Способ определения дальности до объекта с источником излучения сигналов с разными частотами
Владельцы патента RU 2469349:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Специальное научно-производственное объединение "Элерон" (ФГУП "СНПО "Элерон") (RU)
Изобретение относится к области пассивной радиолокации и может быть использовано в комплексах, определяющих параметры движения беззапросным методом, а также в системах, использующих сигналы спутниковых радионавигационных систем. Достигаемый технический результат изобретения заключается в повышении точности и достоверности определения дальности в беззапросном режиме до источника излучения двух и более частот с помощью одной приемной станции. Способ определения дальности до объекта с источником излучения сигналов с разными частотами заключается в одновременном приеме не менее двух сигналов с разными частотами и последующем измерении фаз принятых сигналов относительно фаз сигналов опорного генератора, отличающийся тем, что осуществляют преобразование измеренного значения фазы каждого сигнала в цифровое значение временного интервала между сигналом опорного генератора и принятым сигналом, а расстояние вычисляют по определенной формуле с использованием формулы китайской теоремы об остатках. 2 ил.
Изобретение относится к области пассивной радиолокации и может быть использовано в комплексах, определяющих параметры движения беззапросным методом, а также в системах, использующих сигналы спутниковых радионавигационных систем (СРНС).
Известен способ определения дальности до источника радиоизлучения и скорости сближения летательного аппарата с ним, заключающийся в том, что в момент времени t1 принимают радиосигналы от источника радиоизлучений (ИРИ) и измеряют значения углов поворота антенны в горизонтальной φаг и вертикальной φав плоскостях, по принятым радиосигналам и измеренным значениям углов поворота антенны оценивают значения углов пеленга ИРИ φг,φв и угловых скоростей его линии визирования ωг, ωв в двух упомянутых плоскостях, по оцененным значениям углов пеленга ИРИ и угловых скоростей его линии визирования вычисляют экстраполированные значения углов пеленга ИРИ φэг и φЭВ на следующий такт обработки сигналов, по экстраполированным значениям углов пеленга ИРИ φэг и φЭВ и значениям углов поворота антенны φаг и φав формируют сигналы для управления антенной, по которым ее устанавливают в направлении на ИРИ, измеряют частоту повторения импульсов Fп принятых радиосигналов, и если частота повторения импульсов Fп принятых радиосигналов низкая или средняя, то в момент времени t2=t1+Δt , где Δt - временной интервал обработки измерений, измеряют значения углов поворота антенны в горизонтальной φaг и вертикальной φав плоскостях, а также скорость V летательного аппарата и снова принимают радиосигналы от ИРИ, по принятым радиосигналам и измеренным значениям углов поворота антенны оценивают значения углов пеленга ИРИ φг, φв и угловых скоростей линии визирования ωг, ωв в соответствующих плоскостях, измеряют значение скорости V летательного аппарата, вычисляют дальность Д до ИРИ по формуле
Оцененные значения углов пеленга ИРИ φг, φв, угловых скоростей линии визирования ωг, ωв и дальности Д выдают потребителям информации, а если частота повторения импульсов Fп принятых радиосигналов высокая, то измеряют максимальное Тмакс и минимальное Тмин значения периода повторения импульсов принятых радиосигналов, а также длительность цикла Тц изменения периода повторения этих импульсов, вычисляют дальность до ИРИ Д и скорость сближения с ИРИ Vсб по формулам
где С - скорость распространения электромагнитных волн, а символ INT означает операцию округления до целого полученного в фигурных скобках числа, вычисленные значения дальности Д и скорости сближения Vсб фильтруют, формируя их оцененные значения Д/ и V/сб, оцененные значения углов пеленга ИРИ φг, φв, угловых скоростей линии визирования ωг, ωв, дальности Д/ и скорости сближения V/сб выдают потребителям информации, затем вышеописанный процесс повторяют (патент Российской Федерации 2251709, МПК G01S 13/42).
Недостатком известного способа является относительная сложность и необходимость временного интервала для определения дальности. Однако самым существенным недостатком является низкая точность определения.
В качестве прототипа принят способ оценки текущих координат источника радиоизлучения, заключающийся в приеме излученного целью радиосигнала каждым из М+1 элементов эквидистантной линейной антенной решетки (АР), расположенных друг относительно друга на расстоянии половины длины волны λ0 источника излучения, усилении его в каждом приемном канале, измерении частоты f принятого сигнала, формировании с помощью фазометров сигналов, пропорциональных разности фаз сигналов в центральном и каждом из приемных каналов, определении направления прихода сигнала γs1, получении сигналов, пропорциональных разности разностей фаз Δφ симметричных относительно центрального приемных каналов, дополнительном усилении этих сигналов в квадрат порядкового номера симметричных каналов раз, суммировании полученных сигналов и расчете по формуле дальности до источника излучения, осуществлении попарного выноса с каждого края АР N/2 антенных элементов, где N много меньше М, и приблизительно равномерно их располагают на продольной оси АР в пределах зоны Френеля i-x не вынесенных элементов, где i=0, 1,…, (М-N)/2, определяют дальность и угловое положение вынесенных элементов, рассчитывают по измеренным координатам точки привязки вынесенных элементов к продольной оси АР и таким образом определяют их порядковые номера jn, осуществляют фазирование каналов n-х вынесенных антенных элементов, где n=0, 1, … , N/2, предварительно оценивают дальность r1 до источника излучения с учетом значений фазы принимаемого сигнала на вынесенных элементах по формуле
где с - скорость света;
M'=2max|jn|;
Δφi=φi-φ-i и Δφn=φn-φ-n - разность разностей фаз i-х и n-х симметричных относительно центрального приемных каналов соответственно;
φ±i и φ±n - разность фаз сигналов, принимаемых ±i-м и ±n-м и центральными антенными элементами соответственно;
- база АР, образованной из (М+1) элементов, уточняют вектор координат Rh={rh,γsh} и устраняют неоднозначность определения дальности до источника радиоизлучения на основе алгоритма стохастической аппроксимации
Rh+1=Rh-µ{g(Rh)-g(Rh-ΔRh)}ΔRh,
где µ=const;
среднеквадратическая ошибка (СКО) оценки фазы при h-й итерации поиска вектора Rh;
и 
- реальное и расчетное значения разности фаз в n-x (i-x) вынесенных (не вынесенных) каналах АР;
ΔRh - случайное приращение вектора Rh={rh, γsh} со средними значениями параметров rh и γsh, равными r1 и γs1, и диапазонами возможных значений Δr1 и 3δγs1 соответственно;
rдз=(М')2λ0/2 - радиус дальней зоны для трех элементной АР с базой L';
qs - отношение сигнал/шум (патент Российской Федерации 2231806, МПК G01S 5/08).
Недостатками известного способа являются относительная сложность при недостаточно высокой точности и достоверности определения дальности, а также наличие мерной базы, которая определяется размерами антенной решетки.
Технический результат изобретения заключается в повышении точности и достоверности определения дальности до источника излучения двух и более частот с помощью одной приёмной станции.
Технический результат достигается тем, что в способе определения дальности до объекта с источником излучения сигналов с разными частотами, заключающемся в одновременном приеме не менее двух сигналов с разными частотами и последующем измерении фаз принятых сигналов относительно фаз сигналов опорного генератора, введены следующие новые операции: осуществляют преобразование измеренного значения фазы каждого сигнала в цифровое значение временного интервала между сигналом опорного генератора и принятым сигналом, а расстояние вычисляют по формуле:
где 
bs - образы-остатки (интерпретируемые как значения расстояния, пропорциональные измеренным значениям фаз);
ms - модули сравнения, под которыми понимают длины волн принимаемых сигналов.
На фиг.1 представлена схема устройства, поясняющая реализацию предлагаемого способа определения дальности до объекта с источником излучения сигналов с разными частотами. На фиг.2 приведена графическая схема, иллюстрирующая способ определения дальности.
Для определения дальности до объекта 1 осуществляют прием сигналов на частотах f1 и f2 от источника излучения, находящегося на объекте 1. Приемник 2 одновременно принимает сигналы на частотах f1 и f2. Подобный приемник используется для приема сигналов, переданных на частотах f1 и f2 спутниковой радионавигационной системой (СРНС) ГЛОНАСС. Возможна реализация способа в случае приема сигналов от источника излучения более чем двух частот. Принятые сигналы поступают на цифровые измерители (3, 4) разности фаз. Разность фаз измеряется относительно фаз сигналов опорного генератора 5, подключенного к цифровым измерителям (3, 4) разности фаз, в составе которых имеются измерители (6, 7) временных интервалов. Выходы измерителей (6, 7) временных интервалов подключены к входам запуска и остановки соответственно счетчиков 8 и 9, которые подсчитывают число импульсов мерной частоты, поступающих от генератора 10, в течение времени, равного времени задержки принятого сигнала относительно опорного. Все полученные данные поступают на вычислительное устройство 11, которое осуществляет по этим данным вычисление дальности с использованием формулы китайской теоремы об остатках:
для случая использования двух модулей сравнения m1 и m2, в качестве которых используют длины волн λ1 и λ2, соответствующие частотам f1 и f2 источника излучения. Выход генератора 10 импульсов мерной частоты подключен к объединенным третьим входам счетчиков 8 и 9.
Для пояснения вычисления значения дальности с использованием теоремы об остатках сами измерения следует интерпретировать в терминах и понятиях математической теории конечных полей.
В этом случае расстояние между объектом 1 (например, спутником) и приемником - это сумма количества полных циклов плюс дробный цикл, умноженные на длину волны измеряемой частоты, например несущей.
Соотношение, связывающее дальность до объекта с фазой несущей, можно записать в следующем виде:
где р - дальность,
λ - длина волны несущей,
ϕ - измеренное значение фазы,
k - неизвестное число целых длин волн, укладывающихся в дальности до объекта.
Принципиально новый подход для определения дальности в беззапросном режиме может быть реализован при использовании математического аппарата теории конечных полей [2, 3]. Но для этого необходимо воспользоваться следующей предлагаемой моделью интерпретации математических и физических терминов и понятий, составляющих основу теории конечных полей [2, 3] и теории радиотехнических измерений [1].
При измерении на нескольких частотах модель измерений можно представить в терминах математической теории конечных полей (ТКП). В этом случае измерения фазы представляются образами-остатками, а длины волн воспринимаются, как модули сравнений.
Известные алгоритмы восстановления, позволяющие осуществить обратный переход от модулярного представления результата вычислений к традиционному позиционному, базируются на китайской теореме об остатках [2, 3].
Китайская теорема об остатках утверждает, что любое неотрицательное число х, которое не превышает значения произведения всех модулей сравнения m1×m2×….×mn, можно однозначно восстановить, если известны его остатки по этим модулям.
Математическая модель определения x на основе остатков b1, b2, …, bn и ее аналог для обработки радиотехнических измерений на основе измеренных фаз δr1, δr2, …, δrn
| При представлении результатов измерений на основе ТКП | При радиотехнических измерениях на основе КТИ ( фазовые измерения) |
| х -результат измерений | r - расстояние до объекта излучения |
| bi -образы-остатки, | δri - измеренные значения фазы |
| mi - модули сравнения | λmi - длины волн |
| Система сравнений в традиционном виде | Система сравнений в предлагаемой физико-математической интерпретации |
| x≡b1(mod m1) | r≡δr1(mod λm1) |
| х≡b2(mod m2) | r≡δr2(mod λm2) |
| … | … |
| х≡bn(mod mn) | r≡δrn(modλmn) |
Решение этой задачи можно проиллюстрировать на конкретном примере, когда излучаются три частоты.
Если излучение происходит на частотах L1, L2, L5, то длины волн равны 19, 24 и 25 см.
Задача ставится следующим образом. Требуется найти х, удовлетворяющее системе сравнений:
x≡b1(mod m1),
x≡b2(mod m2),
x≡b3(mod m3)
при следующих значениях модулей сравнения m1=19, m2=24,
m3=25 и остатках b1=9, b2=16, b3=0.
Используя формулу китайской теоремы об остатках, получим
1) M1=m2×m3=600; 600×M' 1≡1(mod 19), M' 1=7;
2) M2=m1×m3=475; 475×M' 2≡1(mod 24), M' 2=19;
3) M3=m1×m2=456; 456×M' 3≡1(mod 25), M' 3=21;
X=9×600×7+16×475×19+0×456×21=182200≡11200(mod 11400).
В результате вычислений установлено, что дальность до объекта излучения составляет 11200 условных единиц. Если результатам измерения фаз поставлены в соответствие данные псевдодальности, выраженные в метрах, то и окончательное значение Х с учетом раскрытия неопределенности равно 11200 метров.
Этот прием можно распространить и на большее количество модулей (длин волн).
В результате получаем следующий положительный эффект.
1. Для непосредственного определения дальности в беззапросном режиме достаточно одного автономно работающего приемника.
2. Прием сигналов ведется на всенаправленную антенну, поэтому нет необходимости определять пеленг на объект излучения.
3. Определение дальности производится по одномоментным измерениям разности фаз принятых сигналов и опорного генератора.
4. Точность измерения дальности в беззапросном режиме приближается к точности запросных систем.
Перечень источников информации
1. Теоретические основы радиолокации. /Под ред. В.Е.Дулевича/. - М: Советское радио, 1978 г., с.217-220.
2. Лидл Р., Нидеррайтер Г. Конечные поля. В 2-х томах. Пер с англ. - М.: Мир, 1988. - 882 с.
3. Кукушкин С.С. Теория конечных полей и информатика. T.1., М.: Минобороны России, 2003. - 278 с.
Способ определения дальности до объекта с источником излучения сигналов с разными частотами, заключающийся в одновременном приеме не менее двух сигналов с разными частотами и последующем измерении фаз принятых сигналов относительно фаз сигналов опорного генератора, отличающийся тем, что осуществляют преобразование измеренного значения фазы каждого сигнала в цифровое значение временного интервала между сигналом опорного генератора и принятым сигналом, а расстояние вычисляют по формуле:
где 
bs - образы-остатки (интерпретируемые как значения расстояния, пропорциональные измеренным значениям фаз);
ms - модули сравнения, под которыми понимают длины волн принимаемых сигналов.
