Методы, модели и алгоритмы просветной радиолокации Ковалев Федор Николаевич

Содержание к диссертации

Введение

1 Системный подход к исследованию и анализу просветных радиолокаторов

1.1 Вводные замечания 19

1.2 Просветный радиолокатор радиотехническая система извлечения информации 20

1.3 Основная идея просветной радиолокации. Теневое поле и бистатическая ЭПР 28

1.4 Хронологический анализ просветных систем

1.4.1 Просветный радиолокатор - исходный пункт развития радиолокации и радиолокационных систем 32

1.4.2 Самолеты Stealth 35

1.4.3 Место просветных РЛС в системе противодействия малозаметным объектам 37

1.4.4 Модель эволюции систем радиолокации на просвет 41

1.5 Модели просветной системы 44

1.5.1 Модель черного ящика. Обобщенные модели просветной системы на этапе проектирования 44

1.5.2 Модель состава и структурная схема просветного радиолокатора. Исходные предпосылки к созданию динамических моделей радиолокатора 49

1.6 Проблемы просветной радиолокации 56

1.7 Цели и задачи при построении и исследовании систем радиолокации на просвет 63

1.7.1 "Дерево целей" при создании и изучении просветных радиолокаторов з

1.7.2 Анализ и выбор вариантов построения просветной радиолокационной системы 68

1.7.3 "Дерево целей" для разработки и исследования системы определения координат просветных радиолокаторов 75

1.8 Особенности применения интерференционного метода измерения дальности в просветной системе. Уточнение "дерева целей" 79

1.8.1 Приемник на нулевых биениях: достоинства и недостатки 80

1.8.2 Интерференционный метод измерения дальности и ограничения на характер движения лоцируемого объекта 86

1.8.3 Способы организации просветных систем с двумя приемниками. Уточнение "дерева целей" 90

1.8.4 Анализ степени проработанности некоторых вопросов построения просветных радиолокаторов 97

1.9 Базовые модели движения объекта и закономерности изменения первичных параметров 103

1.9.1 Система координат и модели движения объекта 104

1.9.2 Способы задания закона движения объекта 105

1.9.3 Закономерности изменения во времени доплеровской частоты и угловой координаты 108

1.10 Управление основными компонентами и структурой просветного радиолокатора 111

1.10.1 Управление позициями 111

1.10.2 Управление сигналом 114

1.11 Выводы 116

2 Простейшая просветная бистатическая система 118

2.1 Вводные замечания 118

2.2 "Дерево целей" при построении и исследовании системы 119

2.3 Структура обработки сигнала 122

2.4 Зона действия просветного радиолокатора. Управление размерами и формой зоны действия 126

2.5 Потенциальная точность определения параметров траектории объекта (по измерениям доплеровской частоты) 146

2.6 Информационная емкость и алгоритмы определения параметра т - момента пересечения объектом линии базы 151

2.7 Выводы 161

3 Угломерно-дальномерная бистатическая система 164

3.1 Вводные замечания 164

3.2 Основные направления исследования системы 166

3.3 Точность определения местоположения объекта в бистатической РЛС 168

3.4 Особенности определения местоположения в бистатической РЛС с измерениями доплеровской частоты и направления прихода рассеянного сигнала. Формулы приближенного расчета координат объекта 180

3.5 Варианты формул расчета координат без использования оценок момента пересечения объектом линии базы 187

3.6 Потенциальная точность траекторных параметров в бистатической системе с измерениями

доплеровской частоты и угла 197

3.7 Выводы 204

4 Просветные многопозиционные радиолокационные системы 207

4.1 Вводные замечания 207

4.2 Виды просветных многопозиционных РЛС 208

4.3 Потенциальная точность определения текущих координат объекта

методом максимального правдоподобия 214

4.4 Трехпозиционная просветная РЛС. Суммарно-дальномерный метод определения местоположения объекта 219

4.5 Расчет координат на основе понятия угловой скорости 231

4.6 Алгоритм определения координат объекта на основе измерения угловой скорости и моментов пересечения отрезков между передатчиком и приемниками 238

4.7 Пример алгоритма определения координат объекта методом максимального правдоподобия

в просветной многопозиционной РЛС 245

4.8. Организация когерентно-импульсного режима работы просветного радиолокатора. Временное разделение сигналов 252

4.9 Выводы 258

5 Измерение угловых координат в просветных радиолокаторах 261

5.1 Вводные замечания 261

5.2 Синтез фазовых устройств измерения угла 263

5.3 Интегральный доплеровский метод измерения угловых координат в просветных радиолокаторах 267

5.4 Метод измерения разности расстояний до объекта в просветной разнесенной РЛС с предварительной оценкой суммарных дальностей 273

5.5 Устранение неоднозначности угловых измерений в просветном радиолокаторе с антенной решеткой 281

5.6 Определение знака угла в фазовых пеленгаторах 291

5.7 Выводы 29

5 6 Определение координат маловысотных и маневрирующих объектов 297

6.1 Вводные замечания 297

6.2 Влияние высоты полета объекта. Определение координат в трехкоординатной бистатической РЛС 298

6.3 Расчет координат маневрирующей цели 301

6.4 Потенциальная точность определения координат маневрирующей цели 304

6.5 Выводы 308

7 Вопросы использования модулированных зондирующих сигналов в просветной радиолокации 310

7.1 Вводные замечания 310

7.2 Поиск сигналов и методов измерения дальности в просветных РЛС. Двухчастотный фазовый метод измерения дальности 311

7.3 Частотный метод измерения дальности в просветных РЛС 316

7.4 Потенциальная точность определения параметров траектории объекта по измерениям задержки рассеянного сигнала 319

7.5 Выводы 322

8 Синтез просветного радиолокатора (с монохроматическим излучением) 324

Заключение 333

Список использованных источников

• Модель черного ящика. Обобщенные модели просветной системы на этапе проектирования
• Зона действия просветного радиолокатора. Управление размерами и формой зоны действия
• Варианты формул расчета координат без использования оценок момента пересечения объектом линии базы
• Устранение неоднозначности угловых измерений в просветном радиолокаторе с антенной решеткой

Введение к работе

Актуальность темы. Просветные радиолокаторы представляют собой сложные радиотехнические устройства извлечения информации, которые основаны на излучении, рассеянии и приеме электромагнитных волн. Актуальность исследования просветных радиолокаторов связана с созданием высокоэффективных систем малой излучаемой мощности, в том числе систем, способных обнаруживать и сопровождать объекты, выполненные по технологии Stealth [19,20].

Изначально эксперименты по обнаружению объектов с использованием радиоволн начинались с просветной схемы наблюдения, представляющей собой передатчик и удаленный от него приемник. Регистрация объекта происходит при пересечении им отрезка между передатчиком и приемником. Такая схема была рассмотрена уже в первых опытах Г. Герца по излучению и приему электромагнитных волн и в экспериментах А.С. Попова по радиосвязи [3,9]. К радиолокационным системам (РЛС) просветного типа также относятся и первая выпущенная серийно отечественная радиолокационная станция наземного базирования с непрерывным излучением РУС-1 и американская РЛС AN/FPS-23 ("Fluttar") [9,23]. Однако последующее развитие радиолокации пошло по пути создания и совершенствования импульсных совмещенных (однопозиционных) радиолокаторов, считавшихся в сороковые - пятидесятые годы прошлого века более передовыми по отношению к радарам первого поколения.

В 70 - 80-е годы интерес к просветным РЛС возродился в связи с появлением самолетов-невидимок Stealth и уникальными возможностями просветных радиолокаторов по обнаружению черных тел [2,20]. Актуальность исследования просветных систем отмечали П.А.Уфимцев, В.Я. Аверьянов, J. Glaser, К. Siegel и другие ученые. В последние годы важные результаты по просветной радиолокации получены отечественными учеными и инженерами: А.Б. Бляхма-ном, В.В. Чапурским, А.Г. Рындыком, Г.А. Андреевым, В.И. Костылевым, Ю.А. Олениным и др.

В настоящее время исследования в области просветных систем активно ведутся в разных странах, разрабатываются возможные способы построения и применения просветных радиолокаторов; продолжают выходить публикации [1,7,11,12,27,28,29,А10,А12,А21 и др.]. Вместе с тем, для более полного выявления возможностей предложенных в публикациях методов нужен их системный анализ. Он во многом облегчит разработку просветных РЛС, в том числе разработку алгоритмов обработки сигнала и алгоритмов траекторной обработки, позволит выявить новые, более совершенные алгоритмы и подходы к организации просветных систем.

Системный анализ дает уникальный шанс быстрого и всестороннего изучения просветных радиолокаторов, несмотря на то, что просветная радиолокация долгое время находилась "в тени" быстро развивающихся совмещенных РЛС. С другой стороны, развитые в "традиционной" радиолокации средства и методы (прежде всего высокоскоростные вычислительные средства большой мощности) также в значительной степени стимулируют прогресс просветных

систем. Системное изучение просветной радиолокации и методов определения координат позволит более четко определить их место в современной и будущей радиолокации, выявить, как и насколько тесно следует интегрировать просвет-ные РЛС в системы более высокого уровня (в том числе в многопозиционные РЛС и более крупные образования - радиолокационные поля), что следует ожидать от просветных систем при различных сценариях развития воздушных объектов и их характеристик.

Цели и задачи диссертационной работы

Целью диссертационной работы является разработка методов просветной радиолокации и алгоритмов определения координат и параметров траектории объектов посредством системного анализа её проблем и задач, а также создание многоуровневой системы радиолокаторов с разными количеством позиций и возможностями по оценке координат для повышения эффективности использования радиолокаторов и совершенствования процесса их создания.

Объект исследования - радиолокационные системы, использующие схему наблюдения "на просвет" для обнаружения и сопровождения радиолокационных целей.

Предметом исследования являются способы организации просветных систем, модели, методы и алгоритмы измерения координат объектов, образующие единое научное направление, подлежащее изучению методами системного анализа.

Указанная цель достигается решением следующих задач:

1. Определить основные причины ограничений возможностей просветной радиолокации и выявить их внутренние взаимосвязи.

2. Определить основные подсистемы, модули и их связи, совокупность которых потенциально позволяет решать задачу определения координат объектов. Рассмотреть способы формирования просветных систем с использованием известных в радиотехнике методов и средств и выбрать из них наиболее перспективные для решения задачи определения координат и траекторных параметров объекта исходя из проблем просветной радиолокации.

3. Построить "дерево целей", систематизирующее исследование, и сформулировать набор показателей эффективности функционирования просветных радиолокаторов.

4. Определить основные характеристики и потенциальные возможности доплеровского радиолокатора с одним передатчиком и одним приемником как основного функционального модуля просветных систем.

5. На основе выделенных средств и методов радиолокации и радиотехники разработать методы определения координат в двух- и трехкоординатных радиолокаторах с различным числом приемников. Указать взаимосвязь методов.

6. Определить ограничения и преимущества различных методов определения координат и траекторных параметров; создать основу для системы принятия решений в пользу того или иного метода и способа организации как вторичной обработки информации, так и в целом радиолокатора.

7. Определить потенциальные недостатки систем с монохроматическим излучением и провести сравнительный анализ возможности использования в просветных РЛС альтернативных типов зондирующих сигналов, предварительно разработав соответствующие методы определения координат и траекторных параметров.

Методы исследования. Решение обозначенных задач основано на применении теории системного анализа, теории управления, теории вероятностей, теории скалярного поля, теории радиотехнических систем, теории распространения радиоволн, а также на использовании методов экспериментального анализа и статистической обработки результатов эксперимента, методов математического моделирования.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов определяется использованием математического аппарата, экспериментальной проверкой, сравнительным анализом с результатами известных разработок и современных исследований, научными работами и их апробацией на научных конференциях.

Научная новизна

7. Впервые предложено использовать методы системного анализа для исследования и разработки просветных радиолокационных комплексов, что позволяет в наиболее полном объеме реализовать потенциальные возможности просветных радиолокаторов, а также формулировать требования к подсистемам, реализующие эффективные режимы функционирования всего радиолокационного комплекса.

8. Предложены категории радиотехнических методов и средств, позволяющие на основе анализа особенностей просветной радиолокации осуществлять выбор эффективных способов организации модуля оценки траекторных параметров просветного радиолокатора, исходя из его назначения.

9. Предложено несколько новых алгоритмов определения координат в просветной РЛС с измерениями доплеровской частоты и направления прихода рассеянного сигнала, отличающиеся от применяемых ранее алгоритмов методикой получения начальной оценки координат и расчетом траекторных параметров в центре интервала аппроксимации первичных измерений и дающие значительную экономию вычислительных ресурсов системы.

10. Предложены новые методы и алгоритмы определения координат в просветных РЛС с синхронными измерениями доплеровской частоты в двух и более разнесенных приемниках. Схемы радиолокатора с двумя и более приемниками и измерениями доплеровской частоты следует рассматривать в качестве альтернативных вариантов по отношению к схеме построения радиолокатора с измерениями доплеровской частоты и направления прихода рассеянного сигнала.

11. Получена методика оценки точности определения местоположения и расчета допустимых ошибок измерения первичных параметров в просветных бистатических системах. В основу методики положены формулы градиентов скалярных функций угла и бистатической дальности.

6. Предложен ряд новых фазовых способов определения угловых координат в просветных радиолокаторах, основанных на сравнении фаз доплеровских биений с нескольких разнесенных приемников и упрощающих схемы организации приемной части радиолокаторов.

7. Предложен новый способ организации временного разделения сигналов в РЛС с несколькими передатчиками, отличающийся от применяемого в многопозиционной радиолокации частотного способа использованием прерывистого излучения.

8. Предложен вариант снятия ограничений по сопровождению объектов до линии базы за счет использования частотно-модулированных зондирующих сигналов и зондирования на двух гармониках.

Некоторые из разработанных методов и подходов могут найти применение не только в системах радиолокации на просвет, но и в многопозиционной радиолокации и в радионавигации. Такими могут быть, например, подходы к формированию модели эволюции и классификации сложных систем, методы разрешения неоднозначности в фазовых пеленгаторах с большой базой.

Практическая значимость

Практическая значимость работы состоит в системном подходе к вопросу организации просветных РЛС, а также в разработанных методах и алгоритмах определения координат и траекторной обработки в целом, методах измерения направления на объект и методах устранения неоднозначности угловых измерений, которые в совокупности определяют способы практической реализации просветных радиолокаторов различного назначения. Составляющей частью полученных алгоритмов являются и формулы для начальной оценки координат в радиолокаторах с измерениями доплеровскои частоты и предназначенные как для бистатических, так и многопозиционных схем построения. Формулы и алгоритмы начальной оценки координат имеют первостепенное значение, так как они обеспечивают относительно высокую точность, требуют небольших затрат вычислительных ресурсов и напрямую влияют на качество алгоритмов сопровождения.

Разработанные посредством системного анализа методы и алгоритмы имеют и теоретическую значимость, поскольку позволяют понять принципы работы просветных систем и основные законы, лежащие в их основе. Теоретическую значимость имеет системное изложение материала диссертации, что позволит разработчикам подобных систем лучше ориентироваться в проблемах и задачах просветной радиолокации. Системное изложение принципов просвет-ной радиолокации имеет значение для исследователей и специалистов смежных научных направлений (многопозиционной радиолокации, радиоастрономии, радиофизики, гидроакустики и др.) и для учебного процесса при подготовке бакалавров, магистров и инженеров по специальности радиотехника, а также специалистов в области радиолокации и распространения радиоволн, поскольку просветный радиолокатор следует рассматривать не только как один из вариантов построения РЛС или сложной радиотехнической системы, но и как исходный пункт развития всей радиолокации.

Практическое использование результатов. Теоретические и прикладные результаты диссертационной работы внедрены в ОАО "Федеральный научно-производственный центр "Нижегородский научно-исследовательский институт радиотехники" (ННИИРТ) при разработке РЛС "Барьер-Е" просветного типа (полученные в соавторстве патенты являются действующими, их патентообладатель - ННИИРТ; копии патентов и акт внедрения приведены в конце диссертационной работы); использованы при выполнении научных исследований и написании отчета по программе "Разработка терагерцовых сверхвысокочувствительных принимающих систем для радиоастрономии и космических миссий", № 11.G34.31.0029, в учебном процессе НГТУ (соответствующие свидетельства приведены в конце диссертации).

Положения, выносимые на защиту:

1. Предложенные категории методов и средств радиолокации позволяют осуществлять выбор способов построения модуля определения координат радиолокатора с учетом особенностей и проблем просветной радиолокации, а также сформулировать "дерево целей", систематизирующее исследование про-светных радиолокаторов и облегчающее их разработку.

2. Разработанная в соответствие с предложенным в диссертации "деревом целей" совокупность методов определения координат и параметров траектории позволяет решать задачу определения местоположения объекта в двух- и трех-координатных просветных радиолокационных системах с разным числом позиций и создает основу для принятия решения в пользу того или иного способа организации как вторичной обработки информации, так и просветной системы в целом.

3. Определение координат и параметров траекторий неманеврирующих объектов в бистатических просветных двух- и трехкоординатных РЛС и РЛС с разнесенными приемниками и монохроматическим передатчиком могут быть основаны на линейных законах изменения доплеровских частот и направлений приходов рассеянных сигналов.

4. По измерениям доплеровских частот в просветных РЛС с пространственно разнесенными приемниками возможно высокоточное определение угловых координат движущихся объектов без использования узконаправленных сканирующих антенн. Для этого требуется регистрация по измерениям доплеровских частот момента пересечения объектом отрезков, соединяющих передатчик с приемниками, и анализ приращений доплеровских частот во времени.

5. Применение модулированного зондирующего сигнала дает возмож
ность выполнять многократные независимые оценки дальности как до, так и
после момента пресечения объектом отрезка между передатчиком и приемни
ком. Определение дальности до момента пересечения устраняет трудную для
систем с монохроматическим излучением проблему оперативного сопровожде
ния маневрирующих объектов на протяжении всего времени наблюдения.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:

Научно-технической конференции факультета радиоэлектроники и технической кибернетики, посвященной 60-летию факультета (Н. Новгород, НГТУ, 1996);

"Направления развития систем и средств радиосвязи" (Всероссийская научно-техническая конференция, Воронеж, 1996);

"Волоконно-оптическая связь, локация и навигация" (Всероссийская научно-техническая конференция, Воронеж, 1997);

Научно-технической конференции факультета радиоэлектроники и технической кибернетики, посвященной 80-летию НГТУ (Н. Новгород: НГТУ, 1997);

Научно-технической конференции факультета информационных систем и технологий, посвященной 80-летию Нижегородской радиолаборатории (Н. Новгород: НГТУ, 1998);

"Информационные системы и технологии, ИСТ-2005" (Всероссийская научно-техническая конференция, посвященная 60-летию победы в Великой Отечественной войне и 110-летию изобретения радио А.С. Поповым. Н. Новгород: НГТУ, 2005);

"Физика и технические приложения волновых процессов" (IV Международная научно-техническая конференция. Н. Новгород, 2005);

"Информационные системы и технологии, ИСТ-2006" (Международная научно-техническая конференция, посвященная 70-летию факультета информационных систем и технологий. Н. Новгород: НГТУ, 2006);

"Информационные системы и технологии, ИСТ-2007" (Международная научно-техническая конференция, посвященной 90-летию НГТУ. Н. Новгород: НГТУ, 2007);

"Будущее технической науки" (VI Международная молодежная научно-техническая конференция, посвященная 90-летию НГТУ. Н. Новгород, 2007);

- "Элементная база отечественной радиоэлектроники" (1-я Российско-
белорусская научно-техническая конференция. Нижний Новгород, 2013);

"Информационные системы и технологии, ИСТ-2014" (XX Международная научно-техническая конференция, посвященная 100-летию проф. Г.В. Глебовича. Н. Новгород: НГТУ, 2014);

"Радиоэлектронные средства получения, обработки и визуализации информации» (РСПОВИ-2014)" (Всероссийской научно-техническая конференция. Н.Новгород, 2014);

"Физика и технические приложения волновых процессов" (XII Международная научно-техническая конференция. Н.Новгород, 2014);

"Информационные системы и технологии, ИСТ-2015" (XXI Международная научно-техническая конференция, посвященная 70-летию Победы в Великой Отечественной войне. Н. Новгород: НГТУ, 2015);

"Идентификация систем и задачи управления" SICPRO Т5 (X Международная конференция. Москва: ИПУ РАН, 2015).

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 62 отечественных и зарубежных работах, в том числе:

в 23 статьях в журналах, рекомендованных ВАК, включая: Доклады АН, Радиотехника и электроника, Системы управления и информационные технологии, Известия вузов. Радиофизика, Известия вузов. Радиоэлектроника, Радиотехника, и т.д.;

в 3 действующих патентах РФ, патентообладатель Нижегородский НИИ Радиотехники;

в 14 статьях в периодических научных изданиях;

в 2 статьях в межвузовских сборниках;

в 1 учебном пособии с грифом УМО вузов РФ;

в 19 докладах и тезисах докладов в трудах Международных и Российских конференций.

Автором самостоятельно опубликовано в периодических научных журналах 12 статей (из них 7 в журналах, рекомендованных ВАК), 1 статья в межвузовском сборнике и 13 докладов и тезисов докладов.

Личный вклад

Все выносимые на защиту результаты и положения, составляющие основное содержание диссертационной работы, разработаны и получены лично автором или при его непосредственном участии. В большинстве работ, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит ведущая роль при постановке задачи и ее исследовании. Отдельно следует отметить ряд работ, опубликованных на начальном этапе исследований:

в работах [А2,А42] соискатель производил расчет точности определения координат цели, осуществлял подготовку материалов;

в работе [А23] соискателем получены формулы для нахождения начальной оценки (начального приближения) элементов вектора траекторных параметров, участие в работе [А34] ограничивалось обсуждением;

в работах [А35,А43,А45] соискатель осуществлял анализ и подготовку материалов, построение графиков;

в работе [А41] соискателем производились анализ предлагаемого способа и подготовка материалов, в том числе расчет графиков;

в работе [А61] соискателю принадлежит ведущая роль;

в работу [А40] вклад соавторов примерно одинаков.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, списка цитируемой литературы и двух приложений (приложение 2 содержит сведения о внедрении). Объем основного текста диссертации - 352 страницы, включая 135 рисунков, 3 таблицы, список литературы (152 наименования). Объем приложений - 26 страниц, включая 11 рисунков.

Модель черного ящика. Обобщенные модели просветной системы на этапе проектирования

Просветные радиолокаторы относятся к классу радиотехнических систем извлечения информации. Появление просветных РЛС тесно связано с ранними этапами развития всей радиолокации.

Исторический анализ просветной радиолокации позволил сформировать модель эволюции и определить актуальное направление исследования, состоящее в изучении и разработке методов и алгоритмов определения координат ло-цируемых объектов. В качестве инструмента исследований выбран системный анализ. В соответствие с ним проведен анализ проблемной ситуации: построено "дерево проблем" просветной радиолокации, в котором указаны основные её особенности и проблемы и взаимосвязь проблем. Сформированы категории радиотехнических средств и методов (всего три категории средств и три категории методов), из которых путем анализа различных комбинаций в соответствие с предполагаемыми целями просветной радиолокации (определения одного траєкторного параметра т, или координат объекта в плоскости или пространстве, Ці - Цз, п. 1.7.2) и в соответствии с её проблемами и особенностями построены возможные схемы реализации радиолокаторов - эти схемы в свою очередь положены в основу "дерева целей" для исследования и разработки просветных систем.

"Дерево целей" позволило сгруппировать просветные системы (и исследования) в зависимости от типа излучающего сигнала, количества основных структурных элементов (передатчиков и приемников) и сложности модели движения объекта. Структура сигнала, количество и взаимное размещение приемников и передатчиков определены как основные элементы управления, с помощью которых на этапе проектирования и разработки РЛС, а также и эксплуатации можно влиять на характеристики и функциональные возможности просветных систем.

Значимым элементом системного анализа является формирование математических моделей систем на разных уровнях "дерево целей". В главе 1 опре 117

делены типы математических моделей просветных систем, которые положены в основу диссертационных исследований. Введены обозначения величин, системы координат, к которой привязаны места размещения позиций; обосновано использование в качестве базовой модели равномерного прямолинейного движения объекта ортогонально линии базы, а также целесообразность различных способов ее описания.

В основу "дерево целей" положена система с монохроматическим передатчиком (СІі), одним приемником (С2і) и синхронизацией приемника по прямому сигналу передатчика (СЗі), что отражает как историческую сторону вопроса, так и наиболее простой способ формирования просветного радиолокатора. Построение приемника в ней предполагает использование амплитудного детектора (приемник на нулевых биениях) и интегрального доплеровского метода измерения дальности [94]; исходя их этого рассмотрены ограничения на характер движения лоцируемого объекта.

Система с одним приемником и одним передатчиком, образуемая комбинацией {Сії, С2Ь СЗЬ Mli} (рисунок 1.31), выделена в качестве основного модуля просветных систем, подлежащего анализу на первом этапе исследований (рисунок 1.41). В качестве зондирующего сигнала в ней применяется монохроматическое излучение (Сії), построение приемника предполагает использование прямого сигнала передатчика в качестве опорного (С2г) и амплитудное детектирование суммарного сигнала на входе приемника (п. 1.8).

Блок-схема радиолокатора с измерениями доплеровскои частоты рассеянного колебания для последующей оценки траекторных параметров показана на рисунке 2.1. рассеянный сигнал прямой сигнал

Особое внимание уделено определению направления на объект путем регистрации момента его нахождения на направлении передатчика. Регистрация этого момента имеет большое значение для построения траекторий в многопозиционных РЛС и интерферометрических измерителей угловых координат [31,33,57,59,60,73]. В работе рассмотрена регистрация по результатам измерений доплеровской частоты рассеянного колебания; также возможно использование последовательных независимых измерений задержек Е (1.2) рассеянного колебания относительно прямого при переходе к более сложной структуре зондирующего сигнала по сравнению монохроматическим излучением (глава 7).

Важный вопрос определения разрешающей способности простейшего просветного радиолокатора (рисунок 2.1) вынесен в приложение 1 и дополняет проводимый в главе 2 анализ.

Имея ввиду цель диссертационного исследования "Создание системы определения координат и сопровождения объекта" (рисунок 1.33), необходимо составить "дерево целей" для исследования возможностей рассматриваемого в данной главе варианта построения просветного радиолокатора. При этом важными особенностями радиолокатора с одним передатчиком и приемником являются:

С учетом указанных особенностей, а также схемы на рисунке 1.41, этапы (подцели) создания и исследования системы определения траекторных пара 120 метров и координат объекта целесообразно расположить в виде "дерево целей", показанном на рисунке 2.2. Отметим, что аналогичным образом с учетом проблем просветных систем (п. 1.6 - 1.8) могут быть построены "деревья целей" для более сложных систем (с несколькими приемниками).

На нижнем уровне "дерева целей" указаны пункты, связанные с определением основных параметров РЛС и объекта. В общем случае их можно представить в виде схем на рисунке 2.3 и рисунке 2.4. Для настоящей главы исследуется система, образуемая комбинацией {Сії, С2Ь СЗЬ Міі}, то есть определенными следует положить как тип зондирующего сигнала (монохроматический сигнал), так и базовую модель движения (неманеврирующий объект в плоскости размещения РЛС, п. 1.9).

В общем случае между блоками "параметры РЛС", "параметры объекта" (рисунок 2.2) существует связь, показывающая, что выбор параметров системы во многом обусловлен типом обнаруживаемых и лоцируемых объектов и наоборот размеры и параметры системы влияют на выбор модели движения объекта (см. п.п. 1.6 - 1.9) и класс обнаруживаемых объектов. Так, размеры объекта (тип лоцируемых объектов) влияют на выбор длины базы а, при том что размеры должны превосходить длину волны излучения X (п. 1.3, п. 1.10.2). Между размерами объекта и параметрами системы часто выполняется условие дальней зоны (п. 1.3) [8,123,138,147].

Последующие этапы (рисунок 2.2) последовательно рассматриваются в данной главе. Исключение составляет подцель, связанная с определением точности измерения первичных параметров. Она всегда необходима при разработке радиолокатора и определяется по известным методикам [85,128,129], исходя из параметров объекта и системы, путем расчета мощности принимаемого сигнала (п. 2.4), отношения сигнал-шум, потерь на обработку. Поэтому в настоящей работе не затрагивается.

Зона действия просветного радиолокатора. Управление размерами и формой зоны действия

Так, для рассматриваемого на рисунке 3.6 случая ах=196м, а ,=21м, к = 0,75 при бистатическом угле (3.2) Р = 157,4 - что не сильно отличается от приведенных выше экспериментальных результатов - получим из (3.22), (3.23) «4,57 или 0 «0,08 рад «1. Результат же вычисления по (3.21) дает

Изменение ориентации эллипса, т.е. смена знака 0 на противопо ложный (отрицательный), происходит когда х а/2 при ц = аа2р2/(2а2р1+а2р2). Распределение погрешностей на плоскости хОу в зависимости от координат объекта удобно характеризовать средним значением квадрата длины вектора ошибки (3.14): М{8г2 } = М{р2 + р + 2р:р2 cosy}, совпадающим с дисперсией ошибки определения абсциссы объекта (3.17) при малых углах ф, а и независимых, несмещенных измерениях угла ф и суммарной дальности /: М{8А-2} = а2+а2 а. (3.24)

На рисунке 3.7 изображен график функции М{дг2} в зависимости от координат объекта (VM{5r2}«ax). Он выполнен в виде линии уровня для системы с а = 40 км и модели измерений с неизменными среднеквадратичными отклонениями принятыми на рисунке 3.6: ст/ = 5 м и стф = 0,1. Построенные кривые определяют границы рабочих зон системы в окрестности линии базы исходя из допустимого значения

Из рисунке 3.7 видно, что функция М{5г2} не является симметричной относительно нормали, проходящей через центр базы (штриховая линия), и точность местоопределения в окрестности приемника превосходит точность в окрестности передатчика. Это обусловлено слагаемым а22(х,у) (см. (3.19)), отражающим уменьшение влияния угловых погрешностей около угломерного устройства - приемника. Второе слагаемое в (3.24) - функция ст2 ; ;, ) - симметричное относительно нормали. Линии с постоянным уровнем ст2 = const на плоскости хОу при a/ = const являются дугами окружностей, проходящими через пункты излучения и приема и задаваемые согласно (3.5), (3.19) величиной вписанного угла Р: pl 4cos4(P/2) Приближение объекта к линии базы, как видно из рисунка 3.6, приводит к ухудшению точности местоопределения из-за уменьшения углов ф и а, увеличения у (3.5) и роста дисперсий 52Y и а22 (3.18). Следствием этого является повышение требований к точности оценок угла ф и дальности / в области больших р. Полагая ф и а малыми, (3.24) согласно (3.9), (3.12) приближенно представим:

Таким образом, большие углы р, имеющие место, в просветных системах, являются причиной пересечения линий положения / и ф под большими углами у (3.5) и вытянутости параллелограмма ошибок MM MrMi (рисунок 3.4) и эллипса рассеивания (рисунок 3.6) вдоль линии базы системы, а также роста ошибок местоопределения по мере приближения объекта к базе. С помощью приближенных выражений (3.9), (3.12) и (3.25) можно определить величины ошибок измерения угла ф и суммарной дальности / для допустимых погрешностей местоопределения.

Форму эллипса можно корректировать путем использования более совершенных измерительных средств. Однако полностью устранить его вытяну-тость вдоль оси Ох не удается. Так, при ст о из (3.17), (3.19) следует

В параграфе рассмотрен случай измерения направления на объект приемником, что приводит к несимметрии рабочих зон, изображенных на рисунке 3.6: точность местоопределения в окрестности передатчика хуже, чем в окрестности приемника. Проявление несимметричного характера функции д/М{8г2} становиться менее заметным по мере уменьшения влияния угловых ошибок р2 (3.10) в сравнении с ошибками р} измерения дальности (3.4).

Особенностью просветных РЛС является и быстрый рост ошибок место-определения по мере приближения объекта к оси Ох (рисунок 3.7). Для уточнения координат вблизи линии базы можно, например, перейти к использованию нескольких приемников и (или) передатчиков [54,57].

Несмотря на отмеченные особенности, из проведенных исследований, в частности из приведенных числовых примеров, следует вывод о возможности более широкого внедрения просветных систем, в том числе, и для оперативного сопровождения обнаруживаемых целей. При этом следует иметь ввиду и некоторое сужение областей с повышенными ошибками в окрестности линии базы (рисунок 3.7) за счет увеличения интенсивности рассеянного излучения при бистатических углах р —»180 (просветный эффект) (п. 1.3, п. 2.4), которое проведенном анализе в явном виде не учитывалось.

Особенности определения местоположения в бистатической РЛС с измерениями доплеровской частоты и направления прихода рассеянного сигнала. Формулы приближенного расчета координат объекта

Рассмотрим особенности использования угломерно-дальномерного метода в системе с измерениями доплеровской частоты и направления прихода рассеянного сигнала (рисунок 3.1). На рисунке 3.8 для удобства продублирован рисунок 1.45 со схемой двухкоординатной РЛС и указанием основных параметров траектории. Первичными измерениями в системе являются угол ф (1.28):

Схема просветной бистатической РЛС на плоскости с указанием основных параметров траектории объекта и измеряемого угла ф

Согласно предыдущему параграфу (п. 3.3) местоположение объекта в РЛС находится угломерно-дальномерным методом по пересечению луча, исходящего из точки (0,0) под углом ф, и эллипса с фокусами в пунктах (0,0) и (а, 0) размещения приемника и передатчика и характеризуемого суммарной дальностью /. Координаты точки пересечения рассчитываются по формулам [128]:

Из (3.34) видно, что предложенный в [94] подход к оценке суммарной дальности формально не позволяет отслеживать траекторию до пересечения целью линии базы. В связи с этим актуальным является поиск приближенных методов оценки местоположения объекта для характерных случаев его движения, и прежде всего для модели движения с постоянной скоростью v поперек линии базы (п. 1.8, п. 1.9).

Варианты формул расчета координат без использования оценок момента пересечения объектом линии базы

Включение в состав радиолокационной системы второго и большего числа приемников (рисунок 1.41) существенно расширяет её функциональные возможности и многообразие способов построения системы обработки сигнала (главы 3,4). Поскольку прием сигнала в двух пунктах потенциально дает возможность измерения разности расстоянии до объекта и угловой координаты [82,90], то для формирования полного набора способов определения координат с использованием фазового метода (М1ь рисунок 1.30) представляется необходимым исследование вопросов построения угломерных устройств с учетом особенностей просветных радиолокаторов (п. 1.6 -1.8).

В главах 1 и 2 показано, что в системе с одним приемником и одним передатчиком удается определить одну линию положения, характеризуемую постоянством суммарной дальности 1 = const. В РЛС с монохроматическим излучением и приемником на нулевых биениях (с измерениями доплеровской частоты и частотной селекцией объектов, п. 1.8) исключительным методом для оценки дальности /является интегральный доплеровский метод (М1:) и способ определения начальных (стартовых) условий по моменту т перехода доплеровской частоты через нуль (1.15) [94].

Дополнение системы еще одним приемником дает возможность определить еще одну линию положения и далее координаты объекта (необходимым условием оценки местоположения в плоскости является пересечение двух линий положения п. 1.6, [108]). Вторую линию положения (еще одну суммарную дальность) можно получить путем интегрирования доплеровской частоты во втором приемнике (п. 4.4) или путем сравнения фаз сигналов в приемниках с использованием одного из трех методов Mll5 М1: или М1І5 рисунок 1.35. В этом случае линия положения - гипербола или луч, задаваемый углом ф, рису 262 нок 1.45. Таким образом, оценку местоположения позиционным методом в минимальной (с точки зрения возможности оценки плоскостных координат) доп-леровской системе можно получить путем двукратного применения фазового метода (М ):

Глава 5 посвящена фазовым угломерным устройствам просветной радиолокации [73] и исследованию их свойств, в том числе изучению возможности разрешения неоднозначности измерений угла, возникающей вследствие амплитудного детектирования суммарного сигнала в приемниках. Данное исследование является необходимым дополнением анализа систем, образуемых комбинациями радиотехнических средств C2i (С22 и С23), СІ і и СЗі.

На настоящий момент удалось получить несколько новых способов определения угловых координат с использованием измерений доплеровской частоты в разнесенных приемниках, которые в совокупности представляют новое и перспективное, на взгляд автора, направление радиолокации. Полученные результаты могут найти применение за рамками просветной радиолокации и охватить практически важные случаи разрешения неоднозначности в фазовых пеленгаторах с большой базой.

Для решения задачи построения угломерных устройств просветных систем в качестве отправной точки удобно взять интерференционный метод изме рения дальности (М1І5 интегральный доплеровский метод [94]), п. 1.8.2, и по аналогии с ним установить основные аспекты применения фазовых методов в просветной системе.

На рисунке 5.1 показаны виды фазовых методов (измерения угла и дальности). Изначально предполагается, что они обеспечивают однозначное измерение расстояния до объекта и направление на него (верхние блоки). Применительно к методу измерения дальности [85] считается выполненным условие:

В выражении (5.1) учтено, что в просветной системе в пункте приема измеряется разность времен прихода рассеянной и прямой волн (1.2), также учтено требование однозначности фазовых измерений [7]: при 1-а \ показания фазометра повторяются [108].

С увеличением базового расстояния а и/или с уменьшением длины волны X - потребность в изменении значений параметров а, X связана с желанием расширить зону действия и/или необходимостью выбора X меньших размеров объекта (глава 1) - соотношение (5.1) может нарушаться и возникает неоднозначность измерений суммарной дальности 1 ввиду многозначности отсчета разности {1-а) по показаниям фазометра. Данную проблему можно снять за счет априорной информации о законе движения объекта. В частности, как было отмечено ранее в п. 1.8.2, при равномерном прямолинейном движении период интерференционного колебания (колебания на выходе амплитудного детектора, рисунок 1.36) меняется по мере наблюдения за объектом и достигает максимального значения при пересечения объектом линии базы ( /(т) = 0, см. (1.15)).

Таким образом, определяя объект на линии базы, и, далее отсчитывая целые циклы изменения показаний фазометра [7], или интегрируя измерения допле-ровской частоты (1.16), можно производить измерения суммарной дальности.

Устранение неоднозначности угловых измерений в просветном радиолокаторе с антенной решеткой

В приемнике сигналы (7.3), (7.5) отфильтровываются от сигналов (7.4), (7.6). После этого выделение сигналов доплеровских частот производится амплитудным детектированием колебаний на выходах фильтров (п. 2.3). Фазы 6j и 62 продетектированных колебаний определяются разностями фаз прямых и рассеянных сигналов (п. 2.3):

Для устранения возможной неоднозначности измерений дальности 7 (при относительно большой разнице /п1 и /п2, [118]) в пределах всей зоны действия просветной РЛС можно определять момент т пересечения объектом линии базы по измерениям доплеровских частот f[(t) и f2(t) [37,64,71], исходя из условия (1.15):

/і(т) = 0 или /2(т) = 0. (7.14)

После чего однозначность измерений обеспечивается непрерывным наблюдением за изменением разности фаз (7.11) и подсчетом целого числа циклов изменения разности фаз. Здесь уместно отметить, что в системах с измерением угловой координаты (глава 3) возможно также использование условия (3.35) [71].

Способ (7.14) устранения неоднозначности получен исходя из принципа подобия на основе схемы на рисунке 5.1

Для контроля за однозначностью измерений суммарной дальности по разности фаз (7.11) можно использовать также оценку дальности, определяемую по (7.8) интегрированием доплеровских частот от момента т до текущего временив (1.16), (3.34):

Оценка дальности путемподсчета целых цикловфазометра Оценка угла путемподсчета целых цикловфазометра Способы устранения неоднозначности в просветных системах с излучением двух гармоник Возможность однозначного определения суммарной дальности при возрастающей А/ (рисунок 7.2) имеется и до пересечения объектом линии базы, если объект движется равномерно и прямолинейно почти ортогонально линии базы. В этом случае зависимости доплеровских частот от времени - квазилинейные (п. 2.6), и начальную оценку суммарной дальности также можно найти из (7.15) путем экстраполяции измеренных зависимостей fi(t) или f2(t) от текущего момента ґна момент т пересечения объектом линии базы.

В отличие от двухчастотного сигнала (и метода) сигнал, рассматриваемый в следующем параграфе, формально не накладывает ограничений на характер движения объекта.

Частотный метод измерения дальности в просветных РЛС В рамках исследования проводился подбор и других типов зондирующих сигналов для целей просветной радиолокации и с учетом ее особенностей (п. 1.6 - 1.8). Было обнаружено, что одним из возможных кандидатов может стать частотно-модулированный сигнал [65].

Рассмотрим систему с измерениями задержки Е рассеянного сигнала относительно прямого сигнала передатчика (1.2). В качестве зондирующего колебания используется частотно-модулированный сигнал с симметричным пилообразным законом изменения частоты [27,118,128].

На рисунке 7.3 схематично показан закон изменения частоты прямого сигнала передатчика на интервале в пределах одного полупериода изменения частоты - он отличается от закона изменения частоты /п зондирующего сигнала задержкой на величину /щ, задержки распространения, п. 4.8. Здесь же приведена задержанная на величину Е зависимость частоты от времени, соответствующая рассеянному на объекте сигналу. На рисунке 7.1 для объяснения существа метода движение объекта пока не учитывается.

В просветных РЛС определение координат происходит в условиях движения объекта, когда к частотному сдвигу, связанному с задержкой, добавляется еще и доплеровский сдвиг /(рисунок 7.4). Известной особенностью симметричного пилообразного закона изменения частоты является возможность разделения доплеровскои составляющей и составляющей сдвига частоты, связанного с задержкой [118,128].

Разностная частота каждые полпериода меняется от значений /pi = /- /ро до /р2 = /+ /ро (рисунок 7.4). При этом разность /р1 и /р2 согласно (7.16) пропорционально (1-а): Отметим, что на практике возможно использование и одиночных радиоимпульсов с V-образным законом изменения частоты (принципы определения дальности при этом остаются такими же). Также анализ и измерение частот удобно проводить в спектральной области (по положению спектральных линий с частотами ( /+ /р0) и ( /- /р0), / /ро), что дает возможность измерений в случае нескольких объектов в зоне действия системы [118].

В настоящем параграфе приведен расчет точности определения координат объекта в просветном радиолокаторе с независимыми измерениями задержек рассеянного сигнала (суммарной дальности) в отличие от рассмотренного ранее в п. 2.5 варианта с независимыми измерениями доплеровской частоты. Как и ранее, анализ проведен с использованием обозначений на рисунке 1.45.

На рисунке 7.5 представлены графики, аналогичные графикам на рисунке 2.12, но для системы с последовательными измерениями суммарной дальности / = Гдр + гп, выполненными с интервалом Т = 1 с. Среднеквадратичное отклонение ошибки измерения суммарной дальности о7 = 1 м Уравнения, описывающие связь элементов вектора %4 с суммарной дальностью имеют вид подобный (2.22): h(u) = VUi - а)2 + // + 4хі2 + УІ2 Как и ранее, сплошными линями показаны графики для точности оценки элементов вектора %4 штриховыми - для Хз

Аналогичным образом может быть произведен и расчет потенциальной точности в системе с одним передатчиком и двумя разнесенными приемниками (когда оценка координат производится только по задержкам) [49] или в биста-тической системе с измерениями задержек и угловых координат [52].

На рисунке 7.6 в качестве примера приведены результаты расчета координат для бистатической системы с принятыми здесь параметрами, когда в дополнение к измерению дальности в те же моменты производится измерение угла ф (рисунок 3.8). Среднеквадратичная погрешность измерений угловой координаты принималась равной оф = 0,2.

Сравнение рисунка 7.6 с рисунком 7.5 показывает, что при дополнительных измерениях угла точность оценки траекторных параметров заметно возрастает (особенно в начале наблюдения). Кроме повышения точности становятся однозначными оценки параметров 5, vy.

Таким образом, переход к модулированному излучению позволяет наделить просветные системы новыми функциональными возможностями: многократных независимых измерений дальности на протяжении всего времени наблюдения объекта и возможностями по оценке дальности и далее местоположения маневрирующего объекта до пересечения им линии базы.

Преимуществом организации систем с излучением на двух гармониках и связанного с этим фазового метода является относительная простота вновь реализуемой системы. Для устранения неоднозначности измерений дальности, связанной с цикличностью разности фаз, предлагается производить оценку т пресечения объектом линии базы по доплеровским частотам (7.14) или по измерению угловой координаты (3.35). Недостаток фазового метода, возникающий при увеличении разности частот А/ - сложность в оценке координат маневрирующих целей до момента т - преодолевается в системе с излучением сигнала с V-образным законом изменения частоты, т.е. при переходе к частотному методу измерения дальности.

Несложно предположить, что переход к более сложным сигналам в системах с синхронизацией по прямому сигналу (СЗ і) приведет и к развитию методов траекторией обработки. Например: оценку т можно осуществлять по нескольким измерения разности фаз продетектированных колебаний (п. 7.2) и далее использовать ее для устранения неоднозначности в фазовых пеленгаторах; или создавать системы с измерениями доплеровскои частоты и независимыми многократными измерениями дальности [52]. Данные вопросы в настоящий момент прорабатываются.