Способ определения параметров траектории движения целей в обзорных рлс

Способ определения параметров траектории движения целей в обзорных рлс

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области радиолокации, в частности к способам определения параметров траектории движения объектов, и может быть использовано в алгоритмах сопровождения целей радиолокационными станциями (РЛС), осуществляющими последовательный круговой или секторный обзор пространства.

Известен комплексный способ определения координат и параметров траектории движения авиационно-космических объектов, наблюдаемых группировкой станций слежения [1].

Недостатками данного способа-аналога являются, во-первых, необходимость наличия группировки станций слежения и межстанционных дуплексных каналов информационной связи, во-вторых, сложность синхронизации группировки станций при необходимости обзора пространства.

Кроме того, известен способ определения параметров траектории движения воздушных целей в обзорных РЛС [2, с.303].

К недостаткам этого способа-аналога относятся, во-первых, большое время, затрачиваемое на оценку параметров траектории движения цели, во-вторых, низкая точность определения параметров траектории движения цели при малом количестве обзоров пространства.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ определения параметров траектории движения (радиальной V_rt и тангенциальной v_τt скоростей) воздушных целей (ВЦ) за один обзор пространства методом инверсного синтезирования апертуры антенны (ИСА) путем когерентного накопления отраженных от цели эхо-сигналов и специальной обработки этих сигналов [3], основанный на выполнении следующих операций (фиг.1):

1. Прием сигнала от цели в процессе обзора пространства РЛС:

где - текущее значение диаграммы направленности антенны (ДНА) в направлении на ВЦ; β_ц - азимут ВЦ; β(nT_и)=2π(1-nT_и/T_обз); n - номер зондирующего сигнала; ; N=int{T_обз/T_и}; int{^.} - символ вычисления целого значения от выражения {^.}; Т_обз - период обзора пространства; Т_и - период следования импульсов; t_Λ - время задержки эхо-сигнала от локальных центров рассеивания (ЛЦР); λ - длина волны излучения; r_kt=kΔr - дальность до ВЦ, находящейся в k-м элементе разрешения по дальности Δr, (r_max - максимальная граница зоны обзора РЛС по дальности), и состоящей из ЛЦР; - номер обзора пространства; Ψ_Λ - фаза переотражения и начальная фаза в момент t_Λ; - аддитивная смесь шума на входе аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и шумов дискретизации и квантования принятого сигнала.

Выражение (1) описывает сигнал с амплитудной и фазовой модуляцией, вызываемой изменением во времени ракурса ВЦ и перемещением в пространстве диаграммы направленности антенны (ДНА) РЛС. При этом первый множитель характеризует огибающую сигнала, второй - среднюю доплеровскую частоту, а третий - комплексный модулирующий множитель, обусловленный изменением ракурса ВЦ.

Затем производится регистрация квадратурных составляющих эхо-сигнала (1), вычисление его комплексной формы и запись в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

2. Формирование G матриц опорных сигналов размером P×L×К, элементы которых определяют по формуле:

где - номер отсчета дискретного опорного сигнала; и - значения расчетных радиальной и тангенциальной составляющих скорости ВЦ V_цt; {^.} - знак множества; Δv_r и Δv_τ - шаги дискретизации скоростей и соответственно; и L=V_rmax/Δv_r - номер и максимальное количество расчетных значений скорости соответственно; и Р=V_τmax/Δv_τ - номер и максимальное количество расчетных значений скорости соответственно; V_rmax и V_τmax - максимальные значения скоростей V_rt и V_τt соответственно.

3. Умножение n-го принятого сигнала на каждый элемент соответствующей матрицы опорных сигналов

4. Формирование матрицы результирующих сигналов путем суммирования одноименных элементов матриц опорных сигналов по g

5. Вычисление модуля результирующего сигнала:

6. В канале определяются индексы p_0t, l_0t и k_0t, при которых элементы матриц U_k(n, р, l, t) принимают максимальное значение, и производится оценка дальности ВЦ как:

7. Оценивается радиальная скорость ВЦ:

8. Производится оценка тангенциальной скорости ВЦ:

9. Для текущего обзора пространства t оценивается линейная скорость ВЦ:

10. Производится расчет курсового угла ВЦ:

Недостатки способа-прототипа:

- требуется большой объем вычислительных ресурсов, пропорциональный размерности опорной функции (N_прот=P×L×K), и высокая производительность процессора ЭВМ;

- ограничение на пропускную способность (количество ВЦ, обслуживаемых за один обзор), обусловленное ограничениями на возможности ЭВМ.

Задачей предлагаемого способа является уменьшение вычислительных затрат и увеличение пропускной способности устройства, реализующего предлагаемый способ.

Для решения поставленной задачи в способе определения параметров траектории движения объектов - радиальной V_rt и тангенциальной V_τt скоростей - за один обзор пространства, заключающемся в приеме радиолокационной станцией эхо-сигналов; регистрации их квадратурных составляющих; вычислении их комплексной формы и записи в оперативное запоминающее устройство; формировании G матриц опорных сигналов, включающих возможные параметры траектории движения объекта: дальности, радиальной и тангенциальной скоростей; формировании результирующего сигнала путем умножения принятого сигнала на соответствующий элемент матрицы опорных сигналов и суммировании G элементов полученной матрицы по ; вычислении модуля каждого элемента матрицы результирующего сигнала и определении номеров строк p_0t, столбцов l_0t и k_0t-го элемента дальности матрицы, при которых элементы модуля матрицы результирующих сигналов принимают максимальное значение; расчете на первом обзоре пространства радиальной и тангенциальной скоростей и дальности цели как , и , где Δv_r, Δv_τ и Δ_r - дискреты по радиальной, тангенциальной скоростям и по дальности соответственно, - номер обзора пространства; расчете линейной скорости и курсового угла цели согласно изобретению ограничивают на следующий (t+1)-й обзор пространства количество элементов опорной функции за счет формирования строба ее параметров путем экстраполяции дальности до цели , ее курсового угла и радиальной и тангенциальной составляющих вектора скорости, причем центр строба определяют по формулам:

,

, ,

, ,

где Т_обз - период обзора пространства,

а размеры строба по дальности, радиальной и тангенциальной скоростям цели рассчитывают по формулам:

,

,

,

где и - среднеквадратическая погрешность измерения составляющих вектора скорости и соответственно.

Предлагаемый способ заключается в следующем.

1. Первичная оценка параметров (, , ) формируется исходя из выражений (1-9).

2. Центр строба параметров опорной функции определяется в результате экстраполяции дальности до ВЦ ее курсового угла и составляющих вектора скорости на следующий (t+1)-й обзор [4]:

где - оценка изменения азимута ВЦ за один обзор пространства; .

3. По результатам обработки в первом обзоре выбираются размеры строба (Δr_(t+1), ΔV_r(t+1), ΔV_τ(t+1)) на следующий (t+1)-й обзор, которые рассчитываются следующим образом

где и - среднеквадратические погрешности измерения вектора скорости и , которые вычисляются по методике, представленной в [5].

4. Формирование N матриц опорных сигналов (3) размером, определяемым выражением (11), на следующий (t+1)-й обзор.

Таким образом, в предлагаемом способе определения параметров траектории движения воздушных целей в соответствии с выражениями (8-12) производится формирование границ строба по дальности, радиальной и тангенциальной скоростям при вторичной обработке радиолокационной информации (РЛИ), тем самым появляется возможность ограничения количества элементов опорной функции (3) и, как следствие, снижение требований к объему памяти и производительности процессора вычислительного устройства обзорной РЛС, увеличение пропускной способности устройства, осуществляющего предлагаемый способ, по сравнению с устройством, реализующим способ-прототип.

Новыми существенными признаками изобретения являются:

1. Экстраполяция параметров опорного сигнала по дальности, радиальной и тангенциальной скоростям ( на (t+1)-й обзор пространства путем определения центра строба

2. Определение размеров строба на (t+1)-й обзор пространства;

3. Формирование опорной функции (3) с ограничением количества элементов в соответствии с выражением (11).

При этом уменьшение объема памяти и, тем самым, снижение требований к объему вычислительных затрат и производительности процессора вычислительного устройства обзорной РЛС (выигрыша по сравнению со способом-прототипом) будет определяться как

где N_прот=P×L×K - размерность опорной функции в способе прототипе.

С учетом зависимостей, полученных в [4, 5], после элементарных преобразований выражение (12) примет следующий вид

где V_rtmax=V_maxcosα_цt и V_τtmax=V_maxsinα_цt; q - отношение сигнал/шум на выходе приемного устройства РЛС; θ_β (рад) - азимутальная ширина ДНА РЛС по уровню половинной мощности.

Оценим выигрыш предлагаемого способа.

На основе выражения (13) получены графические зависимости (фиг.3) уменьшения объема вычислительных затрат W вычислительного устройства обзорной РЛС за счет реализации предлагаемого способа при λ=0,12 м; Т_обз=10, 20…60 с; V_τt=254.46 м/с; V_max=639 м/с (например, самолет тактической авиации F-4 имеет максимальную скорость 640 м/с); r_tmax=360 км; r_kt=20 км.

Таким образом, как видно из фиг.3, с помощью вновь введенных процедур достигается значительное уменьшение объема вычислительных затрат предлагаемым способом (количество элементов опорной функции может быть уменьшено на 9-11 порядков) и, тем самым, увеличение выигрыша по времени, затраченного на обработку полученных данных.

Следовательно, введение новых существенных признаков позволит в обзорных РЛС значительно сократить объем вычислительных затрат по сравнению со способом-прототипом.

Сущность предлагаемого способа поясняется фиг.1-3.

На фиг.1 представлена совокупность операций, составляющих сущность способа-прототипа.

На фиг.2 представлена совокупность операций, составляющих сущность предлагаемого способа.

На фиг.3 представлен график, показывающий выигрыш в объеме вычислительных затрат за счет реализации предлагаемого способа по сравнению с прототипом.

Оценка реализуемости и эффективности предлагаемого способа проводилась методом математического моделирования на ЭВМ. Операции 1-7, 11 известны, их реализация аналогична прототипу, а остальные операции можно реализовать аппаратно (на программируемых логических интегральных схемах) или программно (на ЭВМ).

Источники информации

1. Мамошин В.Р. Комплексный способ определения координат и параметров траекторного движения авиационно-космических объектов, наблюдаемых группировкой станций слежения. Патент на изобретение РФ №2279105 от 02.08.2004. Бюллетень №18 от 27.06.2006 г.

2. Бакулев П.А. // Радиолокационные системы. Учебник для вузов. - М.: Радиотехника, 2004, 320 с.

3. Лихачев В.П., Мубарак Н.X. Способ определения параметров траектории движения воздушных целей в обзорных РЛС. Патент на изобретение РФ №2337378 от 02.07.2007. Бюллетень №30 от 27.10.2008 - прототип.

4. Сосулин Ю.Г. Теоретические основы радиолокации и радионавигации: Учеб. пособие для вузов - М.: Радио и связь, 1992. - 304 с.

5. Коновалов А.Ю., Купряшкин И.Ф., Лихачев В.П. Точность оценки вектора линейной скорости цели при инверсном синтезировании апертуры антенны в условиях обзора пространства. - М.: Радиотехника. Антенны, №5, 2009. - С.65-69.

Способ определения параметров траектории движения объектов - радиальной V_rt и тангенциальной V_τt скоростей - за один обзор пространства, заключающийся в приеме радиолокационной станцией эхо-сигналов; регистрации их квадратурных составляющих; вычислении их комплексной формы и записи в оперативное запоминающее устройство; формировании G матриц опорных сигналов (опорных функций), включающих возможные параметры траектории движения объекта: дальности, радиальной и тангенциальной скорости; формировании результирующего сигнала путем умножения принятого сигнала на соответствующий элемент матрицы опорных сигналов и суммировании G элементов полученной матрицы по вычислении модуля каждого элемента матрицы результирующего сигнала и определении номеров строк p_0t, столбцов l_0t и k_0t-го элемента дальности матрицы, при которых элементы модуля матрицы результирующих сигналов принимают максимальное значение; расчете на первом обзоре пространства радиальной и тангенциальной скорости и дальности цели как и где Δv_r, Δv_τ и Δr - дискреты по радиальной, тангенциальной скорости и по дальности соответственно, - номер обзора пространства; расчете линейной скорости и курсового угла цели отличающийся тем, что ограничивают на следующий (t+1)-й обзор пространства количество элементов опорной функции за счет формирования строба ее параметров путем экстраполяции дальности до цели ее курсового угла и радиальной и тангенциальной составляющих вектора скорости, причем центр строба определяют по формулам: где Т_обз - период обзора пространства, - оценка изменения азимута воздушной цели за один обзор пространства; - перемещение цели за один обзор пространства;а размеры строба по дальности, радиальной и тангенциальной скорости цели рассчитывают по формулам: где и - среднеквадратическая погрешность измерения составляющих вектора скорости и соответственно.