СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ И ВЕКТОРОВ СКОРОСТЕЙ НЕСКОЛЬКИХ ОБЪЕКТОВ СИСТЕМОЙ ДОПЛЕРОВСКИХ ПРИЕМНИКОВ Российский патент 2023 года по МПК G01S3/46 G01S7/295 G01S13/48 G01S13/532 

Изобретение относится к многопозиционным полуактивным радиосистемам обнаружения движущихся воздушных объектов. Система наблюдения состоит из одной приемопередающей радиостанции и двух радиоприемников с антенными решетками (АР), принимающими сигналы отражения от нескольких движущихся воздушных объектов на заданных рубежах дальности.

Для обнаружения и нахождения пространственных координат воздушного движущегося объекта и вектора скорости его движения применяют активную систему позиционирования трех доплеровских приемопередающих радиостанций, каждая из которых определяет угловое направление на объект, радиальную дальность по задержке времени прихода зондирующего сигнала и в совокупности три станции определяют вектор скорости объекта на основе трех измеренных радиальных проекций вектора скорости [1]. В более экономичных полуактивных системах позиционирования использую внешний передатчик и несколько пространственно удаленных приемников. Так, в способе [2] четыре взаимно ориентированных приемника принимают отраженные сигналы от объектов, излученные внешним передатчиком. Приемники определяют орты векторов направлений на источники сигналов, группируют орты по принадлежности объектам и обнаруживают объекты по критерию сопряжения ортов с определением дальностей до объектов и пространственных координат. Для каждого обнаруженного объекта на основе запомненных в приемниках соответствующих доплеровских частот находят координаты вектора скорости из решения системы уравнений. Систему уравнений составляют с учетом разностей доплеровских частот и разностей ортов направлений на объект, что не требует знания положения передатчика. Однако наличие разностей приводит к неустойчивому обращению матрицы системы и большим ошибкам оценок координат вектора скорости. При этом ошибки оценок дальностей до объектов на основе сопряжения ортов направлений на объекты со стороны приемников сильно зависят от ошибок координат ортов.

В способе [3], в отличие от [2], при определении вектора скорости для одного объекта учитывают ориентацию передатчика и определяют орт направления на объект также со стороны передатчика, учитывают этот орт в сумме с ортами направлений на объект со стороны приемников в составе системы уравнений вместе с доплеровскими частотами, что приводит к устойчивому обращению матрицы системы. Рассмотрим способ [3] в качестве прототипа. Способ [3] сводится к следующим действиям.

1. Размещают в пространстве n приемников (n≥3) и m удаленных от приемников передатчиков (m≥1), взаимно ориентированных по углам в пространстве матрицами поворота осей координат.

2. Излучают зондирующие сигналы от каждого передатчика и принимают отраженные сигналы от одного объекта в приемниках, при этом измеряют и запоминают в приемниках доплеровские сдвиги частот. Определяют орты направлений на объект со стороны приемников и передатчика.

3. Решают систему уравнений с учетом суммы ортов передатчика и приемников, а также доплеровских частот и тем самым находят координаты вектора скорости объекта.

Данный способ обладает следующими недостатками.

1. В способе не указывается конкретное пространственное положение приемников и передатчиков.

2. Рассматривается наличие только одного объекта и не указывается способ его обнаружения и определения пространственных координат.

3. Не показывается возможность повышения разрешения по доплеровской частоте за счет согласованной работы приемников и передатчика при обработке принимаемых сигналов.

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение этих недостатков, а именно, расположение определенным образом приемников и передатчика, обнаружение нескольких объектов в контролируемой области с нахождением их пространственных координат и векторов скоростей, повышение разрешения по доплеровской частоте за счет согласованной работы приемопередающей станции и двух вспомогательных приемников.

Технический результат предлагаемого технического решения достигается применением способа определения координат и векторов скоростей нескольких объектов системой доплеровских приемников, который заключается в пространственном размещении взаимно ориентированных приемников и передатчика, излучении передатчиком зондирующего сигнала и приеме отраженных сигналов в приемниках, измерении доплеровских сдвигов частоты в приемниках и определении ортов направлений на источники сигналов с последующими операциями над ортами и доплеровскими частотами, отличающийся тем, что размещают приемопередающую станцию, излучающую сигнал в момент времени t₁ в заданном угловом направлении и принимающую отраженный сигнал на радиальной дальности r₁, и два удаленных от передатчика приемника так, чтобы линии визирования всех трех приемников, направленные в сторону зоны видимости передатчика, составляли между собой углы, близкие к 90°, при этом k-е приемники (k=1, 2, 3) преобразуют принятые сигналы в частотные спектры, затем выделяют спектральные составляющие на i-x доплеровских частотах f_i(k), на которых амплитуды спектральных составляющих превышают порог обнаружения ( m_k - число таких частот в k-м приемнике), при этом, если наличие объектов на дальности r₁ не обнаружено в спектре приемопередающей станции, то повторяют обработку сигнала, принятого на другой дальности, а если обнаружено, то по выделенным спектральным составляющим во всех приемниках определяют методом разности фаз орты i-x направлений на источники со стороны k-х приемников, также запоминают соответствующие им частоты f_i(k), k=1, 2, 3, далее путем перебора соединений k=1, 2, 3, в группы из трех векторов составляют частично пересекающиеся s-е наборы a_s(1), a_s(2), a_s(3), общим числом m, удовлетворяющие критерию сопряжения - направления на одни и те же объекты, и запоминают соответствующие этим наборам доплеровские частоты f_s(1), f_s(2), f_s(3), при этом число m принимают за оценку числа объектов, после чего для каждого s-го набора находят по критерию сопряжения векторов радиальные дальности r_s(2) и r_s(3) до каждого s-го объекта со стороны 2-го и 3-го приемников, причем дальность со стороны 1-го приемника известна: и вычисляют пространственные координаты обнаруженных объектов со стороны k-х приемников (k=1,2,3), которые пересчитывают в единую систему координат и усредняют, затем помещают координаты ортов в состав (3×3)-матрицы A_s и вычисляют вектор скорости каждого s-го объекта () по формуле V_s=λA_sF_s, где λ - длина волны, F_s - 3-вектор-столбец доплеровских частот f_s(1),f_s(2),f_s(3), далее повторяют все операции для последующих моментов времени зондирования t₂, t₃, …, t_N с приемом отраженных сигналов на меньших дальностях r₂, r₃, …, r_N, при этом, если отказывает приемопередающая станция, то повторяют все операции с участием резервной станции, ориентированной относительно приемников. Алгоритмически способ заключается в следующем.

1. Размещают приемопередающую станцию. Передатчик излучает зондирующий сигнал s(t) в заданном угловым направлении и принимает отраженный сигнал с временной задержкой τ₁=2r₁/с (с - скорость света) на радиальной дальности r₁. Размещают два удаленных от передатчика приемника так, чтобы линии визирования всех трех приемников, направленные в сторону зоны видимости передатчика, составляли между собой углы, близкие к 90°, что обеспечивает наилучшее разрешение по доплеровской частоте при их совместной работе.

2. k-е приемники (k=1,2,3) принимают отраженный сигнал в q-x элементах АР с временной задержкой или опережением - число приемных элементов), затем в трактах первичной обработки переводят принятые сигналы на промежуточную частоту и получают сигналы в цифровой форме где t_i - дискретные отсчеты времени, n - длина временной последовательности.

3. Временные последовательности преобразуют в частотные спектры и выделяют спектральные составляющие на i-x доплеровских частотах f_i(k), на которых амплитуды спектральных составляющих во всех спектрах q-x кагалов превышают порог обнаружения ( m_k - число таких частот в k-м приемнике). Если наличие объектов на дальности r₁ не обнаружено в спектре приемопередающей станции, то повторяют обработку сигнала, принятого на другой дальности. Если наличие обнаружено, то включают в работу два вспомогательных приемника.

4. На основе выделенных во всех приемниках спектральных составляющих определяют методом разности фаз координаты ортов i-x направлений на объекты со стороны k-х приемников (k=1, 2, 3). Запоминают соответствующие ортам доплеровские частоты f_i(k), k=1, 2, 3.

5. Осуществляют перебор соединений в группы из трех векторов и составляют частично пересекающиеся s-е наборы общим числом m, удовлетворяющие критерию сопряжения - направления на одни и те же объекты. Запоминают соответствующие этим наборам доплеровские частоты f_s(1),f_s(2),f_s(3), Число m принимают за оценку числа обнаруженных объектов.

6. Для каждого s-го набора находят по критерию сопряжения векторов радиальные дальности r_s(2), r_s(3) до каждого s-го объекта со стороны 1-го и 2-го приемников, причем дальность до 1-го известна: r_s(1)=r₁, а также пространственные координаты обнаруженных объектов

Координаты найденных векторов пересчитывают в единую систему координат и усредняют.

7. Для каждой s-й тройки помещают координаты ортов в состав (3×3)-матрицы A_s и вычисляют вектор скорости s-x объектов по формуле V_s=λA_sF_s, где λ - длина волны, a F_s - 3-вектор-столбец доплеровских частот f_s(1), f_s(2), f_s(3).

8. Повторяют операции для последующих моментов времени зондирования t₂, t₃, …, t_N с приемом отраженных сигналов на меньших дальностях r₂, r₃, …, r_N: r₁>r₂>…>r_N-1>r_N.

9. Если отказывает приемопередающая станция, то повторяют операции с участием резервной станции, ориентированной относительно приемников.

Расчетная часть

Модель принимаемого сигнала в q-м приемном элементе АР k-го приемника от одного точечного источника отражения в комплексной форме имеет следующий вид:

где в составе A_0k: γ - мультипликативный шум; U_0k=U₀(r_k,N₀) - амплитуда сигнала, зависящая от дальности r_k и мощности передатчика N₀; - диаграмма направленности k-й антенны, зависящая от угловых координат азимута ϕ и угла места θ источника в k-й антенной системе координат. В составе фазы ψ_qk: j - мнимая единица; ω₀ - несущая круговая частота; ξ_q=φ₀+η_q - случайная величина, зависящая от начальной фазы φ₀ и фазового шума η_q в q-м канале; τ_qk - время прихода отраженного сигнала в q-м приемном элементе АР k-го приемника.

Величина τ_q1 в приемнике, совмещенном с передатчиком, для точечного объекта, движущегося в текущий момент времени t с вектором скорости имеет вид

где δ_q(1) отклонение (с определенным знаком) фронта волны отраженного сигнала, достигшего центра q-го приемного элемента 1-го приемника, по сравнению с центром АР; - проекция вектора скорости объекта на направление от него к 1-му приемнику, совмещенному с передатчиком (радиальная скорость), выраженная через скалярное произведение векторов; - орт вектора направления на объект от 1-го приемника, зависящий от координат источника.

Величина τ_qk в пассивных приемниках будет

где r_k - радиальная дальность до объекта от k-го приемника;

- сумма проекций вектора скорости объекта на направление от него к передатчику и k-му приемнику;

- орт вектора направления на объект от k-то приемника.

С учетом (2) и (3) выражение фазы (1) запишется как

где учтем также ω₀=2πƒ₀=2πc/λ и определим доплеровский сдвиг частоты в k-х приемниках: ω_д(1)=2πƒ(1), ω_д(k)=2πƒ(k), k=2,3, или

После перехода на промежуточную частоту ω_пр<<ω₀ и дискретизации по времени выражения фаз (4) примут вид

Величина δ_q(k) в (6) содержит информацию о координатах a_kx и a_ky орта вектора направления на объект. Орт представлен как

где X_k,Y_k,Z_k - пространственные координаты источника в антенной прямоугольной системе координат k-го приемника.

Приемные элементы АР расположены на плоскости антенны в точках с координатами (х,у), которые описываются радиус-векторами тогда

При переходе к частотному спектру выделяются i-e спектральные составляющие в q-x каналах, амплитуды которых во всех Q каналах превышают порог обнаружения полезного сигнала ( m_k - число таких составляющих в k-м приемнике). Фазы выделенных составляющих имеют вид

При вычитании фаз (9) разных q-x каналов исключаются величины, не зависящие от q, и в функции разностей с учетом (8) находятся оценки координат ортов направлений на i-e источники с точностью до ошибок - разностей Δξ_q.

Критерий правильного сопряжения основан на следующем. Пусть три вектора выбраны правильно по направлению на один и тот же объект. Устанавливается парная связь между первым и вторым, а также между первым и третьим приемниками в единой (центральной) прямоугольной системе координат OXYZ в матричной форме:

где - 3x3-матрицы ворота осей антенных систем координат по отношению к центральной системе; а₁, а₂, а₃ - 3x1-векторы-столбцы координат ортов; b₁, b₂, b₃ - базовые векторы, соединяющие центр единой системы с центрами антенных систем координат; e₁₂, e₁₃ - 3x1-векторы-столбцы ошибок сопряжения указанных пар векторов.

В качестве критерия сопряжения пар векторов берется сумма квадратов норм векторов ошибок:

где Δb₁₂=b₂-b₁; Δb₁₃=b₃-b₁; Т - символ транспонирования.

Из необходимого условия существования экстремума функции (11)

находятся оценки дальностей

удовлетворяющие достаточному условию минимума (11)

Перебор троек векторов сопровождается вычислением показателя (11) для каждого соединения векторов с подстановкой вместо r₂, r₃ их оценок Из всех вариантов соединения векторов сохраняются те, показатель которых (11) не превышает заданного порога γ, назначаемого эмпирически. Тем самым исключаются заведомо ложные варианты, обусловленные сигналами, принятыми вне зоны видимости передатчика.

Из оставшихся вариантов выделяется первый с наименьшим значением показателя J и исключаются из дальнейшего рассмотрения варианты, имеющие с ним один или два общих векторов. Затем выделяется следующий такой вариант соединения векторов и так далее. Число m выделенных вариантов принимается за число обнаруженных объектов. Вычисляются векторы оценок пространственных координат обнаруженных объектов

в антенных системах координат приемников, которые усредняются при пересчете в единую систему координат.

Для каждой тройки векторов и соответствующей ей тройки доплеровских частот ƒ₁, ƒ₂, ƒ₃ находятся координаты вектора скорости каждого обнаруженного объекта. Для этого записываются равенства (5), выразив в них радиальные проекции вектора скорости через скалярное произведения вектора скорости на орты найденных направлений, представленных в единой системе координат:

или в матричной форме

Методом обратной матрицы находится оценка вектора скорости

Результаты обобщаются на случай N приемников (N>3). При этом система (10) представляется в виде N-1 векторных уравнений для N-1 пар векторов. Критерий (11) записывается в виде суммы N-1 квадратичных слагаемых и его минимизация приводит к оценкам Матрица А и вектор F в (12) будут содержать по N строк, а оценка вектора скорости найдется методом наименьших квадратов как

Повышение разрешающей способности по доплеровской частоте по совокупной работе трех приемников при наличии нескольких движущихся объектов объясняется следующим. Если два и более объектов движутся с близкими радиальными проекциями векторов скорости в направлении одного из приемников, например, совмещенного с передатчиком, то радиальные проекции векторов их скоростей на направления других приемников будут отличаться тем больше, чем ближе к 90° будут углы между линиями визирования приемников. Это отличие проявится в спектрах доплеровских частот.

Действительно, если один объект движется в направлении передатчика, а второй объект с такой же скоростью v движется с уклонением вектора скорости относительно первого на Δα градусов, то разность их доплеровских частот в спектре первого приемника составит

Такая же разность в спектре второго приемника, линия визирования которого составляет α градусов с линией визирования первого, будет

Дифференцированием Δƒ₂ по α при фиксированном Δα с раскрытием модуля найдем угол, обеспечивающий наибольшее различие доплеровских частот во втором приемнике: что для значений Δα=1°-10° дает углы α=85°-89,5°, близкие к 90°.

Замечание. Возможно альтернативное решение при наличии трех приемопередающих станций, как в [1], с последовательным излучением, но с учетом операций предлагаемого способа. При этом увеличится точность определения трех дальностей и улучшится разрешение по доплеровской частоте за счет увеличения Δƒ₂: Однако при этом в три раза повысится энергопотребление.

Выводы. Предложенный способ в отличие от трех приемопередающих станций позволяет с пониженными в три раза энергетическими затратами за счет использования одной приемопередающей станции и двух пассивных приемников обнаруживать одновременно несколько объектов с оцениванием их пространственных координат и векторов скоростей с повышенным разрешением по доплеровской частоте в каждый текущий момент времени. Способ может найти применение в существующих полуактивных или активных системах пеленгации движущихся объектов.

Литература

1. Бакулев П.А. Радиолокационные системы: учебник для вузов. М.: Радиотехника, 2007. 376 с.

2. Патент RU 2726321. Способ определения пространственного положения и скорости в группе объектов системой доплеровских приемников / Клочко В.К., Нгуен К.X. Приоритет 29.11.2019. Опубл. 13.07.2020. Бюл. №20.

3. Патент RU 2743896. Способ определения вектора скорости объекта многопозиционной доплеровской системой / Клочко В.К. Приоритет 25.05.2020. Опубл. 01.03.2021. Бюл. №7.

Изобретение относится к многопозиционным полуактивным радиосистемам обнаружения движущихся воздушных объектов. Техническим результатом является создание способа, позволяющего определить взаимное расположение приемников и передатчика, обнаружить несколько объектов в контролируемой области с нахождением их пространственных координат и векторов скоростей, а также повысить разрешение по доплеровской частоте за счет согласованной работы приемопередающей станции и двух вспомогательных приемников. Система наблюдения, реализующая заявленный способ, состоит из одной приемопередающей радиостанции и двух радиоприемников с антенными решетками, принимающими сигналы отражения от нескольких движущихся воздушных объектов на заданных рубежах дальности. Способ может быть использован в существующих полуактивных или активных системах пеленгации движущихся объектов.

Способ определения координат и векторов скоростей нескольких объектов системой доплеровских приемников, заключающийся в пространственном размещении взаимно ориентированных приемников и передатчика, излучении передатчиком зондирующего сигнала и приеме отраженных сигналов в приемниках, измерении доплеровских сдвигов частоты в приемниках и определении ортов направлений на источники сигналов с последующими операциями над ортами и доплеровскими частотами, отличающийся тем, что размещают приемопередающую станцию, излучающую сигнал в момент времени t₁ в заданном угловом направлении и принимающую отраженный сигнал на радиальной дальности r₁, и два удаленных от передатчика приемника так, чтобы линии визирования всех трех приемников, направленные в сторону зоны видимости передатчика, составляли между собой углы, близкие к 90°, при этом k-е приемники (k=1,2,3) преобразуют принятые сигналы в частотные спектры, затем выделяют спектральные составляющие на i-x доплеровских частотах ƒ_i(k), на которых амплитуды спектральных составляющих превышают порог обнаружения ( m_k - число таких частот в k-м приемнике), при этом если наличие объектов на дальности r₁ не обнаружено в спектре приемопередающей станции, то повторяют обработку сигнала, принятого на другой дальности, а если обнаружено, то по выделенным спектральным составляющим во всех приемниках определяют методом разности фаз орты i-x направлений на источники со стороны k-х приемников, также запоминают соответствующие им частоты ƒ_i(k), k=1,2,3, далее путем перебора соединений в группы из трех векторов составляют частично пересекающиеся s-e наборы a_s(1),a_s(2),a_s(3), общим числом m, удовлетворяющие критерию сопряжения – направления на одни и те же объекты, и запоминают соответствующие этим наборам доплеровские частоты при этом число m принимают за оценку числа объектов, после чего для каждого s-го набора находят по критерию сопряжения векторов радиальные дальности r_s(2) и r_s(3) до каждого s-го объекта со стороны 2-го и 3-го приемников, причем дальность со стороны 1-го приемника известна: и вычисляют пространственные координаты обнаруженных объектов со стороны k-х приемников (k=1,2,3), которые пересчитывают в единую систему координат и усредняют, затем помещают координаты ортов в состав (3×3)-матрицы A_s и вычисляют вектор скорости каждого s-го объекта по формуле V_s=λA_sF_s, где λ - длина волны, F_s - 3-вектор-столбец доплеровских частот ƒ_s(1), ƒ_s(2), ƒ_s(3), далее повторяют все операции для последующих моментов времени зондирования t₂, t₃, …, t_N с приемом отраженных сигналов на меньших дальностях r₂, r₃, …, r_N, при этом если отказывает приемопередающая станция, то повторяют все операции с участием резервной станции, ориентированной относительно приемников.