Способ наблюдения за движущимися объектами многопозиционной системой приемников
Владельцы патента RU 2766569:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет имени В.Ф. Уткина" (RU)
Изобретение относится к многопозиционным сканирующим системам наблюдения за объектами в полуактивном и пассивном режимах. Система состоит из нескольких приемников (радиотехнических, радиометрических, оптических), принимающих сигналы отражения или излучения от объектов. Техническим результатом является увеличение скорости обнаружения объектов без ошибок первого и второго рода за счет вывода линий визирования антенн приемников в упрежденные точки пространства появления объектов. Заявленный способ заключается в размещении нескольких приемников, их взаимной ориентации в единой системе координат, приеме в них сигналов от объектов, вычислении показателей сопряжения векторов направлений на объекты и сравнении их с порогом обнаружения, определении оценок векторов пространственных координат и скоростей обнаруженных объектов. При этом объекты в каждом периоде обзора ранжируют по степени важности в зависимости от дальности и направления вектора скорости и в порядке ранжирования находят экстраполированное положение каждого объекта. После этого осуществляют переключение линий визирования антенн n приемников в направлении экстраполированного положения, вычисляют показатели сопряжения векторов направлений на объекты, находящиеся в зоне видимости всех приемников, сравнивают показатели с порогом обнаружения и определяют оценки векторов пространственных координат и скоростей обнаруженных объектов. Найденные оценки ставят в соответствие с ранее полученными оценками и формируют их группы. Вычисляют для каждой группы показатель правдоподобия, сравнивают его с порогом правдоподобия и сбрасывают ложные группы. Далее повторяют указанные операции в последовательности нескольких периодов обзора, после чего на последнем периоде из всех полученных групп оценок выбирают непересекающиеся группы в порядке значения показателя правдоподобия, принимают число выделенных групп за число окончательно обнаруженных объектов и оценки этих групп - за оценки траекторных параметров объектов.
Изобретение относится к многопозиционным сканирующим системам наблюдения за объектами в полуактивном и пассивном режимах. Система состоит из нескольких приемников (радиотехнических, радиометрических, оптических), принимающих сигналы отражения или излучения от объектов. Антенны радиотехнических, радиометрических приемников или объективы оптических приемников в течение одного периода обзора сканируют по определенному правилу угломерную область, где присутствуют несколько объектов наблюдения. Сканирование осуществляется непрерывно механическим способом. Принципиально возможно электронное сканирование с помощью антенной решетки. Сигналы, принятые по результатам сканирования, обрабатываются многопозиционной системой приемников с целью определения пространственных координат объектов и векторов скоростей их движения. В последовательности нескольких периодов сканирования определяются траекторные параметры объектов.
Известны способы определения пространственных положений и векторов скоростей нескольких движущихся объектов, а также их траекторий движения в последовательности периодов сканирования [1, 2], а также в одном периоде сканирования [3, 4]. В данных способах сканирование зоны обзора осуществляется непрерывным изменением линии визирования антенны (или объектива) по азимуту и углу места в режиме построчного (растрового) обзора или в режиме конического обзора. Обработка данных ведется в пассивном или полуактивном (с подсветкой) режимах в стереопарах приемников.
При непрерывном механическом сканировании, а также при электронном сканировании с длительным временем переключения диаграммы направленности антенны и наличии быстро движущихся объектов возможны ошибки первого рода (пропуска полезного сигнала), когда объекты в силу движения могут не попадать в меняющееся поле зрения одновременно двух приемников стереопары. Также возможны ошибки второго рода (ложной тревоги), когда движущийся объект попадает в поле зрения приемников несколько раз за период сканирования. Для частичного устранения этих ошибок осуществляется повторное сканирование в последовательности нескольких периодов и проводится траекторная обработка данных.
В [1] и [2] определяются орты векторов направлений на объекты в стереопарах приемников и на их основе находятся оценки векторов положения и скорости объектов в последовательности периодов. При этом присутствуют ошибки первого и второго рода из-за большого времени сканирования.
Способ [3] отличается от [1] и [2] тем, что в отдельном периоде сканирования вектор положения объекта находится строго из уравнения сопряжений векторов с учетом скорости. Тем самым снимаются динамические ошибки при нахождении пространственных координат объектов, присущие [1] и [2]. Однако по-прежнему действуют ошибки первого и второго рода и требуется большое время на сканирование. Способ [4] отличается от [3] тем, что орты векторов направлений на объекты определяются радиотехническим методом.
Рассмотрим в качестве прототипа объединенный способ [1-4], который заключается в следующем.
1. Размещают несколько взаимно удаленных и взаимно ориентированных в пространстве приемников. Антенны приемников сканируют общую зону обзора, в которой находятся несколько объектов наблюдения.
2. В каждом периоде сканирования в стереопарах приемников принимают сигналы от объектов, определяют по этим сигналам орты векторов направлений на объекты, распределяют орты по принадлежности объектам с помощью критерия сопряжения векторов, сравнивают показатель сопряжения с порогом обнаружения объектов и находят векторы пространственных координат и скоростей обнаруженных объектов.
3. В последовательности периодов сканирования найденные векторы группируют, вычисляют показатели правдоподобия групп и выделяют непересекающиеся группы с наилучшими показателями.
Данный прототип имеет следующие недостатки.
1. Непрерывное сканирование в каждом периоде обзора требует больших временных затрат и ограничивает свою применимость наблюдением только медленно движущихся объектов.
2. Непрерывное сканирование для быстро движущихся объектов вызывает появление ошибок первого и второго рода.
Предлагаемое техническое решение направлено на устранение указанных недостатков, а именно, позволяет увеличить скорость обнаружения объектов без ошибок первого и второго рода за счет вывода линий визирования антенн приемников в упрежденные точки пространства появления объектов.
Технический результат предлагаемого технического решения достигается применением способа наблюдения за движущимися объектами многопозиционной системой приемников, который заключается в размещении нескольких n приемников (n≥3), взаимной ориентации приемников в единой системе координат, приема в них сигналов от объектов, вычислении показателей сопряжения векторов направлений на объекты и сравнении их с порогом обнаружения, определении оценок векторов пространственных координат и скоростей обнаруженных объектов, отличающийся тем, что объекты в каждом периоде обзора ранжируют по степени важности в зависимости от дальности и направления вектора скорости и в порядке ранжирования находят экстраполированное положение каждого объекта, после чего осуществляют переключение линий визирования антенн n приемников в направлении экстраполированного положения, вычисляют показатели сопряжения векторов направлений на объекты, находящиеся в зоне видимости всех приемников, сравнивают показатели с порогом обнаружения, определяют оценки векторов пространственных координат и скоростей обнаруженных объектов, ставят найденные оценки в соответствие с ранее полученными оценками и формируют группы оценок, вычисляют для каждой группы показатель правдоподобия, сравнивают его с порогом правдоподобия и сбрасывают ложные группы, далее повторяют указанные операции в последовательности нескольких периодов обзора, после чего на последнем периоде из всех полученных групп оценок выбирают непересекающиеся группы в порядке значения показателя правдоподобия, принимают число выделенных групп за число окончательно обнаруженных объектов и оценки этих групп - за оценки траекторных параметров объектов.
Алгоритмически способ осуществляют следующим образом.
1. Размещают n приемников (n≥3), взаимно ориентированных в единой системе координат, и принимают в них сигналы отражения или излучения от движущихся объектов. В начальном (нулевом) периоде обзора при появлении удаленных движущихся объектов осуществляют непрерывное сканирование в системе n приемников (n≥3), вычисляют показатели сопряжения векторов направлений на объекты, сравнивают их с порогом обнаружения объектов и по результатам сканирования находят оценки: m(0) - число обнаруженных объектов, Mi(0) - вектор пространственных координат i-го объекта, Vi(0) - вектор скорости i-го объекта. Запоминают момент времени ti(0) образования i-х оценок, показатель сопряжения Ji(0), 
, который нормируют как Ii(0)=k1Ji(0), k1 - нормирующий коэффициент. Ранжируют объекты по степени важности в зависимости от дальности их положения и направления вектора движения
2. В первом периоде обзора для каждого i-го ранее обнаруженного объекта 
в порядке ранжирования находят его экстраполированное положение в виде вектора экстраполированных координат
на момент времени ti(1)=ti(0)+τi(1), где τi(1) - длительность промежутка времени, необходимого для вывода линий визирования всех приемников в упрежденную точку 
.
3. Осуществляют переключение линий визирования антенн n приемников в направлении вектора 
экстраполированного положения. Для всех j-х объектов, наблюдаемых на момент в зоне видимости всех приемников (
, mi - число таких объектов), вычисляют показатели сопряжения векторов направлений на объекты, сравнивают показатели с порогом обнаружения и определяют оценки обнаруженных объектов: вектор пространственного положения Mj(1) и вектор скорости Vj(1) на момент времени ti(l). Запоминают показатель ошибок сопряжения Jj(1). Оценки Mj(1), Vj(1), а также ti(1) и Jj(1), полученные в первом периоде обзора, ставят в соответствие оценкам, полученным на предыдущем периоде. При этом образуются группы оценок:
4. Для каждой i-й, j-й группы вычисляют показатель ее правдоподобия:
где k2 и k3 - нормирующие коэффициенты.
Сравнивают Iij(1) с порогом γ1, выбираемым эмпирически, и отсеивают ложные группы. После чего остаются m(1) перспективных групп, для которых Iij(1) ≤ γ1. Ранжируют группы по степени важности и в соответствии с рангом проводят 5-ю нумерацию:
5. На втором и последующих μ-x шагах операции повторяют. Осуществляют экстраполяцию:
затем - вывод линий визирования антенн n приемников в направлении 
, получение оценок Mj(μ), Vj(μ) на момент времени tj(μ), формирование групп оценок Ms(0), Vs(0), ts(0), Ms(1), Vs(1), ts(1), …, Mj(μ), Vj(μ), tj(μ), 
прошедших через порог: Isj(μ) ≤ γμ, где показатель правдоподобия
Группы ранжируют и они получают новую нумерацию.
7. В последнем L-м периоде обзора (μ=L) из всех полученных групп выбирают группу с наилучшим (наименьшим значением) показателем I1(L) и ее оценки принимают за траекторные параметры первого сопровождаемого объекта. Затем исключают группы, имеющие общие оценки с первой группой. Из оставшихся групп выбирают группу с наилучшим (наименьшим значением) показателем I2(L) и ее оценки принимают за траекторные параметры второго сопровождаемого объекта. Последняя непересекающаяся с предыдущими группа дает оценки m-го объекта сопровождения. На основе выделенных групп определяют траектории движения объектов, необходимые для их дальнейшего сопровождения.
Замечания. В начальном (нулевом) периоде обзора на большой дальности расположения объектов ошибки первого и второго рода проявляются слабо и усиливаются по мере уменьшения дальности в последовательности периодов.
При движении объектов плотным строем, что определяется близостью пространственных координат и векторов скоростей движения объектов, экстраполяция осуществляется в направлении центра строя объектов, после чего линии визирования антенн выводятся в направлении центра. Далее осуществляется обработка данных в соответствии с выше изложенным правилом. При этом общее время сканирования уменьшается в т раз по числу объектов в сравнении с поочередным выводом линий визирования на объекты.
Оценка эффективности предложенного способа. Способ позволяет повысить: вероятность обнаружения всех объектов за счет снятия ошибок первого и второго рода; скорость обнаружения всех объектов в последовательности периодов обзора за счет вывода линий визирования антенн в упрежденные точки появления объектов. Для оценки эффективности по времени обнаружения всех объектов примем, что при синхронном построчном угловом скатизации по углу занимает Δt с. При числе N угловых элементов по азимуту и N элементов по углу места время сканирования зоны обзора в начальный период для предложенного способа и прототипа составляет N2 ⋅ Δt. В последующих L периодах время сканирования для прототипа составляет N2L ⋅ Δt, а для предложенного способа при выводе линий визирования всех приемников в упрежденные точки т объектов время максимально занимает m(N/2)L ⋅ Δt. Следовательно, выигрыш во времени наблюдения и обнаружения всех объектов в предложенном способе по сравнению с прототипом в последовательности L периодов обзора с учетом начального периода составляет число раз
Так, при N=100, m=10 и L=10 получаем 7 раз, при L=20-10 раз.
При слежении за плотной группой т объектов время наблюдения уменьшается в т раз и составляет N(N+L/2)Δt, что в рассмотренном примере дает эффект в 10 и 19 раз.
Предложенный способ может быть использован в существующих многопозиционных системах пеленгации объектов.
Литература
1. Патент RU 2681519.
2. Патент RU 2694023.
3. Патент RU 2694023.
4. Патент RU 2729459
Способ наблюдения за движущимися объектами многопозиционной системой приемников, заключающийся в размещении нескольких n приемников (n≥3), взаимной ориентации приемников в единой системе координат, приеме в них сигналов от объектов, вычислении показателей сопряжения векторов направлений на объекты и сравнении их с порогом обнаружения, определении оценок векторов пространственных координат и скоростей обнаруженных объектов, отличающийся тем, что объекты в каждом периоде обзора ранжируют по степени важности в зависимости от дальности и направления вектора скорости и в порядке ранжирования находят экстраполированное положение каждого объекта, после чего осуществляют переключение линий визирования антенн n приемников в направлении экстраполированного положения, вычисляют показатели сопряжения векторов направлений на объекты, находящиеся в зоне видимости всех приемников, сравнивают показатели с порогом обнаружения, определяют оценки векторов пространственных координат и скоростей обнаруженных объектов, ставят найденные оценки в соответствие с ранее полученными оценками и формируют группы оценок, вычисляют для каждой группы показатель правдоподобия, сравнивают его с порогом правдоподобия и сбрасывают ложные группы, далее повторяют указанные операции в последовательности нескольких периодов обзора, после чего на последнем периоде из всех полученных групп оценок выбирают непересекающиеся группы в порядке значения показателя правдоподобия, принимают число выделенных групп за число окончательно обнаруженных объектов и оценки этих групп – за оценки траекторных параметров объектов.
