Способ определения координат цели в системе запрос-ответ
Владельцы патента RU 2778019:
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации (RU)
Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано при определении координат цели в системе «запрос-ответ» в системах вторичной радиолокации, преимущественно имеющих в своем составе антенны, раскрывы которых образованы одномерными линейками излучателей. Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности определения координат цели в случае, когда информация о высоте цели в системе «запрос-ответ» отсутствует. Заявленный способ использует дополнительно вторую антенну, предназначенную для получения второй плоскости пеленга цели, перпендикулярной линии расположения излучателей второй антенны. Вторая плоскость пеленга цели используется способом для определения координат цели путем решения системы уравнений, которые описывают в заданной системе координат (например, в системе координат НСК) сферу дальности до цели, первую плоскость пеленга цели (плоскость пеленга цели первой антенной) и вторую плоскость пеленга цели (плоскость пеленга цели второй антенной). Первая и вторая антенны выполнены в виде одномерной линейки излучателей и имеют заданное угловое направление линий расположения своих излучателей на носителе, при этом линии расположения излучателей первой и второй антенн непараллельны и находятся под заданным углом друг к другу. Линейные решетки обеих антенн формируют диаграммы направленности антенн в виде воронок (круглых конусов), оси вращения которых совпадают с линиями расположения излучателей линеек. Каждая антенна имеет свое заданное направление прицеливания. В способе используют в качестве параметров расстояние от носителя до цели, высоту носителя, угловое положение носителя в пространстве, заданное угловое направление линии расположения линейки излучателей первой антенны относительно носителя, направление прицеливания первой антенны и перпендикулярную линии расположения линейки излучателей первой антенны плоскость, в которой расположена цель. Дополнительно способ использует в качестве параметров заданное угловое направление линии расположения излучателей второй антенны относительно носителя, направление прицеливания второй антенны и перпендикулярную линии расположения линейки излучателей второй антенны плоскость, в которой расположена цель. 2 ил.
Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано при определении координат цели в системе «запрос-ответ» в системах вторичной радиолокации, преимущественно имеющих в своем составе антенны, раскрывы которых образованы одномерными линейками излучателей.
Из уровня техники известны различные способы определения координат цели. Одним из способов является обзор окружающего пространства лучом радиолокатора, имеющим форму иглы, фиксация отраженных сигналов и определение координат цели по факту наличия отраженного сигнала, как текущего направления луча в пространстве и дальности до цели, пропорциональной задержке прихода отраженного от цели сигнала. Недостатком этого способа является сложность антенной системы, формирующей луч радиолокатора в форме иглы, и большая мощность передатчика радиолокатора, так как способ относится к системам первичной (пассивной) радиолокации.
Другим способом является определение координат самой целью с помощью оборудования цели и передача координат запрашивающему объекту. Недостатком этого способа является низкая помехоустойчивость системы «запросчик - ответчик».
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ для определения координат цели в системе запрос-ответ (патент RU 2631117 С1), который выбран в качестве прототипа.
Для определения координат цели прототип использует имеющую заданное направление прицеливания антенну, раскрыв которой выполнен в виде одномерной линейки излучателей, и следующие параметры: расстояние от носителя до цели, высоту цели и высоту носителя, отклонение направления на цель относительно направления прицеливания антенны, угловое положение носителя в пространстве и заданное угловое направление раскрыва антенны на цель относительно носителя, а также перпендикулярную направлению раскрыва антенны плоскость, в которой расположена цель.
Путем получения в ответах цели информации о высоте цели, определения отклонения направления на цель от плоскости, перпендикулярной раскрыву антенны и измерения временной задержки между запросом системы «запрос-ответ» и ответом цели, с использованием математических соотношений определяют: сферу с радиусом, равным измеренной дальности до объекта (сфера равной дальности); плоскость в нормальной системе координат (НСК) по ГОСТ 20058-80, параллельную плоскости XOZ НСК, и расположенную на высоте цели (плоскость высоты цели); плоскость в НСК, в которой расположена цель (плоскость пеленга цели), перпендикулярную направлению раскрыва антенны. Решением системы уравнений, описывающих в НСК координаты сферы равной дальности, координаты плоскости высоты цели и координаты плоскости пеленга цели определяют координаты возможных местонахождений цели и отбирают из них местонахождение, наиболее близкое по направлению с направлением целеуказания.
Недостатком и технической проблемой прототипа является невозможность использования способа, если в системе отсутствует возможность получения информации о высоте цели, получаемой из ответов цели, например, при наличии помех, не позволяющих достоверно выделить из ответов цели информацию о ее высоте. В этом случае система неспособна определить координаты цели, т.к. не может определить плоскость высоты цели и, соответственно, решить систему уравнений, которые описывают сферу дальности до цели, плоскость высоты цели и плоскость пеленга цели, и корнями которой являются координаты возможного местоположения цели.
Технический результат изобретения заключается в решении технической проблемы прототипа, т.е. в обеспечении возможности определения координат цели в случае, когда информация о высоте цели в системе «запрос-ответ» отсутствует.
Технический результат достигается тем, что способ использует дополнительно вторую антенну, предназначенную для получения второй плоскости пеленга цели, перпендикулярной линии расположения излучателей второй антенны. Вторая плоскость пеленга цели используется способом для определения координат цели путем решения системы уравнений, которые описывают в заданной системе координат (например, в системе координат НСК) сферу дальности до цели, первую плоскость пеленга цели (плоскость пеленга цели первой антенной) и вторую плоскость пеленга цели (плоскость пеленга цели второй антенной).
И первая, и вторая антенны выполнены в виде одномерной линейки излучателей и имеют заданное угловое направление линий расположения своих излучателей на носителе, при этом линии расположения излучателей первой и второй антенн непараллельны и находятся под заданным углом друг к другу. Линейные решетки обеих антенн формируют диаграммы направленности антенн в виде воронок (круглых конусов), оси вращения которых совпадают с линиями расположения излучателей линеек. Каждая антенна имеет свое заданное направление прицеливания.
Способ использует в качестве параметров расстояние от носителя до цели, высоту носителя, угловое положение носителя в пространстве, заданное угловое направление линии расположения линейки излучателей первой антенны относительно носителя, направление прицеливания первой антенны и перпендикулярную линии расположения линейки излучателей первой антенны плоскость, в которой расположена цель. Дополнительно способ использует в качестве параметров заданное угловое направление линии расположения излучателей второй антенны относительно носителя, направление прицеливания второй антенны и перпендикулярную линии расположения линейки излучателей второй антенны плоскость, в которой расположена цель.
Способ включает следующие последовательно осуществляемые этапы:
- располагают носитель с антеннами и направления прицеливания антенн так, чтобы ответы от цели оказались в основных лепестках диаграмм направленности обеих антенн;
- получают с помощью системы «запрос-ответ» ответные сигналы от цели, используя каждую антенну, и определяют с помощью цифрового вычислительного устройства (ЦВУ) угловые отклонения направлений ответных сигналов цели от линий расположения излучателей соответствующей антенны в ЛСК каждой антенны, используя математические описания ДН антенн и измеренные уровни сигналов от цели на выходах антенн;
- определяют дальность до цели преобразованием измеренных интервалов времени от выдачи запросов до получения ответов от цели;
- определяют для каждой из антенн положение плоскости, в которой расположена цель, как положение основания круглого конуса, вершина которого совпадает с началом координат ЛСК антенны, ось вращения которого совпадает с линией расположения излучателей соответствующей антенны, и образующей которого является направление ответных сигналов от цели, при этом длина образующей конуса равна дальности до цели. По определению, ось круглого конуса, совпадающая с линией расположения излучателей соответствующей антенны, перпендикулярна плоскости его основания;
- определяют положения плоскостей, в которых расположена цель, в системе координат НСК, путем пересчета для каждой антенны из ЛСК антенны в НСК координат вектора, начинающегося в начале координат ЛСК соответствующей антенны и заканчивающегося в точке пересечения линии расположения излучателей антенны и плоскости основания конуса, в которой расположена цель, перпендикулярной линии расположения излучателей антенны;
- вычисляют возможные местоположения цели в НСК, как координаты точек пересечения плоскостей, в которых расположена цель, перпендикулярных линиям расположения линеек излучателей соответствующей антенны, и сферы равной дальности до цели;
- определяют углы между вектором целеуказания и направлениями на возможные местоположения цели;
- производят отбор местоположения цели, для которого угол между вектором целеуказания и направлением на местоположение цели имеет наименьшее значение, и высота которого, с учетом высоты носителя, не ниже уровня земной поверхности.
Сущность изобретения поясняется рисунками Фиг. 1, Фиг. 2.
На Фиг. 1 представлены:
- первая (антенна 1) и вторая (антенна 2) антенны, а также линии расположения их излучателей;
- связанная система координат носителя (ССК) [O_SSK, X_SSK, Y_SSK, Z_SSK];
- локальные системы координат ЛСК1 [O_LSK1, X_LSK1, Y_LSK1, Z_LSK1], ЛСК2 [O_LSK2, X_LSK2, Y_LSK2, Z_LSK2] первой и второй антенн соответственно;
- заданные углы поворота α1, α2 осей ОХ и OZ систем координат соответственно ЛСК1, ЛСК2 вокруг оси OY.
Системы координат определены в соответствии с ГОСТ 20058-80. Начала O_LSK1, O_LSK2 систем координат ЛСК1, ЛСК2 совпадают с центрами излучения соответствующих антенн. Оси OY_SSK, OY_LSK1, OY_LSK2 систем координат параллельны между собой. В связи с тем, что смещение начал O_LSK1, O_LSK2 систем координат в начало системы координат O_SSK вносит пренебрежимо малые погрешности в определении координат цели по сравнению с координатами цели, определенными для истинных положений O_LSK1, O_LSK2, в математических выражениях, характеризующих способ, принято, что начала O_LSK1, O_LSK2 систем координат совпадают с началом системы координат O_SSK.
На Фиг. 2 (в НСК носителя) представлены:
- нормальная система координат (НСК) носителя, ССК носителя и ЛСК1, ЛСК2 антенн, при этом начала координат НСК, ССК, ЛСК1 и ЛСК2 совпадают (точка О на Фиг. 2, точка O_SSK на Фиг. 1), и оси OY_SSK, OY_LSK1, OY_LSK2 также совпадают;
- антенны 1 и 2 системы «запрос-ответ»;
- линии OA и ОВ расположения излучателей антенн 1 и 2, направления которых совпадают с направлениями осей OZ_LSK1, OZ_LSK2 ЛСК соответствующей антенны, а оси OZ_LSK1, OZ_LSK2 образуют с осью OZ_SSK ССК носителя углы α1, α2;
- круглые конусы пеленга цели антенной 1 и антенной 2, оси вращения которых совпадают с линиями расположения излучателей антенн 1 и 2, основания конусов пересекают линии расположения излучателей антенн 1 и 2 в точках А и В соответственно, образующие конусов составляют с осями OZ_LSK1, OZ_LSK2 соответствующей антенны углы соответственно β1 и β2 (углы пеленга цели антеннами 1 и 2), а длины образующих конусов равны измеренной дальности D до цели;
- окружности пересечения сферы равной дальности D до цели плоскостями оснований конусов пеленга;
- точки Т1 и Т2 возможного расположения цели.
Способ определения координат цели в системе запрос-ответ осуществляется следующим образом.
1. При выполнении циклов «Запрос носителя - Ответ цели» система с помощью ЦВУ определяет отклонения направления на цель от линий расположения излучателей первой и второй антенн (пеленги цели), используя математические описания ДН антенн и измеренные уровни сигналов от цели на выходах антенн. Результатом являются значения углов β1, β2 отклонения направления на цель от линии расположения излучателей первой и второй антенн соответственно.
Векторы направлений на цель из начал координат ЛСК антенн 1 и 2 являются образующими круглых конусов пеленга цели первой и второй антеннами.
Если пеленги цели определить двумя антеннами невозможно, определение координат цели заявляемым способом не производится.
2. При выполнении циклов «Запрос носителя - Ответ цели» система с помощью ЦВУ определяет дальность D до цели, преобразуя измеренный системой временной интервал между излучением запроса и получением ответа от цели в значение дальности с помощью математического выражения, связывающего скорость распространения радиоволн, время от выдачи запроса до получения ответа от цели и время задержки целью ответа на полученный запрос.
3. От датчиков высоты носителя система получает его измеренную высоту полета Hc.
4. Для получения математического выражения координат плоскости основания круглого конуса пеленга цели используются координаты точки пересечения плоскости основания конуса с осью вращения конуса, совпадающей с линией расположения излучателей соответствующей антенны.
Для первой антенны точка А пересечения плоскости основания конуса и линии расположения излучателей первой антенны лежит на линии расположения излучателей этой антенны на расстоянии (D*cos β1) от начала координат, и вектор ее координат в ЛСК1 будет [0 0 (D*cos β1)]T.
Для второй антенны точка В пересечения плоскости основания конуса и линии расположения излучателей этой антенны лежит на линии расположения излучателей на расстоянии (D*cos β2) от начала координат, и вектор ее координат в ЛСК2 будет [0 0 (D*cos β2)]T.
После пересчета координат точек А, В их координаты в НСК будут [XA_NSK YA_NSK ZA_NSK]T и [XB_NSK YB_NSK ZB_NSK]T, при этом для пересчета координат используются матрицы M1_LSK1toNSK и M2_LSK2toNSK пересчета координат из ЛСК1 в НСК и из ЛСК2 в НСК соответственно (матрицы M1_LSK1toNSK, M2_LSK2toNSK рассчитываются, например, по ГОСТ 20058_80, по значениям углов рыскания, тангажа и крена носителя и углов α1, α2 осей OX_LSK1, OX_LSK2 с осью OX_SSK ССК носителя):
[XA_NSK; YA_NSK; ZA_NSK] = M1_LSK1toNSK * [0 0 (D*cos β1)]T;
[XB_NSK; YB_NSK; ZB_NSK] = M2_LSK2toNSK * [0 0 (D*cos β2)]T.
5. Из курса аналитической геометрии в пространстве [Л1, Л2] известно, что прямая, проходящая через две точки М0[х0; у0; z0] и M1[x1; y1; z1], описывается уравнением:
(x-x0)/(x1-x0)=(y-y0)/(y1-y0)=(z-z0)/(z1-z0).
С учетом того, что точка М0 - точка, для которой координаты х, у, z имеют нулевые значения, уравнение прямой будет иметь вид:
x-x0/x1=y-y0/y1=z-z0/z1;
Из курса аналитической геометрии в пространстве также известно, что плоскость, проходящая через точку M1 [x1; y1; z1] перпендикулярно прямой
(x-x0)/x1=(y-y0)/y1=(z-z0)/z1,
описывается уравнением:
x1*(x-x1)+y1*(y-y1)+z1*(z-z1)=0;
или после преобразования:
x1*x+y1*y+z1*z-(x1^2+у1^2+z1^2)=0;
при этом значение (x1^2+у1^2+z1^2) равно квадрату длины вектора, направленного из начала координат в точку M1 [x1; y1; z1]. Для заявляемого способа длины векторов из начала координат в точки А и В соответственно равны (D*cos β1) и (D*cos β2).
С учетом вышеизложенного, а также с учетом того, что для плоскостей пеленга цели первой и второй антеннами точка М0 [0; 0; 0] расположена в начале координат НСК, точка M1 имеет координаты [XA_NSK; YA_NSK; ZA_NSK] для первой антенны, и [XB_NSK; YB_NSK; ZB_NSK] для второй антенны, уравнения плоскостей пеленга цели первой и второй антеннами в системе координат НСК будут иметь вид:
где 
- координаты точек, принадлежащих одновременно обеим плоскостям пеленга.
6. Уравнение сферы равной дальности D до цели в системе координат НСК будет иметь вид:
где 
- координаты точек, принадлежащих поверхности сферы равной дальности до цели.
7. Координаты [x1_nsk y1_nsk z1_nsk] и [x2_nsk y2_nsk z2_nsk] точек пересечения плоскостей пеленга и сферы равной дальности должны одновременно удовлетворять всем уравнениям системы уравнений, описывающих плоскости пеленга и сферу равной дальности до цели (т.е. быть корнями этой системы уравнений):
Для простоты записи выражений введены обозначения:
8. Проводя преобразования уравнений плоскостей пеленга цели, можно показать, что значения координат y_nsk и z_nsk связаны со значением координаты x_nsk выражениями:
Подставляя выражения для координат y_nsk и z_nsk в уравнение системы, описывающее сферу равной дальности, решая полученное уравнение относительно x_nsk, и учитывая выражения для y_nsk и z_nsk, можно показать, что корни [x1_nsk y1_nsk z1_nsk] и [x2_nsk y2_nsk z2_nsk] системы уравнений будут определяться следующими выражениями (с учетом введенных ранее обозначений):
9. Аналогично п. 8, значения координат x_nsk и z_nsk связаны со значением координаты y_nsk выражениями:
а корни системы уравнений будут определяться выражениями:
10. Аналогично п. 8, значения координат x_nsk и y_nsk связаны со значением координаты z_nsk выражениями:
а корни системы уравнений будут определяться выражениями:
11. В зависимости от того, какое значение из совокупности значений g, h, r не равно нулю, математические выражения для [x1_nsk y1_nsk z1_nsk] и [x2_nsk y2_nsk z2_nsk] вычисляются по одному из пунктов 8, 9 или 10 настоящего описания изобретения.
Вычисленные значения [x1_nsk y1_nsk z1_nsk] и [x2_nsk y2_nsk z2_nsk] являются координатами [XT1_NSK YT1_NSK ZT1_NSK] и [XT2_NSK YT2_NSK ZT2_NSK] возможных точек местоположения цели:
12. Производится проверка координаты Y возможных точек местоположения цели на допустимость значений: значения координат YT1_NSK и YT2_NSK возможных точек местоположения цели должны быть не менее значения высоты цели Hc со знаком «минус», т.е. точки возможного местоположения цели должны располагаться над земной поверхностью:
(-Hc)<YT1_NSK; и (-Hc)<YT2_NSK;
Неудовлетворяющие этому требованию точки возможного местоположения цели исключаются.
13. Отбор точки местоположения цели из оставшихся после проверки координаты Y возможных точек местоположения цели производится по заданному критерию, например - по наименьшему отклонению направления на цель от направления целеуказания, заданного вектором целеуказания [CU_X_NSK CU_Y_NSK CU_Z_NSK]T.
Наименьшему отклонению направления на цель от направления целеуказания соответствует меньший из углов χ1, χ2 между векторами возможных точек местоположения цели и вектором целеуказания, и, соответственно, большее значение косинуса этого угла:
где χi, [XTi_NSK, YTi_NSK, ZTi_NSK] - угол между вектором целеуказания и направлением на i-e местоположение цели и координаты i-го местоположения цели соответственно.
После определения косинусов углов между вектором целеуказания и каждым из направлений на возможные местоположения цели производится отбор того местоположения, для которого указанный косинус угла имеет наибольшее значение. Координаты отобранного местоположения принимаются в качестве координат цели.
Способ определения координат цели в системе «запрос-ответ» с использованием имеющей заданное направление прицеливания первой антенны, раскрыв которой выполнен в виде одномерной линейки излучателей, формирующей диаграмму направленности (ДН) первой антенны в виде как минимум части круглого конуса, ось вращения которого совпадает с направлением раскрыва линейки излучателей, использующий в качестве параметров направление целеуказания, расстояние от носителя до цели, высоту носителя, угловое положение носителя в пространстве, заданное угловое направление раскрыва линейки излучателей первой антенны относительно носителя, направление прицеливания первой антенны и перпендикулярную направлению раскрыва линейки излучателей первой антенны плоскость, в которой расположена цель, отличающийся тем, что способ дополнительно использует вторую антенну, имеющую заданное направление прицеливания, выполненную в виде одномерной линейки излучателей, формирующей ДН второй антенны в виде как минимум части круглого конуса, ось вращения которого совпадает с направлением раскрыва линейки излучателей второй антенны и непараллельна оси вращения круглого конуса, соответствующего ДН первой антенны, и перпендикулярную направлению раскрыва линейки излучателей второй антенны вторую плоскость, в которой расположена цель, при этом способ включает следующие последовательно осуществляемые этапы: располагают носитель с антеннами и направления прицеливания антенн так, чтобы ответы от цели оказались в основных лепестках диаграмм направленности обеих антенн; получают с помощью системы «запрос-ответ» с использованием каждой антенны ответные сигналы от цели и определяют, используя математические описания ДН антенн, угловые отклонения направлений ответных сигналов цели от направлений раскрыва линеек излучателей соответствующей антенны в локальной системе координат (ЛСК) каждой антенны; определяют дальность до цели преобразованием интервалов времени от выдачи запросов до получения ответов от цели; определяют для каждой из антенн положение перпендикулярной направлению раскрыва линейки излучателей соответствующей антенны плоскости, в которой расположена цель, по измеренной дальности до цели и отклонению направления ответных сигналов от линии углового направления раскрыва линейки излучателей соответствующей антенны; определяют положения плоскостей, в которых расположена цель, в нормальной системе координат (НСК), путем пересчета для каждой антенны из ЛСК антенны в НСК координат вектора, начинающегося в начале координат ЛСК соответствующей антенны и заканчивающегося в точке пересечения линии направления раскрыва линейки излучателей антенны и перпендикулярной ей плоскости, в которой расположена цель; вычисляют возможные местоположения цели в НСК как координаты точек пересечения плоскостей, в которых расположена цель, перпендикулярных линиям направлений раскрыва линеек излучателей соответствующей антенны, и сферы равной дальности до цели; определяют углы между вектором целеуказания и направлениями на возможные местоположения цели; производят отбор местоположения цели, высота которого с учетом высоты носителя не ниже уровня земной поверхности и для которого угол между вектором целеуказания и направлением на местоположение цели имеет наименьшее значение.
