межобзорный коэффициент увеличивается на единицу:

Затем во всех обзорах на интервале наблюдения вычисляют значения преобразованной радиальной скорости по формуле:

Далее вычисляют оценку радиального ускорения путем оптимального взвешенного суммирования фиксированной выборки значений преобразованной радиальной скорости.

Структурная схема устройства реализации третьего варианта способа оценивания модуля скорости БЦ приведена в фиг. 5.

В третьем варианте устройства оценивания модуля скорости БЦ, в отличие от второго варианта, в соответствии с заявленным изобретением, в состав блока преобразования измерений радиальной скорости (блок 1) входят дополнительно введенные, последовательно соединенные вычислитель разности измерений радиальной скорости в соседних обзорах (блок 1.1), вычислитель межобзорного коэффициента неоднозначности (блок 1.2) и вычислитель преобразованной радиальной скорости (блок 1.3). Вторые входы блока 1.2 и блока 1.3 соединены с выходом дополнительно введенного вычислителя максимальной измеряемой радиальной скорости (блок 12), на входы которого подают измеренные значения несущей частоты высокочастотных импульсов передающего устройства РЛС и частоты их повторения. Третий вход блока 1.2 подключен к выходу дополнительно введенного ЦНРФ оценивания второго приращения дальности (блок 11), на вход которого подают измеренные значения дальности.

Таким образом, достоинства третьего варианта изобретения: устранена неоднозначность измерения радиальной скорости, а также снижено влияние ошибок измерения угла места и дальности, устранено влияние ошибок измерения азимута на точность определения модуля скорости БЦ.

Недостаток третьего варианта: низкая защищенность РЛС от воздействия преднамеренных и непреднамеренных активных помех из-за невозможности перестройка несущей частоты передающего устройства.

Четвертый вариант заявленного способа определения модуля скорости БЦ является дальнейшим развитием третьего варианта.

В четвертом варианте заявленного способа, с отличие от третьего варианта, во всех или в части обзоров на интервале наблюдения осуществляют одновременную перестройку несущей частоты высокочастотных импульсов передающего устройства РЛС и частоты их повторения таким образом, чтобы максимальная измеряемая радиальная скорость оставалась постоянной. Для этого несущую частоту и частоту повторения измеренные в начале интервала наблюдения, одновременно увеличивают или уменьшают в одинаковое число раз в обзорах, где осуществляется перестройка частот.

Пример перестройки несущей частоты и частоты повторения в РЛС типа «Резонанс-Н» приведен в табл. 5. Эти частоты одновременно умножают на коэффициенты перестройки. Если эти коэффициенты больше единицы, то частоты увеличиваются, если меньше единицы, то уменьшаются.

Как видно из таблицы, при перестройке несущей частоты в диапазоне от 35 до 85 МГц, а частоты повторения - в диапазоне от 140 до 340 Гц максимальная измеряемая радиальная скорость остается постоянной за счет чего устраняется неоднозначность измерений радиальной скорости.

В четвертом варианте заявленного устройства, в отличие от третьего варианта, входы вычислителя максимальной измеряемой радиальной скорости (блок 12) подключены к соответствующим выходам дополнительно введенного блока перестройки частот (блок 13). Структурная схема этого варианта приведена в фиг. 6.

Таким образом, дополнительным достоинством четвертого варианта изобретения: является повышение помехозащищенности РЛС за счет перестройки ее несущей частоты.

Недостаток четвертого и третьего вариантов: среднеквадратические ошибки оценивания радиальной скорости БЦ по выборкам измерений дальности существенно больше СКО измерения радиальной скорости доплеровским методом.

Пятый вариант заявленного изобретения является дальнейшим развитием третьего и четвертого вариантов.

В пятом варианте заявленного изобретения, в отличие от третьего и четвертого вариантов, уменьшают ошибки определения истинной радиальной скорости в середине интервала наблюдения.

Для этого сначала вычисляют коэффициент неоднозначности радиальной скорости в середине интервала наблюдения М_ср путем деления оценки радиальной скорости в середине интервала наблюдения определяемой путем взвешенного суммирования выборки измерений дальности, на значение максимальной измеряемой радиальной скорости:

где int(…) - операция вычисления целого числа.

Далее с использованием реальных высокоточных измерений радиальной скорости однозначно вычисляют истинную радиальную скорость БЦ в середине интервала наблюдения по формуле:

Например, в РЛС «Резонанс-Н» СКО измерения радиальной скорости а дальности σ_r=300 м [9, С. 18-22].

СКО оценивания радиальной скорости по выборке из семи измерений дальности при T₀=5 с, вычисляемая по формуле:

более, чем в 7,5 раз, превышает СКО измерения радиальной скорости

В итоге погрешности определения радиальной скорость БЦ в середине интервала наблюдения становятся соизмеримыми с СКО измерения радиальной скорости

Структурная схема пятого варианта устройства определения модуля скорости БЦ приведена в фиг. 7.

В пятом варианте заявленного устройства определения модуля скорости БЦ, в отличие от третьего и четвертого вариантов, выход делителя на период обзора (блок 10) соединен с входом дополнительно введенных, последовательно соединенных вычислителя неоднозначности (блок 14) и сумматора (блок 15), выход которого подключен к шестому входу вычислителя модуля скорости БЦ в середине интервала наблюдения (блок 4). Кроме того, вторые входы блоков 14 и 15 подключены к выходу блока 12, а на третий вход сумматора (блок 15) подают измеренное в середине интервала наблюдения значение радиальной скорости.

Таким образом, доказана реализуемость заявленного технического результата изобретения, а именно: повышена точность определения модуля скорости БЦ за счет устранения неоднозначности измерений ее радиальной скорости, в том числе при перестройке несущей частоты и частоты повторения зондирующих импульсов РЛС, а также расширяется арсенал технических средств определения модуля скорости баллистических целей в середине интервала наблюдения, находящегося на невозмущенной баллистической траектории, за счет использования оценок их радиального ускорения.

Список использованных источников

1. Кузьмин С.З. Цифровая обработка радиолокационной информации. М.: «Советское радио», 1967,400 с.

2. Кузьмин С.З. Основы теории цифровой обработки радиолокационной информации. М.: «Советское радио», 1974, 432 с.

3. Патент №2540323. Способ определения модуля скорости баллистической цели в наземной радиолокационной станции.

4. Патент №2658317. Способ определения модуля скорости баллистической цели с использованием выборки квадратов дальности и устройство для его реализации.

5. Патент №2607358. Способ определения модуля скорости баллистического объекта

6. Патент №2634479. Способ определения модуля скорости баллистического объекта с использованием выборки произведений дальности на радиальную скорость и устройство для его реализации.

7. Кузьмин С.З. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информации - М.: Радио и связь, 1986. - 352 с.

8. Основы радионавигационных измерений: учебное пособие, Н.Ф. Клюев [и др.] - М.: Министерство обороны СССР, 1987, 430 с.

9. Радиолокационная станция «Резонанс-Н» (69Я6) Часть 1: учебное пособие, А.В. Щербинко [и др.] - М.: Изд-во «Сам Полиграфист», 2020, 284 с.

Изобретение относится к радиолокации. Техническим результатом является повышение точности определения скорости баллистической цели (БЦ) за счет устранения неоднозначности измерений ее радиальной скорости В заявленном способе по измерениям дальности r_i и угла места ε_i вычисляют текущую высоту БЦ Путем взвешенного суммирования выборки значений z_i определяют оценку высоты , которую используют для вычисления геоцентрического угла и ускорения где R_з - радиус Земли, g₀ - ускорение силы тяжести на поверхности Земли. Вычисляют максимальную измеряемую радиальную скорость , где - несущая частота, F_п - частота повторения РЛС и с - скорость света. Путем взвешенного суммирования выборки измерений дальности оценивают ее второе приращение и однозначную радиальную скорость Вычисляют разности радиальной скорости По знаку оценки и по результатам сравнения с определяют коэффициенты m_i (0, 1, 2, …) и вычисляют однозначные на интервале наблюдения текущие значения радиальной скорости . Путем взвешенного суммирования выборки значений определяют оценку радиального ускорения и вычисляют модуль скорости БЦ в середине интервала наблюдения на невозмущенном пассивном участке баллистической траектории. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 7 ил., 5 табл., 6 пр.

1. Способ определения модуля скорости баллистической цели с использованием оценок ее радиального ускорения при неоднозначных измерениях радиальной скорости, заключающийся в том, что в РЛС через интервалы времени, равные периоду обзора Т₀, измеряют дальность r_i, угол места ε_i и радиальную скорость баллистической цели (БЦ), где i - номер измерения координаты в интервале наблюдения, содержащем N измерений координат и находящемся на невозмущенном пассивном участке баллистической траектории, по результатам однозначных измерений дальности и угла места вычисляют текущую высоту БЦ в местной системе координат РЛС z_i=r_i sin ε_i, полученные значения высоты преобразуют в цифровые сигналы, формируют фиксированную выборку из N сигналов высоты и умножают эти сигналы на весовые коэффициенты оценивания высоты в середине интервала наблюдения, после суммирования фиксированной выборки взвешенных сигналов высоты получают сглаженную оценку высоты БЦ в середине интервала наблюдения которую используют для вычисления геоцентрического угла между РЛС и БЦ в середине интервала наблюдения по формуле где r_cp - дальность до БЦ в середине интервала наблюдения, R_з - радиус Земли, а также для вычисления ускорения силы тяжести в середине интервала наблюдения по формуле где g₀ - ускорение силы тяжести на поверхности Земли, отличающийся тем, что радиальная скорость измеряется неоднозначно, то есть абсолютные значения истинной радиальной скорости могут в разы превышать ее измеренные значения , для устранения неоднозначности радиальной скорости в середине интервала наблюдения формируют фиксированную выборку из N измеренных значений дальности r_i, умножают эту выборку на весовые коэффициенты оценивания первого приращения, после суммирования фиксированной выборки взвешенных коэффициентами измерений дальности определяют оценку первого приращения дальности в середине интервала наблюдения, после деления этой оценки на период обзора T₀ получают оценку истинной радиальной скорости в середине интервала наблюдения, для устранения межобзорной неоднозначности радиальной скорости на интервале наблюдения относительно его начала или конца фиксированную выборку из N измеренных значений дальности r_i умножают на весовые коэффициенты оценивания второго приращения, после суммирования фиксированной выборки взвешенных коэффициентами измерений дальности определяют оценку второго приращения дальности измеряют несущую частоту ƒ₀ высокочастотных импульсов передающего устройства РЛС и частоту повторения F_п этих импульсов, вычисляют максимальную измеряемую радиальную скорость по формуле , где с - скорость распространения электромагнитной волны, вычисляют абсолютную разность измерений радиальной скорости в соседних обзорах определяют межобзорные коэффициенты неоднозначности m_i относительно конца или начала интервала наблюдения по следующему правилу: если оценка второго приращения дальности положительна, то есть , то межобзорный коэффициент неоднозначности в конце интервала наблюдения приравнивают нулю, то есть m_N=0, далее в каждом обзоре, начиная с предпоследнего N-1 обзора, сравнивают разности с половиной максимальной измеряемой радиальной скорости , если , то коэффициенты неоднозначности в предыдущем и текущем обзорах считают одинаковыми, то есть m_i-1=m_i, если то к коэффициенту неоднозначности в текущем обзоре прибавляют единицу, то есть m_i-1=m_i+1, если оценка второго приращения дальности отрицательна, то есть , то межобзорный коэффициент неоднозначности в начале интервала наблюдения приравнивают нулю, то есть m₁=0, далее в каждом обзоре, начиная со второго обзора, сравнивают разности с половиной максимальной измеряемой радиальной скорости, если то коэффициенты неоднозначности в предыдущем и текущем обзорах считают одинаковыми, то есть m_i-1=m_i, если , то к коэффициенту неоднозначности в предыдущем обзоре прибавляют единицу, то есть m_i=m_i-1+1, с учетом полученных коэффициентов неоднозначности m_i вычисляют преобразованные значения радиальной скорости по формуле далее фиксированную выборку преобразованных значений радиальной скорости умножают на весовые коэффициенты оценивания первого приращения, и после суммирования этой взвешенной фиксированной выборки и деления на период обзора вычисляют оценку истинного радиального ускорения в середине интервала наблюдения по формуле в итоге по полученным оценкам радиальной скорости радиального ускорения и высоты по измеренным значениям дальности r_cp до БЦ в середине интервала наблюдения, а также по вычисленным значениям ускорения силы тяжести g_cp и геоцентрического угла ϕ_cp определяют значение модуля скорости БЦ в середине интервала наблюдения на невозмущенном пассивном участке баллистической траектории по формуле

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на интервале наблюдения осуществляют одновременную перестройку несущей частоты ƒ₀ высокочастотных импульсов передающего устройства РЛС и частоты повторения F_п этих импульсов, при этом значения ƒ₀ и F_п увеличивают или уменьшают в одинаковое число раз.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что вычисляют коэффициент неоднозначности радиальной скорости М_ср в середине интервала наблюдения путем деления оценки истинной радиальной скорости в середине интервала наблюдения, определяемой по фиксированной выборке измерений дальности, на максимальную измеряемую радиальную скорость по формуле , где int(*) означает операцию вычисления целой части от составной дроби, далее вычисляют уточненную оценку истинной радиальной скорости в середине интервала наблюдения по формуле , при этом знак противоположен знаку .

4. Устройство определения модуля скорости баллистической цели с использованием оценок ее радиального ускорения при неоднозначных измерениях радиальной скорости, содержит последовательно соединенные вычислитель высоты (блок 5), на первый и второй входы которого подают измерения дальности и угла места, ЦНРФ оценивания высоты БЦ в середине интервала наблюдения (блок 6), выход которого подключен к четвертому входу вычислителя модуля скорости БЦ в середине интервала наблюдения (блок 4), а также ко входу вычислителя геоцентрического угла (блок 7) и ко второму входу вычислителя ускорения силы тяжести (блок 8), первый вход которого соединен с первым выходом блока 7, а выход подключен к второму входу блока 4, третий вход которого соединен со вторым выходом блока 7, к первому входу блока 4 подключены последовательно соединенные делитель на период обзора (блок 3), ЦНРФ оценивания первого приращения (блок 2) и блок преобразования измерений радиальной скорости (блок 1), на вход которого подают измерения радиальной скорости, отличающийся тем, что в состав блока преобразования измерений радиальной скорости (блок 1) дополнительно введены последовательно соединенные вычислитель разности измерений радиальной скорости в соседних обзорах (блок 1.1), вычислитель межобзорного коэффициента неоднозначности (блок 1.2) и вычислитель преобразованной радиальной скорости (блок 1.3), вторые входы блоков 1.2 и 1.3 подключены к выходу дополнительно введенного вычислителя максимальной измеряемой радиальной скорости (блок 12), на первый и второй входы которого подают значения несущей частоты и частоты повторения РЛС, третий вход блока 1.2 подключен к выходу дополнительного введенного ЦНРФ оценивания второго приращения дальности, на вход которого подают измерения дальности, на пятый вход блока 4 подают измеренные значения дальности до БЦ в середине интервала наблюдения, к шестому входу блока 4 подключены дополнительно введенные, последовательно соединенные делитель на период обзора (блок 10) и ЦНРФ оценивания первого приращения дальности в середине интервала наблюдения (блок 9), на вход которого подают измерения дальности.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что к входу вычислителя максимальной измеряемой радиальной скорости (блок 12) подключен дополнительно введенный блок перестройки частот (блок 13).

6. Устройство по п. 4 или 5, отличающееся тем, что к выходу делителя на период обзора (блок 10) подключены дополнительно введенные, последовательно соединенные вычислитель коэффициента неоднозначности (блок 14) и сумматор (блок 15), выход которого подключен к шестому входу блока 4, вторые входы блоков 14 и 15 подключены к выходу блока 12, а на третий вход блока 15 подают измеренные значения радиальной скорости в середине интервала наблюдения.