Способ определения координат радиолокационных станций контрбатарейной борьбы и устройство для его реализации Российский патент 2024 года по МПК G01S3/46 G01S3/72 G01S5/06 G01S13/46 

Область техники

Изобретение относится к области радиоэлектронной разведки (РЭР) излучающих радиоэлектронных средств радиосвязи, радиотелеуправления, радиолокации и может быть использовано для определения местоположения радиолокационных станций (РЛС) контрбатарейной борьбы (КББ) противника на основе угломерно-разностно-дальномерного метода определения местоположения источников радиоизлучений (ИРИ) при одновременном приеме прямого сигнала РЛС КББ и сигнала РЛС, отраженного от снаряда.

Уровень техники

В настоящее время одним из основных средств обнаружения огневых позиций артиллерии противника являются РЛС КББ, осуществляющие определение координат стреляющих огневых средств противника путем засечки артиллерийских снарядов на начальном участке траектории и проведении нескольких измерений его текущего положения с целью расчета траектории. На основе пролонгации и экстраполяции измерений параметров траектории определяются местоположение огневых средств и места возможного попадания снарядов, [см., например, Крупников А. Радиолокационные станции контрбатарейной борьбы основных зарубежных стран (рус.) // Зарубежное военное обозрение: журнал. - 2010. - Декабрь (№12). - С. 32-41]. При этом может автоматически определяться калибр боеприпаса и тип стреляющего орудия.

Для засечки огневых позиций артиллерии противника луч РЛС сканирует пространство над линией горизонта. При облучении снаряда формируется отраженный сигнал, который принимается РЛС. По отраженному сигналу осуществляется сопровождение цели в течение времени, необходимого для уточнения траектории полета снаряда, и вычисление методом экстраполяции координат огневой позиции, а также места падения снаряда.

Известен способ измерения взаимной задержки сигналов пакетных радиосетей в разностно-дальномерной системе местоопределения [см., например, патент РФ №2623094, МПК G01S 5/06, опубл. 22.06.2017, бюл. №18]. Способ предполагает прием периферийными пунктами приема разностно-дальномерной системы местоопределения (РДС МО) сигналов пакетных радиосетей, измерение времени прихода сигналов относительно единой шкалы времени, передачу по линии связи измеренных значений на центральный пункт приема и обработки, где вычисляются взаимные задержки сигналов, причем модуль взаимно-корреляционной функции (ВКФ) вычисляют с помощью парциальных ВКФ, чем достигается повышение точности измерения.

Недостатками способа является необходимость использования на всех пунктов приема системы единого времени с высокой точностью для измерения задержки сигналов. Отсутствие привязки по времени приводит к ошибкам оценки координат ИРИ.

Известен разностно-дальномерный способ определения координат ИРИ в пространстве и реализующее его устройство [патент РФ №2309420, МПК G01S 3/46, опубл. 27.10.2007, бюл. №30]. Сущность изобретения заключается в том, что в качестве поверхностей положения ИРИ используются плоскости, содержащие линию положения ИРИ, представляющую собой пересечение двух гиперболических поверхностей положения, соответствующих разностно-временным измерениям. Способ основан на приеме сигнала ИРИ четырьмя антеннами, измерении трех разностей времен приема сигнала ИРИ антеннами, образующими измерительные базы, последующей обработке результатов измерений с целью вычисления значений параметров положения ИРИ и вычислении координаты ИРИ как точки пересечения трех плоскостей положения. Предложенное устройство содержит четыре антенны, образующие три пары измерительных баз, расположенных в несовпадающих плоскостях, три вычислителя параметров положения ИРИ, вычислитель координат ИРИ в виде блока решения системы линейных уравнений и блок индикации. Достигаемым техническим результатом является обеспечение однозначного определения линейных координат объекта.

Недостатком указанного способа является сложность обеспечения (по условиям распространения радиоволн) одновременного приема сигнала наземного объекта четырьмя антеннами, разнесенными в пространстве.

Известен способ определения координат ИРИ в пространстве с кодовым и временным разделением каналов [патент РФ №2717231, МПК G01S 3/46, G01S 3/72, G01S 5/06, опубл. 19.03.2020, бюл. №8], обеспечивающий повышение точности их местоопределения. Технический результат способа достигается с помощью определения на подготовительном этапе центров элементарных объемов контролируемого района (X_i, Y_j, Z_k), на основе которых формируют матрицу координат, для каждого элемента (X_i, Y_j, Z_k) всех N измерительных баз «периферийный пункт приема - центральный пункт приема и обработки», определяют эталонные значения разности времени приема сигнала τ_{i, j, k, n}, формируют N эталонных матриц, элементами каждой из которых является соответствующее координатам (X_i, Y_j, Z_k) эталонное значение τ_{i, j, k, n}, а в процессе работы на основе рассмотренной совокупности операций по запоминанию и анализу принимаемых сигналов выделяют излучения только заданного ИРИ, вычисляют N ВКФ для соответствующих измерительных баз, формируют N корреляционных матриц путем замены элементов τ_{i, j, k, n}, эталонных матриц на соответствующие им измеренные значения ВКФ, суммируют полученные корреляционные матрицы, а за наиболее вероятное расположение заданного ИРИ принимают координаты точки (X_i, Y_j, Z_k), соответствующей максимальному значению элемента суммарной корреляционной матрицы.

Недостатком рассматриваемого способа является то, что необходимо осуществлять одновременный прием сигнала ИРИ четырьмя антеннами, разнесенными в пространстве, что затруднительно реализовать при определении координат наземного объекта. Кроме того, необходим большой объем вычислений при определении координат ИРИ.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является разностно-дальномерный способ определения координат источника радиоизлучения [см. патент РФ №2539968, МПК G01S 3/46, опубл. 27.01.2015, бюл. №3], который выбран в качестве прототипа.

Способ-прототип заключается в приеме сигналов ИРИ разнесенными в пространстве периферийными пунктами приема (ППП), связанными с центральным пунктом приема и обработки (ЦППО) командными линиями связи и линиями аналоговой ретрансляции сигналов, передаче по командным линиям связи с ЦППО на ППП команд настройки на частоту сигнала ИРИ, ретрансляции принятых в ППП сигналов ИРИ на ЦППО по линиям аналоговой связи, измерении на ЦППО разности времени приема сигналов в ППП и ЦППО, определяемом как аргумент максимизации модуля взаимно-корреляционной функции, и вычислении на их основе координат ИРИ.

Способ-прототип обеспечивает уменьшение объема вычислений при оценке временных задержек, принимаемых на ППП сигналов ИРИ в реализуемой ЦППО процедуре. Кроме того, периферийные пункты приема имеют простое техническое решение, включающее совокупность устройств приема радиосигналов ИРИ на фоне помех и организации аналоговых линий ретрансляции.

Недостатками прототипа являются необходимость использования на каждом ППП приемо-передающей аппаратуры с автономным или централизованным источником электропитанием, ограничивающая варианты развертывания системы на местности и время автономной работы, а также наличие демаскирующих признаков, обусловленных излучением аппаратуры связи и передачи информации. Для реализации способа необходимо не менее двух ППП.

Описание изобретения (сущность изобретения)

Основной задачей изобретения является разработка способа определения координат РЛС контрбатарейной борьбы противника на базе угломерно-разностно-дальномерной системы определения координат ИРИ с минимальным количеством автономных периферийных постов, без демаскирующих признаков при сохранении требуемой точности определения местоположения.

Техническим результатом при осуществлении способа является упрощение процедуры определения координат, сокращение количества периферийных постов приема (ППП) радиомониторинга с радиоприемным оборудованием угломерно-разностно-дальномерной системы определения местоположения ИРИ и повышение скрытности системы.

Технический результат достигается благодаря снижению аппаратурных затрат и повышения скрытности системы в целом за счет использования одной станции радиотехнической разведки (РТР) с пеленгатором, реализующей совместную обработку двухканальной антенно-фидерной системой и радиоприемным оборудованием прямого сигнала радиолокационной станции контрбатарейной борьбы, принимаемого опорным каналом, и отраженного от артиллерийского снаряда сигнала РЛС КББ, принимаемого вспомогательным каналом, вычисление координат РЛС КББ по известному пеленгу и задержке между прямым и отраженным принятыми сигналами РЛС КББ путем вычисления ВКФ, решении геометрической задачи аналитическим способом путем вычисления сторон треугольника, образуемого точками размещения станции РТР, снаряда и позиции РЛС КББ. Упрощение процедуры вычисления координат РЛС КББ заключается в том, что предложены аналитические формулы для вычисления дальности от станции РТР до РЛС КББ, а повышение скрытности обеспечивается за счет исключения ретрансляции сигналов, принятых периферийными постами приема на центральный пункт приема и обработки.

Определение координат ИРИ заявленным способом достигается следующим образом.

Станция РТР в своем составе имеет двухканальную антенно-фидерную систему с синхронно работающим радиоприемным оборудованием. Первый (опорный) канал станции РТР имеет в своем составе пеленгатор, определяющий направление на обнаруженную РЛС КББ, а второй (вспомогательный) канал направленную антенну, ориентированную в сторону снаряда - отражателя сигнала РЛС КББ, который выпущен нашей гаубицей с известными исходными установками для стрельбы (момент выстрела, начальная скорость, прицел), поэтому траектория и местоположение снаряда в каждый момент времени могут быть вычислены и считаются известными. Таким образом, станция РТР одновременно принимает прямой сигнал наземной РЛС КББ и сигнал, отраженный от снаряда с известными координатами. Раздельный прием прямого и отраженного сигналов обеспечивают путем пространственной селекции сигналов с использованием направленных антенных систем или фазированных антенных решеток [см., например, Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки: Введение в теорию. - М.: Радио и связь, 1986. С. 273-275]. Принятые станцией РТР сигналы подвергаются корреляционной обработке для определения разности времени приема прямого и отраженного сигналов, для этого на первый вход коррелятора подключен опорный канал, а на второй вход коррелятора вспомогательный канал, принимающий, сигнал РЛС КББ, отраженный от снаряда. По измеренной разности времени приема этих сигналов т, известным координатам снаряда - отражателя и направлению на РЛС КББ противника вычисляют координаты ИРИ аналитическим способом путем расчета сторон треугольника, образуемого точками размещения станции РТР, снаряда и позиции РЛС КББ.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 иллюстрируется «Способ определения координат наземных РЛС контрбатарейной борьбы и устройство для его реализации» и введены следующие обозначения:

X, Y, Z - оси координат трехмерного пространства;

А - место расположения станции РТР;

В - местонахождение снаряда - отражателя;

С - местонахождение РЛС КББ противника;

а - расстояние между станцией РТР и снарядом - отражателем;

b - расстояние между снарядом - отражателем и РЛС КББ противника;

х - расстояние между станцией РТР и РЛС КББ противника;

α_X, α_Y, α_Z - углы между направлением на снаряд - отражатель и соответствующими координатными осями;

β - азимут РЛС противника, определенный станцией РТР;

γ - пространственный угол между направлением на снаряд - отражатель и направлением на РЛС КББ.

Способ осуществляется при выполнении условий:

координаты станции РТР, расположенной в точке А, известны - A (X_РТР, Y_РТР, Z_РТР);

известен закон изменения координат снаряда - отражателя в точке В – B (X_B (t),Y_B (t), Z_B (t)).

Эти данные обеспечивают возможность вычисления дальности а от станции РТР до снаряда - отражателя с использованием известных формул аналитической геометрии.

Определение координат РЛС противника осуществляется следующим образом.

Измеренная разность хода Δ между прямым и отраженным сигналами определяется равенством:

где Δ=сτ; с - скорость света, τ - время задержки отраженного сигнала относительно прямого.

Из треугольника ABC по теореме косинусов получаем

Подставив значение х из формулы (1) в формулу (2), получаем

для γ≤90°

для γ≥90°

Подставив значение b в соотношение (1), получаем искомую дальность х от станции РТР до РЛС КББ. По полученной дальности и известному пеленгу определяются плоскостные полярные координаты РЛС КББ противника. Для движущегося по известной траектории снаряда - отражателя в вычислителе предварительно рассчитывается его положение и соответствующая дальность а

где В (X_B (t), Y_B (t), Z_B (t)) - координаты снаряда - отражателя;

A (X_РТР, Y_РТР, Z_РТР) - координаты станции РТР.

Для определения пространственного угла γ используем формулу, приведенную в «Справочник по математике для научных работников и инженеров под редакцией И.Г. Арамовича. Издательство «Наука», М. 1974 г., с. 85», для угла между двумя прямыми АВ и АС с направляющими косинусами соответственно cosα_X, cosα_Y, cosα_Z и cosβ_X, cosβ_Y, cosβ_Z:

Направляющие косинусы определяются следующим образом:

Для вектора, направленного от станции РТР с координатами A (X_РТР, Y_РТР, Z_РТР) на снаряд с известным законом изменения координат В (X_B (t),Y_B (t),Z_B (t)) направляющие косинусы вычисляются по следующим формулам:

Для вектора, направленного от станции РТР на РЛС КББ противника, находящихся на земле (в горизонтальной плоскости), направляющие косинусы имеют вид:

Таким образом, путем измерения разности времени приема прямого и отраженного от снаряда сигналов РЛС КББ вычисляют координаты РЛС КББ с использованием одной наземной станции РТР.

Осуществление изобретения достигают с использованием технических средств, представленных на фиг. 2, в состав которых входят:

1 - радиолокационная станция КББ противника;

2 - снаряд-отражатель;

3 - пост радиотехнической разведки;

4.1 - радиопеленгатор;

4.2 - радиоприемник с направленной антенной;

5 - коррелятор;

6 - вычислитель.

Устройство работает следующим образом:

Радиолокационная станция КББ противника 1, работая в режиме поиска целей сканирует в некотором азимутальном секторе и излучает радиолокационный сигнал, который обнаруживают радиопеленгатором 4.1 наземной станции РТР, измеряют его параметры (несущая частота, полоса частот), определяют пеленг на РЛС КББ, и принятый сигнал подается на первый вход коррелятора 5. Одновременно с этим сигнал РЛС КББ, попадая на снаряд 2, отражается от него в направлении РЛС 1, а также в направлении станции РТР 3, где принимается антенной системой второго приемника 4.2 и далее передается на второй вход коррелятора 5. В корреляторе вычисляют ВКФ прямого и отраженного сигналов, определяют таким образом время задержки отраженного сигнала относительно прямого. В вычислителе 6, на основании формул (1)…(10) определяют координаты РЛС, которые передают потребителю.

Способ пригоден для определения координат РЛС КББ, расположенных в пределах прямой радиовидимости станции РТР, а также при наличии снарядов, отражающих сигнал РЛС КББ.

Блоки, используемые в заявляемом способе, могут быть реализованы следующим образом.

Радиопеленгатор, включая антенную систему, может быть реализованы по схеме, приведенной [Рембовский A.M., Ашихмин А.В., Козьмин В.А. Радиомониторинг: задачи, методы, средства / Под ред. А.М. Рембовского. - М.: Горячая линия. 2006, с. 270].

Коррелятор 5 представляет собой класс устройств, широко используемых в средствах обработки сигналов многоканальных приемников [см., например, Ямпольский В.Г., Фролов О.П., Антенны и ЭМС. - М.: Радио и связь, 1983, с. 235 рис. 10.10, с. 240, рис. 10.16; Венскаускас К.К., Компенсация помех в судовых радиотехнических системах». - Л.: Судостроение, 1989, с. 111, рис. 2.31] и может быть реализован в виде последовательно соединенных умножителя и низкочастотного фильтра.

Вычислитель представляет собой специализированный процессор или ЭВМ.

Таким образом, реализация предложенного устройства не вызывает сомнений, так как для его изготовления используются типовые радиотехнические устройства и элементы цифровой техники.

В результате реализации предлагаемого способа могут быть определены координаты РЛС КББ с высокой точностью при использовании одной станции РТР, что позволит обеспечить ее уничтожение путем огневого налета артиллерии. Объединение предлагаемой станции РТР и артиллерийского орудия в систему позволит создать эффективный разведывательно-огневой комплекс для борьбы с РЛС КББ.

Изобретение относится к области радиоэлектронной разведки излучающих радиоэлектронных средств радиосвязи, радиотелеуправления, радиолокации и может быть использовано для определения местоположения радиолокационных станций (РЛС) контрбатарейной борьбы (КББ) на основе угломерно-разностно-дальномерного метода определения местоположения источников радиоизлучений (ИРИ) при условии одновременного приема прямого сигнала РЛС и сигнала РЛС, отраженного от снаряда. Технический результат заключается в упрощении процедуры определения координат, сокращении количества периферийных постов приема (ППП) радиомониторинга с радиоприемным оборудованием угломерно-разностно-дальномерной системы определения местоположения ИРИ и повышении скрытности системы. Заявленный способ определения координат РЛС КББ основан на приеме сигнала разнесенными ППП, связанными между собой линиями ретрансляции сигнала. В качестве одного пункта приема используют артиллерийский снаряд, от которого отражается сигнал РЛС КББ, а основной пункт приема - станция радиотехнической разведки (РТР), имеет две приемных антенны и два приемных канала - опорный и вспомогательный. В способе реализуют совместную обработку двухканальным радиоприемным оборудованием прямых и отраженных от снаряда сигналов РЛС КББ, определяют разность времени приема прямого и отраженного сигналов путем определения максимума взаимно корреляционной функции этих сигналов. Определение дальности от станции РТР до РЛС КББ осуществляют по измеренной задержке между прямым и отраженным сигналами РЛС КББ, принятыми станцией РТР, аналитическим способом путем вычисления сторон треугольника, образуемого точками размещения станции РТР, снаряда-отражателя и позиции РЛС КББ, а затем вычисления плоскостных координат РЛС КББ с учетом измеренного пеленга на РЛС. Заявлено также устройство для определения координат РЛС КББ, реализующее способ. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения координат радиолокационной станции (РЛС) контрбатарейной борьбы (КББ), основанный на приеме сигнала разнесенными периферийными пунктами приема (ППП), связанными между собой линиями ретрансляции сигнала, отличающийся тем, что в качестве одного пункта приема используют артиллерийский снаряд, от которого отражается сигнал РЛС КББ, а основной пункт приема - станция радиотехнической разведки (РТР), имеет две приемных антенны и два приемных канала - опорный и вспомогательный, осуществляют с помощью первой антенны и опорного приемного канала станции РТР разведку прямого сигнала РЛС КББ, определение азимута ее позиции, измерение несущей частоты и полосы сигнала, а сигнал РЛС КББ, отраженный от артиллерийского снаряда, движущегося по траектории с известными параметрами, которую рассчитывают по данным о направлении выстрела, начальной скорости снаряда и точном времени выстрела, принимают с использованием второй антенны, направленной на артиллерийский снаряд, и вспомогательного приемного канала, настроенного на несущую частоту и полосу сигнала РЛС КББ по данным опорного приемного канала, при этом сигнал, принятый опорным приемным каналом, поступает первый вход коррелятора, а сигнал, принятый вспомогательным приемным каналом, поступает на второй вход коррелятора, где путем вычисления взаимно корреляционной функции этих сигналов определяют разность времени приема прямого и отраженного от артиллерийского снаряда сигналов РЛС КББ, а затем определяют дальность от станции РТР до РЛС КББ и координаты РЛС КББ путем вычисления сторон треугольника «станция РТР - артиллерийский снаряд - РЛС КББ» с использованием теоремы косинусов:

где а - расстояние между станцией РТР и артиллерийским снарядом, которое предварительно рассчитывают для движущегося по известной траектории артиллерийского снаряда в вычислителе;

b - расстояние между артиллерийским снарядом и РЛС КББ;

х - расстояние между станцией РТР и РЛС КББ;

α_х, α_у, α_z - углы между направлением на артиллерийский снаряд и соответствующими координатными осями;

β - азимут РЛС КББ, определенный станцией РТР;

γ - пространственный угол между направлением на артиллерийский снаряд и направлением на РЛС КББ, определяемый по формуле с направляющими косинусами:

,

которые вычисляются по формулам:

где Х_ртр, Y_ртр, Z_ртр - координаты станции;

Х_B (t), Y_B (t), Z_B (t) - координаты артиллерийского снаряда с известным законом изменения,

и далее, подставив значение b в соотношение для расчета измеренной разности хода = а + b - х, где = сτ, с - скорость света, τ - время задержки отраженного от артиллерийского снаряда сигнала относительно прямого сигнала РЛС КББ, получают искомую дальность х от станции РТР до РЛС КББ, что в совокупности с азимутом β, определенным станцией РТР, дает полярные координаты РЛС КББ.

2. Устройство для определения координат РЛС КББ, реализующее способ по п. 1, включающее станцию радиотехнической разведки (РТР) 3, имеющую две приемные антенны (А1 и А2) и два приемных канала - опорный и вспомогательный, выход опорного канала (4.1), осуществляющего разведку и пеленгование направления на позицию РЛС КББ, подключен к первому входу коррелятора (5), а выход вспомогательного приемного канала (4.2), осуществляющего прием отраженного от артиллерийского снаряда сигнала РЛС КББ с помощью второй приемной антенны, направленной на траекторию движения снаряда, которую рассчитывают в вычислителе по данным о направлении выстрела, начальной скорости снаряда и точном времени выстрела, подключен ко второму входу коррелятора (5), с помощью которого определяют разность времени приема прямого и отраженного от артиллерийского снаряда сигналов РЛС КББ путем вычисления взаимно корреляционной функции этих сигналов и определения ее максимума, а затем по разности времени приема прямого и отраженного от артиллерийского снаряда сигналов РЛС КББ в вычислителе (6) определяют дальность от станции РТР до РЛС КББ и координат РЛС КББ путем вычисления сторон треугольника «станция РТР - артиллерийский снаряд - РЛС КББ» с использованием теоремы косинусов:

где а - расстояние между станцией РТР и артиллерийским снарядом, которое предварительно рассчитывают для движущегося по известной траектории артиллерийского снаряда в вычислителе;

b - расстояние между артиллерийским снарядом и РЛС КББ;

х - расстояние между станцией РТР и РЛС КББ;

α_х, α_у, α_z - углы между направлением на артиллерийский снаряд и соответствующими координатными осями;

β - азимут РЛС КББ, определенный станцией РТР;

γ - пространственный угол между направлением на артиллерийский снаряд и направлением на РЛС КББ, определяемый по формуле с направляющими косинусами:

,

которые вычисляются по формулам:

,

где Х_ртр, Y_ртр, Z_ртр - координаты станции;

Х_B (t), Y_B (t), Z_B (t) - координаты артиллерийского снаряда с известным законом изменения,

и далее подставляют значение b в соотношение для расчета измеренной разности хода = а + b - х, где = сτ, с - скорость света, τ - время задержки отраженного от артиллерийского снаряда сигнала относительно прямого сигнала РЛС КББ, получают искомую дальность х от станции РТР до РЛС КББ, что в совокупности с азимутом β, определенным станцией РТР, дает полярные координаты РЛС КББ.