Способ определения местоположения источника излучения с борта летательного аппарата
Владельцы патента RU 2760975:
Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации (RU)
Предлагаемое изобретение относится к методам определения местоположения источника излучения с использованием фазового пеленгатора, размещенного на борту летательного аппарата, выполняющего полет в направлении источника излучения. Техническим результатом изобретения является уменьшение времени определения дальности до источника излучения с приемлемой точностью за счет выполнения кратковременного крена летательным аппаратом вместо продолжительного маневрирования с отворотом от источника излучения. Заявленный способ основан на последовательном измерении пеленгов с помощью фазового пеленгатора на источник излучения и расчете дальности до него. Летательный аппарат направляют на источник излучения, выравнивают его в горизонтальной плоскости, измеряют угол между направлениями на источник излучения и на правую антенну с вершиной в середине антенной базы, которая параллельна поперечной оси связанной системы координат летательного аппарата, и высоту полета летательного аппарата, запоминают измеренные данные. Далее осуществляют крен летательного аппарата, измеряют угол крена и повторно угол с вершиной в середине антенной базы между направлениями на источник излучения и на правую антенну, по полученным данным рассчитывают дальность до источника. 3 ил.
Предлагаемое изобретение относится к методам определения местоположения источника излучения с использованием фазового пеленгатора, размещенного на борту летательного аппарата (ЛА), выполняющего полет в направлении источника излучения.
Известен азимутально-угломестный способ определения местоположения источника излучения (ИИ), основанный на одновременном измерении азимута и угла места на источник излучения [Защита радиолокационных систем от помех. Под ред. Канащенкова А.И. и Меркулова В.И. М.: Радиотехника, 2003. 416 с.: ил., стр. 314]. Недостатком способа являются технические сложности размещения антенн на борту летательного аппарата, обеспечивающих измерение угла на ИИ в угломестной плоскости с требуемой точностью.
Так, например, при использовании амплитудных методов пеленгации, погрешность определения углового направления на источник излучения в одной плоскости σα=(0,1÷0,25)2ϕ0,5 зависит от ширины диаграммы направленности антенны (ДНА) на уровне половинной мощности 2ϕ0,5 [Белоцерковский Г.Б. Основы радиолокации и радиолокационные устройства. М: Сов. радио, 1975. 336 с.: ил., стр. 87-91], а ширина ДНА обратно-пропорциональна длине волны λ принимаемого излучения 2ϕ0,5 ≈ (50°÷70°)λ/а, где а - линейный размер антенны в этой же плоскости [Г.Т. Марков. Антенны. М.: Госэнергоиздат, 1960. 636 с. С.118-123]. Соответственно для достижения требуемой точности σα ≈ 1° при λ=0,1 м требуется антенна размером а ≈ 5÷7 м, которую практически невозможно разместить на борту летательного аппарата для пеленгации ИИ в угломестной плоскости.
При применении фазового метода пеленгации в одной плоскости (одномерного пеленгования) необходимы минимум две слабонаправленные антенны малых размеров, разнесенные на расстояние d, называемое базой. При этом среднеквадратическая ошибка измерения угла σα=λ/(2πd⋅cos(α) q0,5) пропорциональна отношению (λ/d), где α - угол между нормалью к базе и направлением принимаемого излучения, q - отношение сигнал/шум [Белоцерковский Г.Б. Основы радиолокации и радиолокационные устройства. М.: Сов. радио, 1975. 336 с.: ил., стр. 91-93]. Требуемая точность в этом случае достигается за счет увеличения разноса антенн d фазового пеленгатора, что возможно для пеленгации в азимутальной плоскости, например, путем размещения антенн на законцовках крыла летательного аппарата, но технически не реализуемо для пеленгации в угломестной плоскости.
Известен триангуляционный способ определения местоположения ИИ при пеленгации его из нескольких (минимум двух) разнесенных точек [Ю.П. Мельников, С.В. Попов. Радиотехническая разведка. Методы оценки эффективности местоопределения источников излучения. М.: Радиотехника, 2008. 432 с.: ил., стр. 11-25. Защита радиолокационных систем от помех. Под ред. Канащенкова А.И. и Меркулова В.И. М.: Радиотехника, 2003. 416 с.: ил., стр. 315-318]. Способ заключается в последовательной пеленгации ИИ с борта летательного аппарата в азимутальной плоскости (например, фазовым методом) из двух точек, расположенных на известном удалении друг от друга, и расчета дальности до ИИ путем решения задачи определения сторон треугольника по двум углам и основанию. Минимальная погрешность определения координат при двукратной пеленгации на базе, сравнимой с дальностью до объекта по линии траверза (перпендикуляра к базе от ИИ), и точности измерения пеленга порядка 1° составляет ~3%, где база - расстояние между точками пеленгации [Ю.П. Мельников, С.В. Попов. Радиотехническая разведка. Методы оценки эффективности местоопределения источников излучения. М.: Радиотехника, 2008. 432 с.: ил., стр. 13]. Недостатком способа является необходимость выполнения в течение продолжительного времени прямолинейного полета не на объект излучения, а мимо него на довольно большом удалении с углами пеленгации ИИ 30°<α<120°.
Наиболее близким по сущности и достигаемому эффекту (прототипом) является кинематический способ определения дальности до ИИ с летательного аппарата при осуществлении полета в направлении ИИ [Ю.П. Мельников, С.В. Попов. Радиотехническая разведка. Методы оценки эффективности местоопределения источников излучения. М.: Радиотехника, 2008. 432 с.: ил., стр. 158-163. Защита радиолокационных систем от помех. Под ред. Канащенкова А.И. и Меркулова В.И. М.: Радиотехника, 2003. 416 с.: ил., стр. 319-322]. Способ заключается в последовательном выполнении угловых маневров летательным аппаратом и нахождении дальности до объекта радиоизлучения, как отношения тангенциальной скорости пеленгатора к угловой скорости линии визирования, определяемой путем обработки результатов нескольких измерений пеленгов. Недостатками способа являются необходимость движения летательного аппарата, на котором установлен пеленгатор, с отворотом от объекта, а также длительное время выполнения нескольких этапов маневра для достижения приемлемых точностей определения дальности до источника излучения (движение по «Змейке» в направлении ИИ). Относительная среднеквадратическая погрешность измерения дальности составляет 15-20% в диапазоне углов пеленгации до 30° при точности измерения пеленга 1,5°…3° и производной разности фаз принимаемых сигналов на разнесенные антенны от 0,5% до 23% [Ю.П. Мельников, С.В. Попов. Радиотехническая разведка. Методы оценки эффективности местоопределения источников излучения. М.: Радиотехника, 2008. 432 с.: ил., стр. 163].
Техническим результатом изобретения является уменьшение времени определения дальности до источника излучения с приемлемой точностью за счет выполнения кратковременного крена летательным аппаратом вместо продолжительного маневрирования с отворотом от источника излучения.
Указанный результат достигается тем, что в известном способе определения местоположения источника излучения с борта летательного аппарата, основанном на последовательном измерении пеленгов с помощью фазового пеленгатора на источник излучения и расчете дальности до него, согласно изобретению направляют летательный аппарат на источник излучения, выравнивают его в горизонтальной плоскости, измеряют угол между направлениями на источник излучения и на правую антенну с вершиной в середине антенной базы, которая параллельна поперечной оси связанной системы координат летательного аппарата, и высоту полета летательного аппарата, запоминают измеренные данные, осуществляют крен летательного аппарата, измеряют угол крена и повторно угол с вершиной в середине антенной базы между направлениями на источник излучения и на правую антенну, рассчитывают дальность до источника излучения по формуле 
, где Н, γ - высота полета и угол крена летательного аппарата; θ1,2 - углы с вершиной в середине антенной базы между направлениями на источник излучения и на правую антенну фазового пеленгатора при полете летательного аппарата в горизонтальной плоскости и плоскости с креном, соответственно.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, где представлено взаимное расположение летательного аппарата и источника излучения в пространстве. На фиг.1 обозначены: 1 - горизонтальная плоскость; 1* - плоскость, образуемая после крена летательного аппарата; 2,3(2*,3*) - левая и правая антенны фазового пеленгатора до (после) выполнения крена; 4 - источник излучения; 5 (5*) - проекция правой антенны на землю до (после) выполнения крена; 6 - середина антенной базы; OXYZ - декартова система координат; 
- вектор скорости ЛА; Н - высота полета ЛА; D - расстояние от ЛА до ИИ; R - расстояние от проекции ЛА на землю до ИИ; γ - угол крена ЛА; d - расстояние между антеннами (база); D1 (D2) - расстояние от правой антенны до ИИ до (после) выполнения крена; θ0 - угол на ИИ без учета высоты полета ЛА (на плоскости); θ1 (θ2) - измеряемые углы на ИИ до (после) выполнения крена; R1, (R2) - расстояние от проекции правой антенны на землю до (после) выполнения крена до ИИ.
Как видно из фиг.1 углы θ1 и θ2 на ИИ до и после выполнении крена ЛА отличаются и максимальная их разница получается при углах крена порядка 90° и увеличивается по мере приближения ЛА к ИИ (повышения отношения высоты полета ЛА к дальности до ИИ). Для определения дальности до ИИ необходимо знание высоты полета ЛА, значений углов θ1 и θ2 на ИИ до и после выполнения крена ЛА и самого крена γ. Однако следует отметить, что максимально возможный крен для каждого ЛА свой и ограничен с учетом безопасности полета, а в данном случае еще и условием не изменения курса ЛА до момента измерения угла θ2. Дальность до источника излучения рассчитывают по предлагаемой в способе формуле.
Местоположение ИИ определяется измеренным углом θ1 (направлением на ИИ до выполнения крена ЛА) и рассчитанной дальностью D.
При выводе формулы расчета дальности до ИИ сделано допущение, что время, необходимое для выполнения крена, мало и расстояние между точками местонахождения ЛА до и после выполнения крена незначительно по сравнению с дальностью до источника излучения. Из треугольников, представленных на фиг.1, Δ1 (середина антенной базы 6, ИИ 4, правая антенна до крена 3), Δ2 (середина антенной базы 6, ИИ 4, правая антенна после крена 3*), Δ3 (правая антенна до крена 3, ИИ 4, проекция правой антенны на землю до выполнения крена 5), Δ4 (правая антенна после крена точка 3*, ИИ 4, проекция правой антенны на землю после выполнения крена 5*), Δ5 (О, середина антенной базы 6, ИИ 4), Δ6 (О, ИИ 4, проекция правой антенны на землю до выполнения крена 5) и Δ7 (О, ИИ 4, проекция правой антенны на землю после выполнения крена 5*) можно получить систему уравнений:
Здесь было принято, что Δ3, Δ4 и Δ5 - прямоугольные, высота середины антенной базы равна высоте полета ЛА. Из фиг.1 также следует, что разность высот правой антенны до и после выполнения крена равна 
, а длина отрезка [О, проекция правой антенны на землю 5*] равна 
.
Решение системы уравнений относительно дальности до источника излучения D с учетом того, что R cos (θ0)=D cos (θ1), позволяет получить выражение для расчета дальности
Способ может быть реализован устройством определения местоположения ИИ, например, по схеме, представленной на фиг.2, где обозначено: 7 - фазовый пеленгатор, 8 - датчик высоты, 9 - датчик крена, 10 - запоминающее устройство, 11 - блок расчета дальности. Назначение фазового пеленгатора 7, датчиков высоты 8, крена 9 и запоминающего устройства 10 ясны из названия. Они могут быть выполнены с использованием известных устройств. Например, в качестве датчика крена может быть применена гировертикаль (см., например, Воробьев В.Г., Глухов В.В., Кадышев И.К. Авиационные приборы, информационно-измерительные системы и комплексы. М.: Транспорт, 1992. 399 с.: ил., стр. 239-260.). Блок расчета дальности 11 может быть выполнен на микроконтроллерах (например, на однокристальном восьмиразрядном микроконтроллере типа PIC16F62X) с программным обеспечением по формуле 1.
Устройство работает следующим образом. После выравнивания ЛА в горизонтальной плоскости в Запоминающее устройство 10 с Фазового пеленгатора 7 записывается значение измеренного угла на ИИ относительно правой антенны (θ1). После выполнения крена ЛА в Блок расчета дальности 11 поступают данные: на вход 1 - запомненное значение угла на ИИ (θ1) с Запоминающего устройства 10; на вход 2 - текущее значение измеренного угла на ИИ (θ2) с Фазового пеленгатора 7; на вход 3 - высота полета ЛА с Датчика высоты 8; на вход 4 - значение угла крена γ с Датчика крена 9. С выхода устройства определения местоположения ИИ выдаются угловое положение ИИ относительно ЛА θ1 с выхода Запоминающего устройства 10 и дальность до ИИ с выхода Блока расчета дальности 11.
Оценим время, необходимое для выполнения крена 45°. При угловой скорости крена ωx=1 с-1 [Красовский А.А., Вавилов Ю.А., Сучков А.И. Системы автоматического управления летательного аппарата. Изд. ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1986. 480 с.: ил., стр. 133] оно будет составлять примерно 0,8 с. За это время ЛА при скорости 250 м/с пролетит 200 м, что составит 0,4% от дальности до ИИ, расположенного на удалении 50 км. Время, необходимое для определения дальности до ИИ кинематическим способом-прототипом, критично к углу пеленгации ИИ и погрешности измерения скорости изменения разности фаз сигналов на входе разнесенных антенн фазового пеленгатора и составляет минимум несколько секунд [Ю.П. Мельников, С.В. Попов. Радиотехническая разведка. Методы оценки эффективности место определения источников излучения. М.: Радиотехника, 2008. 432 с.: ил., стр. 158-162, 271-272]. Например, при скорости ЛА 250 м/с, отношении антенной базы к длине волны принимаемого излучения равном 10, угле на источник излучения относительно правой антенны 60° и удалении ЛА от ИИ 50 км скорость изменения разности фаз будет составлять ~4,5% и для оценки дальности с точностью порядка 10% при погрешности измерения разности фаз 7° необходимо минимум 15 с. С увеличением угла на излучения относительно правой антенны (уменьшением пеленга ИИ) это значение будет еще больше.
В интересах оценки относительной погрешности определения дальности (σD/D) от ЛА до ИИ в зависимости от угла крена было осуществлено имитационное моделирование для двух случаев, когда измеренные углы на ИИ в горизонтальном полете ЛА (до выполнения крена) составляли θ1 - 90° (полет ЛА на ИИ) и θ1=60° (полет ЛА на ИИ под углом ~30°). Зависимости, представленные на фиг.3, получены при следующих допущениях:
- среднеквадратическая ошибка измерения угла крена σγ=1°;
- относительная среднеквадратическая ошибка измерения высоты полета летательного аппарат (σH/H)=1%;
- отношение высоты полета ЛА к дальности до ИИ (H/D)=0,1;
- погрешность определения углового направления на ИИ σα=0,5°.
При определении σα для фазового метода пеленгации была использована формула σα=λ/(2πd⋅cos(α)q0,5), где d - база антенной системы, λ - длина пеленгуемой волны, α - угол между нормалью к базе и направлением принимаемого излучения, q - отношение сигнал/шум [Белоцерковский Г.Б. Основы радиолокации и радиолокационные устройства. М.: Сов. радио, 1975. 336 с.: ил., стр. 91-93]. Для отношений (λ/d)=0,1 и q=5 среднеквадратическая ошибка определения углового направления на ИИ σα равна 0,41° при угле α=0° (прием излучения с направления, перпендикулярного базе) и 0,47° при угле α=30° (прием излучения под углом 30° от направления, перпендикулярного базе).
Как видно из зависимостей, если измеренный угол на ИИ в горизонтальном полете ЛА составлял θ1=90° (полет ЛА на ИИ), то после выполнения ЛА крена 45° относительная ошибка определения дальности (σD/D) будет составлять менее 17%, а если θ1=60° (полет ЛА на ИИ под углом ~30°) - (σD/D) ≤ 20%. Для маневренного ЛА, который способен выполнить крен до углов ~70°, относительные ошибки будут составлять ~ 10° и ~ 15° для θ1=90° и θ1=60°, соответственно. Относительная ошибка определения дальности будет снижаться по мере подлета ЛА к ИИ, так как сильно зависит от отношения (λ/d), которая не изменяется (зависит только от длины волны излучения пеленгуемого ИИ), и от отношений q и (HID), которые растут по мере подлета ЛА к ИИ. Сравнительный анализ ошибок измерения дальности до ИИ способом-прототипом и предлагаемым способом показывает, что они сопоставимы.
Таким образом, заявленный способ определения местоположения источника излучения с борта летательного аппарата обеспечивает уменьшение времени определения дальности до источника излучения с приемлемой точностью за счет выполнения кратковременного крена летательным аппаратом вместо продолжительного маневрирования с отворотом от источника излучения.
Способ определения местоположения источника излучения с борта летательного аппарата, основанный на последовательном измерении пеленгов с помощью фазового пеленгатора на источник излучения и расчете дальности до него, отличающийся тем, что направляют летательный аппарат на источник излучения, выравнивают его в горизонтальной плоскости, измеряют угол между направлениями на источник излучения и на правую антенну с вершиной в середине антенной базы, которая параллельна поперечной оси связанной системы координат летательного аппарата, и высоту полета летательного аппарата, запоминают измеренные данные, осуществляют крен летательного аппарата, измеряют угол крена и повторно угол с вершиной в середине антенной базы между направлениями на источник излучения и на правую антенну, рассчитывают дальность до источника излучения по формуле 
, где H, γ - высота полета и угол крена летательного аппарата; θ1,2 - углы с вершиной в середине антенной базы между направлениями на источник излучения и на правую антенну фазового пеленгатора при полете летательного аппарата в горизонтальной плоскости и плоскости с креном соответственно.
