Заявлений спосіб визначення параметрів наземних радіоконтрастних перешкод (видалення, кутових координат, висоти перешкоді) при польоті літальних апаратів на малій висоті, що використовує спосіб доплерівського обуженной променя антени когерентної імпульсно-доплеровской РЛС літального апарату в угломестной площині. При цьому видалення і кутові координати наземного перешкоди визначаються традиційними для РЛС способами, а висота перешкоди - по ширині спектра доплеровских частот сигналу, відбитого від нього. Технічний результат полягає в тому, що заявляється спосіб дозволяє здійснювати оцінку висоти перешкод. 1 з.п.ф-ли, 7 мул.
Винахід стосується галузі радіолокації і може бути використано для визначення параметрів наземних перешкод (видалення, азимута, висоти) за допомогою радіолокаційних засобів, встановлених на борту літального апарату, при польоті на малих і гранично малих висотах.
Існуючі експериментальні зразки бортових радіолокаційних станцій (БРЛС) МВП (див. Наприклад, [1]) дозволяють здійснити, крім виявлення наземних об'єктів, також оцінку параметрів наземних радіоконтрастних перешкод без оцінки їх висоти, що не дозволяє оцінити ступінь їх небезпеки польоту і прогнозувати висоту їх обльоту на прогнозованих інтервалах часу. Останнє не дозволяє прогнозувати траєкторію польоту ЛА (здійснювати його маловисотний політ) при наявності перешкод на певний інтервал часу, особливо в умовах обмеженої видимості, що особливо важливо для вирішення завдання попередження про перешкоди в вертолітної авіації, для безпілотних літальних апаратів і т.д. Тим часом, попередження про перешкоди і оцінка висоти останніх є важливим фактором забезпечення безпеки маловисотного польоту (МВП), в тому числі в режимі напівавтоматичного пілотування ЛА.
Відома БРЛС [2], що використовує спосіб доплерівського обуженной променя (ДОТ) [3] для оцінки кутових координат і видалення наземних цілей за допомогою гребінки вузькосмугових доплеровских фільтрів. Суть цього способу полягає в дальномірно-доплеровской обробці інформації в БРЛС, при якій кутове положення наземної цілі визначається як кутове положення точки перетину i-й ізодопи і j-й ізодалі, в якій знаходиться наземна ціль [3]. При цьому ізодопи в елементі дозволу по дальності розташовуються по лінії азимута, а ізодалі в кожному елементі дозволу по швидкості - по лінії тангажу (куту місця). Тоді процедура оцінки азимутального положення цілі i щодо лінії польоту полягає у вирішенні рівняння (див. Фіг. 1): де Vн-швидкість польоту носія в горизонтальній площині; - довжина хвилі передавача БРЛС; доплеровская частота по i-й ізодопе; Dj - дальність по i-й ізодалі; ij - - кут візування мети у вертикальній площині в напрямку i-й ізодопи і j-й ізодалі.
Виходячи зі співвідношення (1), процедура оцінки кутової координати наземного радіоконтрастних об'єкта в угломестной площині полягає у виконанні наступних операцій: Стробування приймального пристрою БРЛС по дальності; оцінці доплеровской частоти виявлених цілей в кожному елементі дальності; оцінці кутових координат виявлених наземних цілей за номером елемента дальності і доплеровской частоті сигналу в цьому елементі.
Однак точність описаної в [2 [БРЛС при оцінці розмірів наземних цілей, в тому числі перешкод, недостатньо висока для оцінки висоти перешкод і визначається також шириною променя сканируемой ДНА БРЛС. При звуженні ДНА точність оцінки розмірів наземних перешкод збільшується; однак при цьому різко зростає час огляду зони, в межах якої відображається наявність можливих перешкод і оцінюються їх розміри. В силу останнього фактору поставлена задача не вирішується і в разі використання лазерних далекомірів, кутова розбіжність променя яких досягає декількох кутових хвилин. При цьому можлива досить точна оцінка кутових координат і дальності до верхньої кромки перешкоди по лінії польоту ЛА (до n 1 кут. Хвилин, n 1 м відповідно в сприятливих погодних умовах). Однак час, необхідний для виявлення наземного перешкоди, неприпустимо велика, що виключає використання в ЛА лазерних локаторів для вирішення даної задачі.
Отже, спосіб ДОТ, в класичному своєму вираженні, дозволяючи оцінювати кутові координати наземних цілей, в тому числі і перешкод, і видалення до них не дозволяє здійснювати оцінку висоти перешкод.
Завданням цього винаходу є визначення параметрів перешкод по лінії польоту літального апарату в межах певної зони відповідальності, в тому числі і висоти перешкод.
Поставлена задача досягається шляхом формування "лопатоподібною" діаграми спрямованості антени (ДНА) БРЛС у вертикальній (угломестной) площині і "голчастою" - в горизонтальній (азимутальной) площині з використанням багатоканальної доплеровской обробки сигналу і реалізації способу ДОТ в угломестной площині.
При цьому ДНА в горизонтальній площині зорієнтована так, щоб її вісь була спрямована по лінії польоту ЛА (або здійснювала сканування в деякому секторі щодо вектора швидкості ЛА); у вертикальній площині рівносигнальний напрямок (PCH) ДНА зафіксовано і відхилено на кут 0 щодо лінії польоту ЛП, як це зображено на фіг. 2.
При цьому відстань до наземного радіоконтрастних перешкоди визначається за номером каналу дальності, в якому відбулося його виявлення, а висота - за кількістю доплеровских фільтрів, в яких відбулося виявлення перешкоди (перешкод), і розі 0. відповідному орієнтації РСН антени у вертикальній площині.
На фіг. 1 представлена ілюстрація можливості вимірювання координат наземних об'єктів за допомогою режиму ДОТ; на фіг. 2 - ефект звуження ДНА при використанні режиму ДОТ; на фіг. 3 - принцип оцінки висоти наземних перешкод при використанні режиму ДОТ; на фіг. 4 - частотний спектр відображень в межах ДНА по куту місця (тангажу); на фіг. 5 - структурна схема каналу виявлення і оцінки координат наземних об'єктів; на фіг. 6 і 7 - ефективність запропонованого винаходу.
Суть винаходу полягає в випромінюванні і прийомі радіолокаційних сигналів за допомогою антени, що має "Лопатоподібний" діаграму спрямованості у вертикальній площині і игольчатую - в горизонтальній площині, орієнтовану у напрямку вектора швидкості польоту літального апарату, що здійснює сканування по азимуту в межах деякого кутового сектора. Прийнятий сигнал піддають дальномірно-доплеровской обробці, наприклад, за допомогою стробирования приймача РЛС по дальності і узкополосной доплеровской фільтрації, в результаті чого реалізується ефект Доплера обуженной променя в угломестной площині. Потім за допомогою методів порогової обробки здійснюють виділення ділянок доплерівського спектра, відповідного відображенням від наземних об'єктів в кожному каналі дальності, протяжність яких характеризує висоту наземного об'єкта, наприклад висоту перешкоди, а кут одвороту антени на об'єкт - азимут об'єкта. Видалення до об'єкта визначається за номером каналу дальності, де відбулося його виявлення.
Застосування допплерівського обуженной променя у вертикальній площині дозволяє штучно розбити ДНА в вертикальній площині на ряд секторів шириною i. кожен з яких відповідає певній смузі доплеровских частот сигналу, відбитого від певної ділянки підстильної поверхні, що ілюструється фіг. 2.
На фіг. 2: Vн - швидкість носія (ЛА); 0 - - положення РСН антени у вертикальній площині.
Число таких секторів і їх кутовий розмір визначаються смугою Fф пропускання доплерівського фільтра, шириною ДНА БРЛС, швидкістю Vн польоту ЛА, довжиною хвилі передавача БРЛС і т.д.
Сутність запропонованого винаходу ілюструється фіг. 3.
На фіг. 3: h - висота польоту ЛА над підстильної поверхнею; П - радіоконтрастних перешкоду висотою H; 0 - - кут візування ДНА в вертикальній площині; Vн-швидкість польоту ЛА; в, н - - кути видимості верхньої і нижньої кромок перешкоди; D - видалення перешкоди щодо ЛА; Відповідно фіг. 3, спектр доплерівських частот в межах кута. відбитих від підстильної поверхні, включаючи перешкоду, має вигляд фіг. 4.
f min f max - доплеровские частоти, що відповідають положенню нижньої і верхньої крайок променя ДНА шириною; ділянку спектра доплеровских частот, відповідний смузі доплерівського фільтра; f - ширина ділянки спектра доплеровских частот сигналу, відбитого від радіоконтрастних перешкоди.
Величина f. виходячи з фіг. 3, визначається співвідношенням Висловлюючи (2) через відомі (або заміряти) параметри польоту ЛА, можна отримати;
Тоді висота H перешкоди оцінюється у відповідності з наступним співвідношенням:
Т. е. Ширина спектра доплеровских частот сигналу, відбитого від перешкоди, залежить тільки від невідомої величини H висоти перешкоди при відомих (чи вимірюваних) параметри польоту ЛА.
Сама величина f визначається по виходу адаптивного детектора, заснованого, наприклад, на принципі одно- або двостороннього детектора (наприклад, [4]), що містить До доплеровских цифрових фільтрів, кожний з яких має смугу Fф. Кількість m поспіль наступних фільтрів, в яких відбулося виявлення сигналу, прямо пропорційно висоті H перешкоди. Випадок m = 1 відповідає або одиночної наземної цілі, або перешкоди, що має невелику висоту; випадок m> 1, особливо при малих значеннях кута 0. відповідає великій висоті перешкоди.
Структурна схема радіолокаційного каналу, що дозволяє виявляти наземні цілі і оцінювати їх координати, а також виявляти наземні перешкоди, оцінювати їх координати і висоту, представлена на фіг. 5.
На фіг. 5 Ф1. Ф2. Фк - гребінка, що складається з До вузькосмугових доплеровских фільтрів.
Сигнал з виходу приймача в кожному каналі дальності, що охоплює зону відповідальності БРЛС, фільтрується До доплерівськими цифровими фільтрами (реалізованими, наприклад, в процесорі ЦГЗ) з роздільною здатністю в загальному випадку однакової для всіх каналів.
Величина адаптивного порога змінюється в залежності від рівня фону відображень від поверхні землі. В результаті порогової обробки виділяється ділянка (або ділянки) спектра доплеровских частот, відповідний відображенням від перешкод, які становлять небезпеку для польоту (випадок m> 1), або одиночних наземних цілей (m = 1), що знаходяться в межах ширини ДНА БРЛС. Обчислювач H здійснює фіксацію числа m суміжних фільтрів Фj. Фj + m + 1) (при m> 1) і обчислення висоти H перешкоди (або перешкод). Обчислювач координат цілей реагує тільки на ситуації, коли m = 1 і проводить оцінку дальності і кутових координат одиночних цілей.
При досить малих значеннях Fф (
10. 15 o) нагоди m = 1 відповідає одиночна мета з висотою n 1м.
Нагоди m 2. 3 відповідає перешкоду з висотою H порядку n 10 м і більше (n = 1,2.).
Точність оцінки H висоти перешкоди залежить від смуги Fф доплерівського фільтра, довжини хвилі БРЛС, швидкості VН польоту ЛА, кутів н. в візування перешкоди і оцінюється відповідно до співвідношення
де середнє, верхнє і нижнє значення положення кутового сектора щодо відповідного j-му доплеровскому фільтру.
На фіг. 6 представлена експериментальна залежність точності H / H оцінки висоти перешкоди в залежності від дальності D до перешкоди, швидкості VН польоту ЛА, висоти H перешкоди для = 8,6 мм, Fф = 60 Гц і h = 50 м і при трьох значеннях швидкості польоту ЛА :
VH = 25 м / с (суцільні лінії), VH = 42 м / с (пунктирні лінії):
VH = 86м / с (штрихпунктирні лінії).
З представлених експериментальних залежностей випливає, що точність H / H оцінки висоти H перешкоди збільшується зі зменшенням дальності D до перешкоди, висоти H перешкоди, швидкості VH ЛА. Отримані результати відповідають реальним потребам при пілотуванні ЛА, коли точність оцінки висоти H перешкод повинна збільшуватися при наближенні до перешкоди і збільшенням швидкості зближення з ним.
Скачки залежностей (H / H) / H на фіг. 6 пояснюються дискретністю вимірювання величини f гребінкою вузькосмугових фільтрів з смугою кожного Fф. коли сигнал, відбитий від вершини перешкоди, переходить з одного доплерівського фільтра в сусідній з ним. Ці розриви в значній мірі усуваються використанням спільної обробки інформації в суміжних фільтрах гребінки, враховуючи, що амплітуда сигналу на виході j-го вузькосмугового доплерівського фільтра обернено пропорційна його розладі щодо сигналу і максимальна, коли смуга j-го фільтра повністю охоплює j-у дільницю спектра сигналу.
Зі зменшенням Fф смуги доплерівського фільтра точність H / H оцінки висоти H перешкоди також зростає. Однак при цьому збільшується час, необхідний когерентного накопичення сигналу при його виявленні - з одного боку; в той же час зменшується реальний час когерентного накопичення сигналу - в силу зменшення часу знаходження сигналу за такт обробки інформації в БРЛС в цьому фільтрі через рух ЛА зі швидкістю VH. Розрахунки і моделювання показали, що політ ЛА в діапазоні швидкостей 150. 280 км / год при = 8,6 мм оптимальне значення Fф становить величину порядку 30. 60 Гц. При цьому ЛА за такт обробки (
30. мс) пролітає відстань близько 3. 5 м (для наведених на фіг. 6 умов), що можна порівняти з наведеними на фіг. 6 значеннями H / H.
2. РЛС з підвищеною роздільною здатністю по кутових координатах. - Патент США, N 4903030, МКИ G 01 D 13/72, заявл. 2.07.87. опубл. 20.02.90; МКІ 342/113.
3. Cherwek R.A. Coherent active seeker guidance, concepts for tactical missiles. - "EASCON '78" Rec. IEEE Electron and Aerospace Syst. Conven. Arligton. Vo. Sept. 25-27, 1978, New York, N.Y. 1978, p.p. 199-202.
4. Е.К.Аль Хусайні. Особливості роботи "мінімального" і "максимального" детекторів при інтегруванні М-імпульсів. - ТІІЕР, 1988, том 76, N 6, стор. 101-102.
1. Спосіб визначення параметрів наземних перешкод при польоті літальних апаратів на малій висоті, що полягає в тому, що здійснюють узкополосную доплерівську фільтрацію сигналу на виході приймального пристрою радіолокаційної станції, виявляють і оцінюють координати одиночних наземних радіоконтрастних цілей, що відрізняється тим, що формують Лопатоподібний діаграму спрямованості антени радіолокаційної станції, орієнтовану у напрямку вектора швидкості польоту літального апарату, здійснюють сканування антени по азимуту в обмеженому кутовому секторі, виробляють доплеровское обуженной променя по куту місця шляхом багатоканальної доплеровской фільтрації, по затримці відбитого сигналу здійснюють виявлення сигналу у всіх фільтрах, обчислюють дальність D до наземного перешкоди, оцінюють ширину f доплерівського спектра відбитих від перешкоди сигналів, за величиною якої по співвідношенню
де Vн - швидкість польоту літального апарату;
- довжина хвилі РЛС;
h - висота польоту літального апарату над поверхнею, що підстилає,
обчислюють висоту Н наземного перешкоди, а по кутовому положенню антени в горизонтальній площині визначають азимут наземного перешкоди.
2. Спосіб за п.1, що відрізняється тим, що при виявленні і оцінці координат одиночних наземних радіоконтрастних цілей виділяють ділянки спектра відбитих від поверхні сигналів, що перевищують рівень спектра фонових відображень, ширина яких не перевищує величини смуги пропускання одиночного фільтра гребінки вузькосмугових доплеровских фільтрів при доплеровском обуженной променя.