Способ комплексирования пеленга и координат источника радиоизлучения Российский патент 2023 года по МПК G01S5/04 G01S7/292 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в многопозиционных системах радиомониторинга при комплексировании результатов пеленгования и определения координат источников радиоизлучения (ИРИ).

Для многопозиционных систем радиомониторинга одной из первостепенных является задача совместной обработки результатов пеленгования ИРИ. В ходе выполнения такой обработки определяются координаты источников. В условиях многоцелевой обстановки возрастает возможность ложного отождествления пеленгов и координат ИРИ, что определяет необходимость использования достоверных способов отождествления результатов пеленгования и определения координат ИРИ, основанных на учете статистических характеристик ошибок измерения указанных параметров [В.И. Меркулов, Д.А. Миляков, А.С. Пляшечник, В.С. Чернов Способы отождествления пеленгов в двухпозиционных угломерных системах радиомониторинга воздушного базирования. – Журнал радиоэлектроники, ISSN 1684-1719, №12, 2021 г.]. Ввиду их высокой эффективности достаточно широкое распространение на практике получили способы отождествления пеленгов с ИРИ, основанные на использовании эллиптической доверительной области (ДО), учитывающей статистические характеристики ошибок пеленгования и определения координат ИРИ (например [М.Л. Артемов, О.В. Афанасьев, Д.И. Воропаев, М.П. Сличенко, Е.С. Артемова Способ пространственного отождествления пеленгов с наземными источникам радиоизлучения. Патент РФ № 2731682, G01S 5/06]). В таких способах параметры ориентации и величины полуосей эллипса ДО зависят от величин ошибок пеленгования ИРИ, требуемой доверительной вероятности правильного отождествления и параметров взаимного расположения опорных точек пеленгования (мест расположения обнаружителей-пеленгаторов средств радиомониторинга) и ИРИ.

В многоцелевой обстановке важной частной задачей отождествления является отождествление одиночного измеренного пеленга с текущей оценкой координат ИРИ. Сложность решения такой задачи определяется тем, что в отличие от эллиптической ДО оценивания координат ИРИ, пеленгу в общем случае соответствует ДО более сложной геометрии, соответствующая изменению пеленга в пределах некоторого сектора относительно истинного значения. Однако, на практике отношение среднеквадратической ошибки (СКО) координат ИРИ к дальности до ИРИ (измеренной от точки расположения пеленгатора) является достаточно малой величиной (например, при СКО равной 0,5 км и дальности до ИРИ 10…15 км отношение СКО к дальности составляет 0,05…0,033). Это позволяет в пределах границ ДО оценки координат ИРИ для аппроксимации обозначенного углового сектора использовать эллиптическую ДО. В результате задача отождествления пеленга на ИРИ и координат ИРИ сводится к задаче отождествления двух оценок координат с различными эллиптическими ДО. Вместе с тем, по результатам отождествления пеленга и координат ИРИ требуется решить задачу комплексирования пеленга и координат ИРИ, т.е. получить уточненную оценку координат ИРИ и параметры ДО, соответствующей данной оценке.

Известен способ пространственной идентификации объектов с известными координатами по результатам многопозиционного пеленгования [Уфаев В.А. Способы определения местоположения и пространственной идентификации источников радиоизлучений: Монография. – Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА», 2017. – 431 с.]. В рамках данного способа предполагается, что система пеленгования включает пеленгаторов с известными собственными координатами , где . Измерения пеленгов выполняют относительно оси координат y по часовой стрелке.

Указанный способ пространственной идентификации объектов состоит в выполнении следующих процедур:

1. Определение значений пространственного функционала в точке расположения объекта и в точке оценочных координат по формуле:

,

где пеленг , проходящий через точку (x,y) из места расположения n-ого пеленгатора определяется по формуле:

,

σ – среднеквадратическая ошибка пеленгования ИРИ.

2. Оценивание координат ИРИ:

.

3. Сравнение разности этих значений с порогом идентификации h:

,

где h выбирается согласно критерию Неймана-Пирсона.

Основным недостатком данного способа является то, что при его применении к задаче отождествления и комплексирования текущего пеленга и текущей точки оценивания координат ИРИ он позволит использовать лишь величину угловых отклонений пеленгов от текущей точки. Вместе с тем, сама текущая точка определена с ошибкой, что требует учета для повышения достоверности отождествления и комплексирования. В рамках указанного способа учет статистических характеристик оценивания текущих координат ИРИ не предусмотрен. Указанный недостаток является достаточно принципиальным и в целом ограничивает возможность эффективного применения способа при комплексировании результатов многократного пеленгования и определения координат ИРИ в аппаратуре средств радиомониторинга в условиях многоцелевой обстановки.

Известен способ комплексирования результатов пеленгования и определения координат ИРИ [Weighted combination for multiple fixes. Zhang Xinghu, Ng Hang Sun, Sharon Tan Sihong. DSO National Laboratories. XV international conference of combination information, 2012. p.1158-1163.], принятый за прототип.

На фиг.1 приведена иллюстрация способа-прототипа, где введены следующие обозначения:

 – текущая оценка координат ИРИ;

 – текущая оценка пеленга на ИРИ;

 – предполагаемые координаты ИРИ, выбранные на линии пеленга ;

 – координаты пеленгатора;

 – уточненная по результатам комплексирования оценка координат ИРИ.

В способе-прототипе задача комплексирования координат ИРИ и пеленга φ на ИРИ заключается в выполнении следующих процедур:

1. Нахождение координат точки – проекции текущих оценок координат ИРИ на линию пеленга по формуле:

;

2. Аппроксимирование ДО, относящейся к оценке координат ИРИ, круговой ДО и вычисление ее радиуса по формуле:

,

где , – СКО пеленгования,

– расстояние от точки пеленгования ИРИ до точки .

3. Вычисление матрицы параметров ДО, относящейся к оценке , по формуле .

4. Нахождение уточненных координат ИРИ по формуле:

,

где ; и  – весовые коэффициенты, характеризующие степень достоверности измеренных параметров (координат ИРИ и пеленга);  –  матрица параметров ДО в текущей точке оценивания координат ИРИ.

5. Нахождение матрицы параметров ДО уточненной оценки координат ИРИ по формуле:

.

Таким образом, результатом комплексирования являются уточненные координаты ИРИ с эллиптической ДО, характеризуемой матрицей параметров .

Основным недостатком способа-прототипа является то, что он основан на аппроксимации углового сектора ошибок пеленгования круговой ДО. Это в большинстве случаев не позволяет учесть значительную область сектора за границами круговой ДО с ненулевой вероятностью нахождения ИРИ. Такая ДО не отвечает статистическим характеристикам распределения пеленгов относительно истинного значения и основывается на предложенном авторами геометрическом подходе, в общем случае игнорирующим асимметрию в распределении апостериорной вероятности нахождения ИРИ относительно линии пеленга. В условиях многоцелевой обстановки использование такой ДО может привести к увеличению ошибок определения координат ИРИ и, как следствие, к повышению вероятности ложного отождествления пеленгов и координат ИРИ.

Указанный недостаток является принципиальным и ограничивает возможность применения способа-прототипа в многоканальных моноимпульсных ОП систем радиомониторинга при комплексировании результатов многократного пеленгования и определения координат ИРИ в аппаратуре средств радиомониторинга в условиях многоцелевой обстановки.

С целью устранения недостатков прототипа необходимо в рамках теории статистической радиотехники разработать новый способ, учитывающий изменение параметров и ориентации ДО координат ИРИ с течением времени.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение достоверности и точности определения координат ИРИ.

Для решения поставленной задачи в способе комплексирования пеленга и координат ИРИ, включающем нахождение координат точки – проекции текущих оценок координат ИРИ на линию пеленга, аппроксимирование доверительной областью (ДО), относящейся к оценке координат ИРИ, вычисление матрицы параметров ДО, относящейся к оценке , нахождение уточненных координат ИРИ, нахождение матрицы параметров эллиптической ДО уточненной оценки координат ИРИ согласно изобретению, что аппроксимируют угловой сектор доверительной области пеленга, относящейся к оценке координат ИРИ, эллиптической доверительной областью, ориентированной вдоль пеленга и накрывающей область проекции текущего эллипса ошибок координат на луч измеренного пеленга, вычисляют матрицу параметров эллиптической ДО, относящейся к оценке , по формуле:

,

где ,

,

 – радиус-вектор до предполагаемых координат ИРИ, выбранных на линии пеленга ;

r – радиус-вектор до координат обнаружителя-пеленгатора,

 – средняя квадратическая ошибка пеленгования ИРИ,

 – матрица корреляции оценок координат ИРИ:

U – матрица производных измеренных пеленгов по координатам ИРИ,

 – диагональная матрица корреляции оценок пеленгов на ИРИ.

1. Нахождение координат точки – проекции текущих оценок координат ИРИ на линию пеленга по формуле:

, (1)

где  – текущая оценка координат ИРИ;

 – текущая оценка пеленга на ИРИ;

 – предполагаемые координаты ИРИ, выбранные на линии пеленга ;

 – координаты пеленгатора;

2. Аппроксимирование ДО, относящейся к оценке координат ИРИ, эллиптической ДО.

3. Вычисление матрицы параметров эллиптической ДО, относящейся к оценке , по формуле:

, (2)

где ,

,

 – радиус-вектор точки предполагаемых координат ИРИ, выбранных на линии пеленга ;

r – радиус-вектор точки координат ОП,

 – СКО пеленгования ИРИ,

 – матрица корреляции оценок координат ИРИ:

,

U – матрица (размера , где M количество точек пеленгования ИРИ) производных измеренных пеленгов по координатам ИРИ,

 – диагональная матрица корреляции оценок пеленгов на ИРИ.

4.  Нахождение уточненных координат ИРИ по формуле:

, (3)

где ; и  – весовые коэффициенты, характеризующие степень достоверности измеренных параметров (координат ИРИ и пеленга).

5.  Нахождение матрицы параметров эллиптической ДО уточненной оценки координат ИРИ по формуле:

.(4)

Таким образом, результатом комплексирования являются уточненные координаты ИРИ с эллиптической ДО, характеризуемой матрицей параметров .

Предлагаемый способ комплексирования результатов пеленгования и координат ИРИ лишен перечисленных выше недостатков прототипа – основан на аппроксимации углового сектора доверительной области пеленга в виде эллиптической ДО, ориентированной вдоль пеленга и накрывающей область проекции текущего эллипса ошибок координат на луч измеренного пеленга, что позволяет повысить достоверность отождествления пеленга и координат ИРИ.

На фиг. 2а, 2б приведена иллюстрация отличия предлагаемого способа комплексирования от прототипа. Видно, что способ-прототип (фиг. 2а) основан на аппроксимации углового сектора ошибок пеленгования круговой ДО ошибки, что в большинстве случаев не позволяет учесть значительную область сектора за границами круговой ДО с ненулевой вероятностью нахождения ИРИ. Предлагаемый способ (фиг. 2б) использует аппроксимацию сектора в виде эллиптической ДО, ориентированной вдоль оси пеленга и накрывающей область проекции текущего эллипса ошибок координат на луч измеренного пеленга.

Схема устройства для реализации предлагаемого способа представлена на фиг. 3, где обозначено:

1 - первое запоминающее устройство;

2 - первый вычислитель;

3 - второй вычислитель;

4 - третий вычислитель;

5 - четвертый вычислитель;

6 - второе запоминающее устройство.

Устройство (обнаружитель-пеленгатор) содержит последовательно соединенные первое запоминающее устройство 1, первый вычислитель 2, второй вычислитель 3, третий вычислитель 4, четвертый вычислитель 5 и второе запоминающее устройство 6. Выход запоминающего устройства 6 является выходом устройства.

Устройство для реализации заявляемого способа работает следующим образом.

Первое запоминающее устройство 1 содержит массивы, хранящие радиотехнические параметры и координаты ИРИ. Первый вычислитель 2 осуществляет вычисление координат точки (формула 1). Второй вычислитель 3 выполняет аппроксимацию точки эллиптической ДО, а так же производит вычисление матрицы параметров ДО (формула 2). Третий вычислитель 4 осуществляет нахождение уточненных координат ИРИ (формула 3). Четвертый вычислитель 5 производит вычисление матрицы параметров эллиптической ДО уточненной (формула 3) оценки координат ИРИ (формула 4). Второе запоминающее устройство 6 хранит результаты комплексирования – уточненные координаты ИРИ с эллиптической ДО, характеризуемой матрицей параметров .

Выбор способов определение пеленга и координат ИРИ (результаты хранит первое запоминающее устройство 1) не является принципиальным. Например, возможные способы определения значений азимута и угла места ИРИ с борта летательного средства изложены в [Наумов А.С., Елизаров В.В. Определение координат источника радиоизлучения при пеленговании с ЛПС. – Успехи современной радиоэлектроники, 2015, №7, с.56-61], [Березин А.В., Богданов Ю.Н., Вассенков А.В., Виноградов А.Д., Дмитриев И.С., Попов С.А. Способ определения координат наземного источника радиоизлучения при радиопеленговании с борта летательного аппарата. Патент РФ №2610150, G01S 1/08], [Артемов М.Л. Афанасьев О.В., Сличенко М.П., Артемова Е.С. Способ обнаружения и азимутального пеленгования наземных ИРИ многоканальным пеленгатором с летно-подъемного средства. Патент РФ №2732505, G01S 5/04].

В качестве способов определения координат ИРИ по результатам пеленгования можно использовать, например, изложенные в [В.С. Кондратьев, А.Ф. Котов, Л.Н. Марков. Многопозиционные радиотехнические системы. – М. Радио и связь, 1986. – 264 с.], Уфаев В.А., Уфаев Д.В. Способ обнаружения и определения местоположения источника радиоизлучения. Патент РФ № 2263928, G01S 5/04], [Артемов М.Л. Афанасьев О.В., Сличенко М.П., Дмитриев И.С., Артемова Е.С. Угломерно-корреляционный способ определения местоположения наземных источников радиоизлучения. Патент РФ №2764149, G01S 5/02], [Артемов М.Л. Афанасьев О.В., Сличенко М.П., Артемова Е.С. Способ одноэтапного адаптивного определения координат источников радиоизлучений. Патент РФ 2768011, G01S 5/04].

Результаты моделирования предлагаемого способа. В среде Mathcad 15.0 проводилось математическое моделирование предлагаемого способа комплексирования пеленга и координат источника радиоизлучения и прототипа. На фиг. 4 – 6 представлены иллюстрации принципов комплексирования. Антенные системы пеленгаторов предполагались одинаковыми невзаимодействующими семиэлементными эквидистантными кольцевыми решетками; отношение радиуса решетки к длине радиоволны ИРИ составляло 1. Координаты пеленгатора, км: (0; 0), координаты ИРИ (10.607, 10.607). Азимутальное направление на ИРИ составляло 45 град.

На фиг. 4 проиллюстрированы исходные данные для комплексирования: пеленг на ИРИ – СКО пеленгования составляло 2 град.; координаты ИРИ, характеризующееся эллиптической доверительной областью, матрица корреляции оценок координат ИРИ , , , .

На фиг. 5 представлены результаты моделирования аппроксимации углового сектора ошибок пеленгования эллиптической (предлагаемый способ) и круговой (способ-прототип) ДО. Матрица параметров эллиптической ДО .

На фиг. 6 приведена иллюстрация результатов комплексирования пеленга и координат ИРИ: найдены уточненные координаты ИРИ (формула 3), матрица параметров эллиптической ДО уточненной оценки координат ИРИ (формула 4).

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в многопозиционных системах радиомониторинга при решении задачи отождествления результатов пеленгования и определения координат источников радиоизлучения по принадлежности к одному источнику. Технический результат заключается в повышении достоверности отождествления результатов пеленгования и определения координат источников радиоизлучения по принадлежности к одному источнику. В заявленном способе реализуют отождествление пеленга и координат источника радиоизлучения с использованием доверительной области, форма и параметры которой учитывают особенности закона распределения пеленга и оценок координат на плоскости. 6 ил.

Способ комплексирования пеленга и координат источника радиоизлучения (ИРИ), включающий нахождение координат точки – проекции текущих оценок координат ИРИ на линию пеленга, аппроксимирование доверительной областью (ДО), относящейся к оценке координат ИРИ, вычисление матрицы параметров ДО, относящейся к оценке , нахождение уточненных координат ИРИ, нахождение матрицы параметров эллиптической ДО уточненной оценки координат ИРИ, отличающийся тем, что аппроксимируют угловой сектор доверительной области пеленга, относящейся к оценке координат ИРИ, эллиптической доверительной областью, ориентированной вдоль пеленга и накрывающей область проекции текущего эллипса ошибок координат на луч измеренного пеленга, вычисляют матрицу параметров эллиптической ДО, относящейся к оценке , по формуле:

,

где ,

,

 – радиус-вектор до предполагаемых координат ИРИ, выбранных на линии пеленга ;

r – радиус-вектор до координат обнаружителя-пеленгатора,

 – средняя квадратическая ошибка пеленгования ИРИ,

 – матрица корреляции оценок координат ИРИ:

U – матрица производных измеренных пеленгов по координатам ИРИ,

 – диагональная матрица корреляции оценок пеленгов на ИРИ.