способ определения координат источника радиоизлучения

Формула изобретения

1. Способ определения координат источника радиоизлучения, включающий прием сигнала источника радиоизлучения (ИРИ) на антенно-приемные модули (АПМ), установленные на движущемся носителе и образующие узкобазовую систему (УБС) основной позиции (ОП) пассивного локатора (ПЛ), обнаружение сигнала ИРИ и определение его несущей частоты, формирование во время движения носителя единого для всех АПМ УБС опорного сигнала с последующим формированием с использованием этого опорного сигнала квадратурных составляющих огибающих сигналов ИРИ на выходах АПМ УБС, неоднократное измерение на интервале дальности, являющимся интервалом синтезирования, этих квадратурных составляющих и их запоминание с одновременным запоминанием времени и положения фазовых центров приемных антенн АПМ в пространстве на момент каждого такта измерения этих огибающих с последующим нахождением на основе данных, полученных на интервале синтезирования, местоположения ИРИ с применением, например, метода максимального правдоподобия, отличающийся тем, что предварительно создают дополнительную вынесенную позицию (ВП), связанную с носителем ПЛ и состоящую из одного или нескольких АПМ, а на интервале синтезирования осуществляют одновременный прием сигнала ИРИ как на АПМ ОП, так и на АПМ ВП, образующей вместе с ОП среднебазовую систему (СБС) ПЛ, при возможно большей величине ее эффективной базы, причем с помощью опорного сигнала АПМ УБС формируют, а затем измеряют и запоминают квадратурные составляющие огибающих сигналов ИРИ на выходах АПМ ВП, при этом на каждом такте измерения огибающих запоминают момент этого измерения и положения фазовых центров антенн модулей ВП на этот момент, а координаты ИРИ на местности находят на основании данных с ОП и ВП, полученных на интервале синтезирования.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что траекторию движения носителя и интервал синтезирования выбирают такими, чтобы эффективный интервал синтезирования (D_{синт_эфф}) по отношению к направлению на ИРИ, отвечал условию D_{синт_эфф} (0-3-0,8)R_min, где R _min - минимальная дальность до ИРИ на интервале синтезирования, при этом расстояние между антеннами АПМ ОП и ВП (базу СБС ПЛ) выбирают независимо от длины волны сигнала ИРИ.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что местоположение ИРИ определяют путем нахождения положения точки глобального максимума двумерной обобщенной корреляционной функции (ОКФ), построенной по данным, полученным на интервале синтезирования, например, в декартовой системе координат относительно параметров R₀ и Y₀, где R₀ - удаленность ИРИ от оси Y, определяемой вектором движения носителя на начало интервала синтезирования, а Y₀ - начальное смещение носителя на начало синтезирования относительно основания перпендикуляра, опущенного из точки нахождения ИРИ на ось Y.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что на каждом i-ом такте измерения квадратурных составляющих огибающих сигнала ИРИ по этим сигналам определяют разности фаз _оцi между сигналами АПМ, затем восстанавливают абсолютные значения разностей фаз _абci на интервале синтезирования относительно первого такта, запоминают их и используют эти значения для определения местоположения ИРИ, например, по методу максимального правдоподобия, причем интервал времени между тактами определения разности фаз выбирают таким, чтобы максимально возможное изменение оценки этой разности фаз от такта к такту _оц-max по модулю не превышало значения .

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что при нахождении нескольких точек предполагаемого местоположения ИРИ в качестве координат ИРИ выбирают значения наиболее близкие к оценке координат, полученной по данным УБС, причем базу СБС ПЛ (D _ВП) и число замеров квадратурных составляющих огибающих сигнала ИРИ на интервале синтезирования N_зам выбирают в зависимости от базы УБС (D) и отношения сигнал/шум q² на выходах АПМ при определении огибающих сигнала ИРИ в соответствии с условием

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что при нахождении нескольких точек предполагаемого местоположения ИРИ определяют значения ОКФ для всех этих точек и в качестве местоположения ИРИ выбирают координаты точки с наибольшим значением ОКФ.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что ВП выполняют в виде буксируемых носителем АПМ (БАПМ).

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что БАПМ делают управляемыми в пространстве, например, с помощью аэродинамических рулей, и путем смещения БАПМ относительно траектории движения носителя увеличивают эффективную базу СБС ПЛ относительно направления на ИРИ.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что при нахождении нескольких точек предполагаемого местоположения ИРИ эти точки дополнительно просматривают с помощью системы видения с высоким разрешением, например радиовидения, и местоположение ИРИ определяют за счет анализа изображения этой системы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам пассивной радиолокации. Оно может быть использовано для определения местоположения источника радиоизлучения (ИРИ) с помощью пассивного локатора (ПЛ), размещенного на носителе ПЛ и осуществляющего локацию при движении носителя на некотором интервале дальности D_синт - интервале синтезирования.

Аналогами предлагаемого способа могут служить способы, использующие многопозиционные системы из N ПЛ. Каждый из ПЛ имеет в своем составе N _АМП антенно-приемных модулей (АПМ), образующих узкобазовую систему пассивной локации. При этом под узкобазовыми системами (УБС) понимаются многоканальные системы пеленгации, пространственное расположение антенн которых обеспечивает однозначное определение пеленга ИРИ при каждом приеме его сигнала (см., например, книгу «Теоретические основы радиолокации» под ред. В.Е.Дулевича, М., изд-во «Сов. Радио», 1978 г., стр.263, книгу В.В.Цветнова, В.П.Демина, А.И.Куприянова. «Радиоэлектронная борьба: радиоразведка и радиопротиводействие», М., изд-во МАИ, 1998 г., стр.29, 33).

Задачу определения координат ИРИ решают одно или двухэтапным методами. При двухэтапном методе определения местоположения ИРИ вначале в каждом ПЛ с помощью УБС определяют пеленг ИРИ. Затем, исходя из вычисленных пеленгов и знания расположения ПЛ, триангуляционным способом определяют местоположение ИРИ (см., например, книгу «Теоретические основы радиолокации» под ред. Я.Д.Ширмана, изд-во «Сов. Радио», М., 1970 г., стр.494). В этом случае УБС может быть выполнена, например, в виде фазового пеленгатора - интерферометра, в котором направление на ИРИ определяют, используя оценку разности фаз между сигналами разных АПМ одного ПЛ (см., например, приведенную ранее ссылку на книгу под ред. В.Е.Дулевича, книгу Ю.Г.Сосулина «Теоретические основы радиолокации и радионавигации». М., изд-во «Радио и связь», 1992 г., стр.136).

Вместо N ПЛ, разнесенных на местности, может быть использован один ПЛ, установленный на подвижный носитель, например на летательный аппарат (ЛА). За время движения носителя на некотором интервале дальности - интервале синтезирования проводят неоднократный прием сигнала ИРИ и оценку направления на него. На каждом такте оценки пеленга положение носителя должно быть известно. В этом случае переход от многопозиционной пассивной системы из N ПЛ к одному ПЛ, но осуществляющего многократный прием и оценку пеленга при разных положениях его в пространстве, принципиально не меняет существо способа. Поэтому оба способа определения координат ИРИ могут служить аналогами предлагаемого способа.

Основным недостатком аналога является низкая точность определения координат ИРИ. Ошибки определения пеленга ИРИ зависят, в том числе, от размеров антенной системы УБС. В частности, в интерферометре эти ошибки зависят от максимального разноса фазовых центров антенн антенной системы УБС (ее базой D) и от соотношения этой базы и длины волны сигнала ИРИ. Ошибки определения координат ИРИ зависят также от протяженности интервала синтезирования, от его расположения относительно точки нахождения ИРИ. При однозначной оценке пеленга существует предел максимально допустимого соотношения D/ , которое зависит от вида, числа и взаимного расположения антенн УБС. На практике это соотношение невелико, что существенно ограничивает потенциальную точность УБС при определении пеленга ИРИ на каждом такте приема его сигнала и местоположения ИРИ при использовании многопозиционного ПЛ.

Увеличение базы антенной системы выше максимально допустимой приводит, в общем случае, к неоднозначности в определении как направления на ИРИ, так и его местоположения. Это хорошо известно и изучено. В частности, для двухэлементного интерферометра однозначность обеспечивается только при базе D<0.5 (см., например, книгу «Справочник по радиолокации» под ред. М.Сколник, т.2, М., «Сов. Радио», 1979 г., стр.140). Для многоэлементного интерферометра максимальный размер базы определяется, например, также в книге «Теоретические основы радиолокации» под ред. В.Е.Дулевича.

В качестве прототипа взят способ определения координат ИРИ, описанный в статье А.В.Дубровина и Ю.Г.Сосулина «Одноэтапное оценивание местоположения источника радиоизлучения пассивной системой, состоящей из узкобазовых подсистем» (журнал «Радиотехника и электроника», №4 за 2004 г.).

Согласно указанному способу сигнал ИРИ принимают на АПМ УБС ПЛ, установленного на движущемся ЛА. Принятый сигнал усиливается и селектируется (фильтруется) в выбранном диапазоне частот. Далее сигнал ИРИ обнаруживают и определяют его несущую частоту. В каждом АПМ проводят формирование квадратурных составляющих огибающих сигналов ИРИ (комплексных огибающих). На интервале оценки местоположения ИРИ (на интервале синтезирования) осуществляют неоднократное измерение (оценку) и запоминание квадратурных составляющих сигналов на выходах АПМ, занося эти данные в массив измерений, проведенных на интервале синтезирования. При этом для образования квадратурных составляющих используют сигнал единого для всех АПМ опорного генератора. Одновременно при каждом такте оценки квадратурных составляющих ИРИ фиксируют и также заносят в массив измерений момент этой оценки и положения фазовых центров приемных антенн АПМ в пространстве на момент этой оценки. Исходя их данных, занесенных в массив измерений на интервале синтезирования, определяют местоположение ИРИ. Это может быть сделано, например, путем построения функции правдоподобия для полученных оценок квадратурных составляющих огибающих и нахождения ее глобального максимума, координаты которого и определяют местоположение ИРИ.

Это так называемый одноэтапный способ определения координат ИРИ. И хотя этот способ при малых соотношениях сигнал/шум несколько превышает по точности определения координат двухэтапный способ (см. указанную статью А.В.Дубровина и Ю.Г.Сосулина), тем не менее даже потенциальная точность одноэтапного способа определения координат относительно невелика из-за указанных ранее ограничений на базу УБС пассивной локации.

Задачей предлагаемого способа является существенное повышение точности однозначного определения координат ИРИ при использовании его, в том числе, на летательном аппарате (ЛА), осуществляющим мониторинг земной поверхности и радиоизлучений в СВЧ и, особенно, в УКВ и KB диапазонах.

Сущность изобретения состоит в том, что в способе, включающем прием сигнала ИРИ на АПМ, установленные на движущемся носителе и образующие УБС пассивной локации, усиление этого сигнала, его фильтрацию, обнаружение и определение его несущей частоты, генерацию единого для всех АПМ УБС опорного сигнала и формирование с использованием этого опорного сигнала двух квадратурных составляющих огибающих сигналов ИРИ на выходах АПМ УБС, неоднократное измерение (оценку) на интервале дальности (интервале синтезирования) этих квадратурных составляющих и их запоминание, а также запоминание времени (момента) этих измерений и положения фазовых центров приемных антенн АПМ в пространстве на момент каждого такта этих измерений с последующим нахождением местоположения ИРИ на основе данных, полученных на интервале синтезирования, предварительно создают дополнительную вынесенную позицию (ВП), состоящую из одного или нескольких АПМ, а на интервале синтезирования осуществляют одновременный прием сигнала ИРИ как на АПМ УБС, служащей основной позицией (ОП), так и на АПМ ВП, образующей вместе с ОП среднебазовую систему (СБС) пассивной локации. Причем с помощью опорного сигнала АПМ УБС формируют также, а затем измеряют и запоминают квадратурные составляющие огибающих сигналов ИРИ на выходах АПМ ВП. При этом на каждом такте измерения огибающих запоминают момент этого измерения и положения фазовых центров антенн модулей ВП на этот момент, а координаты ИРИ на местности находят на основании данных с ОП и ВП, полученных на интервале синтезирования.

Возможно создание нескольких ВП, которые образуют или за счет ввода дополнительных АПМ, или за счет использования части АПМ УБС.С помощью ОП, как и ранее, решают задачи обнаружения сигнала ИРИ, оценки его несущей частоты и, возможно, другие задачи УБС пассивной локации, например определение пеленга при каждом приеме сигнала ИРИ.

СБС пассивной локации, создаваемая за счет объединения ОП и ВП, характеризуется тем, что база ее антенной системы значительно превышает длину волны сигнала ИРИ, причем без ограничений на их соотношение, как это требуется в УБС для получения однозначной оценки пеленга ИРИ на каждом такте приема его сигнала. Вместе с тем, база СБС существенно меньше расстояния до ИРИ.

Для достижения однозначной оценки координат ИРИ при введении ВП траекторию движения носителя и интервал синтезирования выбирают такими, чтобы эффективный интервал синтезирования (D_{синт_эфф}), соответствующий эффективной протяженности интервала синтезирования по отношению к направлению на ИРИ, отвечал условию D_{синт_эфф} (0.3-0.8)R_min, где R _min - минимальная дальность до ИРИ на интервале синтезирования. В этом случае расстояние между антеннами АПМ ОП и ВП (базу D _ВП СБС ПЛ) выбирают независимо от длины волны сигнала ИРИ, а число АПМ ОП (N_{АПМ ОП}) выбирают в соответствии с условием N_{АПМ ОП} 1. При этом под эффективным интервалом синтезирования D _{синт_эфф} понимается тангенциальная (относительно ИРИ) составляющая пути, пройденного ЛА за время синтезирования, что поясняется рисунком на фиг.1. На этом рисунке эффективный интервал синтезирования равен длине хорды, соответствующей дуге окружности с центром в точке расположения ИРИ и радиусом R_min =min{R₁(t), R₂(t)} на интервале синтезирования, где R₁(t), R₂(t) - расстояние от фазового центра антенн ОП и ВП до ИРИ на интервале синтезирования. Приведенный разброс минимально допустимой величины эффективного интервала синтезирования, необходимого для получения однозначной оценки координат ИРИ, определяется разными условиями работы. Эта величина зависит от отношения мощностей сигнала и шума, от алгоритма поиска оценки координат и пр.

Сформированный за время полета ЛА на интервале синтезирования массив измерений, включающий в себя данные по ОП и ВП, используют для определения местоположения ИРИ (его координат на поверхности земли). При оптимальном решении задачи координаты ИРИ определяют, например, как положение точки глобального максимума двумерной обобщенной корреляционной функции (ОКФ). При этом можно использовать прямоугольную систему координат X, Y, связанную с траекторией полета носителя ПЛ. В частности, за ось Y принимают направление движения ЛА на начало интервала синтезирования, а за ось Х - перпендикуляр к этому направлению, проходящий через точку нахождения ИРИ. В этом случае оцениваемыми параметрами являются по оси Х параметр R₀ - удаленность ИРИ от оси Y (от траектории полета носителя), а по оси Y параметр Y₀ - смещение начала интервала синтезирования относительно оси Y. При этом сначала сигнал ИРИ обнаруживают, измеряют его несущую частоту, например, за счет сигналов ОП, а затем определяют координаты ИРИ. Определенное таким образом местоположение ИРИ (положение глобального максимума ОКФ) R _0оц и Y_0оц может быть пересчитано в любую другую систему координат.

В некоторых случаях, например, когда априорная неопределенность положения ИРИ значительно превышает ширину глобального максимума ОКФ, расчет ОКФ может потребовать значительный объем вычислений, не реализуемый, в частности, в реальном масштабе времени. Для упрощения алгоритма и уменьшения объема вычислений на каждом i-ом такте измерения огибающих сигнала ИРИ определяют разности фаз _оцi между сигналами разных АПМ. Эти оценки с определенностью до величины 2 n, где значение n в общем случае неизвестно, находят, например, непосредственно из полученных на каждом такте значений двух квадратурных составляющих огибающих сигналов на выходах АПМ ОП и ВП. Затем восстанавливают абсолютные значения разностей фаз _абсi на интервале синтезирования, например, относительно первого такта измерений, запоминают эти фазы и затем используют для определения местоположения ИРИ, например, по методу максимального правдоподобия. Причем интервал времени между тактами определения разности фаз выбирают таким, чтобы максимально возможное изменение оценки этой разности фаз от такта к такту _оц-max по модулю не превышало значения .

При нахождении координат с использованием ВП может возникнуть неоднозначность, в частности, при невыполнении условия, что эффективный интервал синтезирования сопоставим (или больше) дальности до ИРИ. В этом случае из нескольких точек предполагаемого местоположения ИРИ в качестве координат ИРИ выбирают точку, координаты которой наиболее близки к оценке координат, полученной по данным УБС, причем базу D_ВП и число замеров квадратурных составляющих огибающих сигнала ИРИ на интервале синтезирования N_зам выбирают в этом случае в зависимости от базы D УБС и отношения сигнал/шум q² на выходах АПМ в соответствии с условием .

Оценки неизвестных координат ИРИ с использованием измерений разности фаз _оцi могут быть неоднозначны. В некоторых случаях, например при сопоставимости эффективного интервала синтезирования с дальностью до ИРИ, для устранения неоднозначности используют рассмотренную ранее ОКФ. Для этого при нахождении нескольких точек предполагаемого местоположения ИРИ определяют значения ОКФ в этих точках и в качестве местоположения ИРИ выбирают координаты точки с наибольшим значением ОКФ.

С целью значительного увеличения базы СБС и соответственно точности оценки координат ИРИ используют одну или несколько ВП, выполненных в виде буксируемых АПМ (БАПМ).

Точность определения положения БАПМ зависит, в том числе, и от эффективной базы СБС. При этом под эффективной базой понимается тангенциальная (относительно ИРИ) составляющая реальной (физической) базы СБС. Для увеличения эффективной базы СБС с использованием БАПМ их делают управляемыми в пространстве, например, с помощью аэродинамических рулей, и путем смещения БАПМ относительно траектории движения носителя увеличивают эффективную базу СБС ПЛ относительно направления на ИРИ.

В комплексных системах мониторинга радиоизлучений и земной (и водной) поверхности, имеющих в своем составе не только ПЛ, но и другие пассивные и активные системы видения с высоким разрешением (оптические, инфракрасные, радиосистемы), для устранения неоднозначности ПЛ используют эти системы видения. Для этого при нахождении способами пассивной локации нескольких точек предполагаемого местоположения ИРИ для дополнительного анализа изображений в области этих точек используют систему видения с высоким разрешением, например, радиовидения, и местоположение ИРИ определяют за счет выделения ИРИ по характерным признакам его изображения.

Технический результат применения предлагаемого способа связан, в первую очередь, с возможностью увеличения точности определения координат ИРИ за счет увеличения базы антенной системы СБС D_ВП. Принципиальных ограничений на величину базы СБС при данном способе практически нет, и она может быть выбрана максимально возможной, исходя из конструктивных особенностей носителя ПЛ и других ограничений, связанных с технической реализацией способа. В частности, важно отсутствие существенных искажений фазового фронта сигнала ИРИ на входах антенн ОП и ВП за счет влияния конструкций носителя, что достигается, в том числе, путем выбора расположения антенн АПМ ОП и ВП на носителе. Ограничение размеров базы D _ВП возможно также из-за необходимости обеспечения требуемых точностей измерения положения фазовых центров антенн ОП и ВП и моментов времени, в которых проводится эта оценка. Ошибка оценки положения антенн в направление на ИРИ должна быть значительно меньше длины волны сигнала ИРИ. Для различных носителей эта ошибка может быть различной, но, например, для современных ЛА точность определения положения антенн может быть очень высокой, ошибка не превышать доли сантиметра, что гарантирует нормальную работу предлагаемого способа, особенно при определении координат ИРИ УКВ и, тем более, KB диапазонов. Дополнительные ограничения могут возникнуть, например, из-за требований по обеспечению когерентности опорных сигналов во всех АПМ. Но, несмотря на все эти ограничения, практически реализуемая точность однозначного определения местоположения ИРИ за счет использования ВП может быть существенно увеличена, в некоторых случаях на порядок и более, особенно для ИРИ KB и УКВ диапазонов, наиболее сложных с точки зрения определения их местоположения.

Наилучшую точность при определении местоположения дают оптимальные методы обработки, основанные, например, на функции правдоподобия (или ОКФ), полученной исходя из оценок квадратурных составляющих огибающих сигналов ИРИ. Однако для сокращения объема вычислений, что может потребоваться, в частности, при необходимости их проведения в масштабе времени, близком к реальному, можно перейти к измерению разности фаз между сигналами на выходах АПМ ОП и ВП. Эти разности фаз можно непосредственно использовать для нахождения координат ИРИ, определяя, например, численными методами, глобальный максимум функции правдоподобия применительно к полученным оценкам разностей фаз, а затем и его положение в координатах R_0оп и Y_0оп . Такой подход приводит к увеличению ошибок определения положения ИРИ, но позволяет сохранить однозначность. Дальнейшее сокращение объема вычислений может быть получено за счет перехода к аналитическим оценкам координат ИРИ, например, по методу максимального правдоподобия. Для этого, вначале, как уже описано ранее, для каждого АПМ восстанавливают абсолютное изменение разности фаз на интервале синтезирования относительно 1-го такта _абсi. Далее на основании полученного на интервале синтезирования массива измерений _абсi определяют координаты ИРИ, используя, например, алгоритм оценки по методу максимального правдоподобия. Но аналитическая оценка, как правило, неоднозначна. Для устранения возможной неоднозначности и сохранения точности оптимальных методов согласно предлагаемому способу вычисляют ОКФ во всех точках неоднозначности и истинное местоположение ИРИ находят как координаты точки с наибольшим значением ОКФ. Такой подход позволяет на практике сохранить высокую точность и, вместе с тем, однозначность определения местоположения ИРИ при относительно небольших вычислительных затратах.

Для пеленгации ИРИ в УКВ и, особенно, в KB диапазонах размеры носителя ПЛ не достаточны. Так, при частоте сигнала ИРИ 10 МГц ( =30 м) практически нельзя создать интерферометр на носителе. Ввод БАПМ дает возможность создать базу интерферометра порядка 100...200 м и, тем самым, получить достаточно высокую точность пеленгации ИРИ.

Наличие на носителе ПЛ систем видения с высоким разрешением позволяет объединить эти системы и использовать ПЛ как систему наведения для системы видения, а систему видения - как систему для устранения неоднозначности ПЛ. Как результат - обнаружение ИРИ в широкой полосе относительно траектории носителя и высокоточное определение координат ИРИ.

Перечень фигур

На фиг.1 приведен пример взаимного расположения ИРИ, ОП и ВП носителя на начало интервала синтезирования (ОП - точка 1, ВП - точка 2) и на некоторый i-ый такт приема (точки 1' и 2' соответственно). Показаны также интервал синтезирования (D_синт) и эффективный интервал синтезирования (D_{синт_эфф}).

На фиг.2 приведен трехмерный вид нормированной ОКФ F_н при разных опорных (предполагаемых) значениях Y_0оп и R _0оп, полученный путем математического моделирования при имитации квадратурных составляющих сигналов на выходах АПМ СБС с числом АПМ ОП и ВП N_{АПМ ОП}=N _{АПМ ВП}=1 при D_ВП=2 м, q ²=20 дБ, частоте ИРИ f=1 ГГц, R₀=50 км, Y₀=-25 км, при интервале между замерами сигналов R_пов=500 м и числе таких замеров N_зам=100 (так что интервал синтезирования D_синт=R_повN _зам=50 км).

На фиг.3 приведена та же ОКФ в двухмерном яркостном изображении.

На фиг.4 даны несколько сечений той же ОКФ по Y_0оп.

На фиг.5 приведены ее сечения по R_0оп.

Фиг.6 и 7 аналогичны фиг.4, но при q²=O дБ и q ²=-10 дБ соответственно.

Фиг.8 и 9 также аналогичны фиг.4 при q²=-10 дБ, но при увеличенном числе замеров квадратурных составляющих сигнала ИРИ: N _зам=1000 на фиг.8 и N_зам=10000 на фиг.9. Одновременно для сохранения интервала синтезирования изменен шаг между замерами: R_пов=50 м на фиг.8 и R_пов=5 м на фиг.9 соответственно.

На фиг.10 приведена блок-схема возможного варианта построения устройства, реализующего предлагаемый способ.

Общий подход к решению задачи определения координат ИРИ при использовании интервала синтезирования можно пояснить исходя из фиг.1.

Если положить для простоты, что ОП и ВП состоят из одного АПМ, а сигнал ИРИ - гармонический сигнал, то комплексные огибающие сигнала ИРИ на выходах АПМ ОП и ВП в отсутствии мешающих сигналов на 1-ом такте приема сигнала ИРИ можно представить в виде:

где А_i и - случайные независимые для каждого такта и одинаковые для всех АПМ амплитуда и начальная фаза сигнала ИРИ, R _1i и R_2i - расстояния от ИРИ до фазовых центров антенн АПМ ОП и ВП соответственно, а

От выражения (1) можно перейти к следующей записи сигналов:

где комплексная огибающая

Если положить, что прием сигналов осуществляется на фоне собственных шумов АПМ, то комплексные огибающие сигналов на выходах АПМ ОП и ВП соответственно запишутся:

где - независимые нормальные комплексные случайные величины с дисперсией квадратурных составляющих ² _сш.

Можно перейти к матричной записи, введя векторы-столбцы:

Вектор неизвестных параметров {R ₀, Y₀, A, }в соответствии с изложенным, например, в статье L.E.Brennon, L.S.Reed «Theory of Adaptive Radar» (IEEE Trans. On AES, vol. AES-9, №2, March, 1973) может быть заменен вектором {R ₀, Y₀, , *}, где знак [*] означает эрмитово сопряжения.

В этом случае при проведении на интервале синтезирования N _зам тактов приема (замеров) сигнала ИРИ их функция правдоподобия имеет вид:

где R - ковариационная матрица шумов АПМ ОП и ВП, detR - определитель матрицы R, а знак [^-1] - означает обращение матрицы.

Из (9), исходя из независимости шумов разных АПМ и каждого АПМ в разные такты приема сигнала ИРИ, логарифм функции правдоподобия с точностью до слагаемых и коэффициентов, не влияющих на оценку существенных параметров R₀, y₀, можно записать:

Несущественные параметры для каждого такта приема сигнала ИРИ _i и _i*, где знак [*] для комплексной скалярной величины означает только операцию комплексного сопряжения, могут быть исключены из (10) путем замены их оценкой, например, по методу максимального правдоподобия (см., например, книгу Куликова Е.И и Трифонова А.П. «Оценка параметров сигналов на фоне помех», стр.200). Если при этом исключить также слагаемые, не зависящие от определяемых (существенных) параметров R₀ , Y₀, то от выражения (10) можно перейти к ОКФ F(v₁, v₂/R _0оп, Y_0оп). Здесь R _0оп, Y_0оп определяют опорные векторы u₁ и u₂, а истинные параметры R₀, Y₀, соответствующие положению ИРИ, определяют векторы его сигнала v₁, v₂ (с точностью до собственных шумов АПМ).

Далее для примера приведены результаты численных расчетов нормированной ОКФ F _н(v₁, v₂/R _0оп, Y_0оп)=F(v₁ , v₂/R_0оп, Y _0оп)/F(v₁, v₂ /R₀, Y₀). Рассматривается случай определения координат ИРИ с координатами R ₀, Y₀, излучающего непрерывный гармонический сигнал на частоте 1 ГГц. Полагается, что сигнал ИРИ фильтруется и результирующее отношение сигнал/шум равно q ². Следует отметить, что переход на сигналы с различной модуляцией практически не меняет результат моделирования.

На фиг.2 приведен трехмерный вид нормированной ОКФ при R ₀=50 км, Y₀=-25 км, D _ВП=2 м, R_пов=500 м, N _зам=100 и q²=20 дБ, на фиг.3 - та же ОКФ в двухмерном яркостном изображении, на фиг.4 - ее сечения по Y_0оп, а на фиг.5 - ее сечения по R _0оп при разных значениях Y_0оп.

Положение ИРИ определяется точкой глобального максимума ОКФ - ее главного лепестка (ГЛ) на плоскости R_0оп , Y_0оп. Найдя этот максимум, определяют и его положение - R_0оп, Y _0оп, что и является оценкой положения ИРИ.

Потенциальную (теоретически предельную) точность оценок координат ИРИ характеризуют дисперсии эффективных оценок, которые определяются информационной матрицей Фишера, в свою очередь, получаемой на основе функции правдоподобия. Для упрощения задачи математического анализа ПЛ можно рассмотреть случай оценки координат ИРИ при прямолинейном движении ЛА с постоянной скоростью V в соответствии с фиг.1 при выполнении на всем интервале синтезирования D _синт условия

Тогда при двухэтапном способе определения координат дисперсии эффективных оценок Y₀ и R ₀, определяются выражениями:

При известной траектории полета носителя во времени нетрудно затем перейти от координат X, Y к любым другим координатам на плоскости, например, к географической системе координат.

Переход на одноэтапный метод измерения параметров R₀ и Y₀ из общих соображений и как это показано в приведенной ранее статье Дубровина А.В. и Сосулина Ю.Г при малых отношениях сигнал/шум даже увеличивает потенциальную точность.

Исходя из выражений (12) и (13) следует, что для увеличения точности оценок координат ИРИ желательно увеличивать базу антенной системы D. На практике переход от типичной УБС (по прототипу) с базой D, например, порядка 1.5 м к СБС (к предлагаемому способу) с базой D_ВП порядка 15 м означает возможность увеличения потенциальных точности и разрешающей способности в 10 раз.

Из приведенных фиг.2, 3 и 5 видно, что для рассмотренного случая ОКФ помимо глобального максимума имеет еще боковые всплески - боковые лепестки (БЛ) ОКФ, которые могут создать неоднозначность в определении Y ₀. Однако можно показать аналитически, и это видно на приведенных рисунках, что при определенных названных ранее условиях максимальные значения (амплитуды) БЛ ОКФ могут быть уменьшены по сравнению с амплитудой ГЛ ОКФ настолько, что ГЛ можно выделить даже в условиях воздействия шумов. Математически степень однозначности оценки координат ИРИ (отличия амплитуды ГЛ от амплитуд других БЛ) определяется величиной отклонения на интервале синтезирования характера изменения разности фаз сигналов ОП и ВП от линейного закона (при прямолинейном движении носителя). Это отклонение тем больше, чем больше эффективная протяженность интервала синтезирования, и можно показать, что для надежного выделения ГЛ в практически интересных случаях требуется, чтобы эффективная протяженность интервала синтезирования была сопоставима или больше дальности до ИРИ. Невыполнение этого требования приведет к появлению не только первых, но и дальних БЛ и к увеличению уровня ближних примерно до уровня ГЛ. Минимальное соотношение D_{синт_эфф} и R_min, необходимое для получения однозначной оценки координат ИРИ, зависит, конечно, от соотношения уровней сигнала и шума. Но при хорошем отношении сигнал/шум определение ГЛ возможно также не только по его превышению над остальными БЛ, но и путем определения огибающей БЛ, что позволяет снизить требования на отношение D _{синт_эфф}/R_min. В общем случае невыполнение указанного требования на величину D_{синт_эфф} может потребовать дополнительных действий, в частности, рассмотренных ниже, для получения однозначной оценки.

Для предлагаемого способа очень важно, и это можно показать аналитически и численными методами, что в отсутствии шумов в интересных величина D _ВП мало влияет на указанную степень однозначности определения местоположения ИРИ.

Вместе с тем, различимость ГЛ по сравнению с БЛ зависит также от отношения сигнал/шум на каждом такте измерения квадратурных составляющих сигнала ИРИ. Так, если снижение этого отношения в рассматриваемом примере до 0 дБ (фиг.6) приводит к почти незаметному увеличению ошибки определения координат ИРИ за счет смещения максимума ГЛ, то, как видно из фиг.7, дальнейшее снижение этого отношения до -10 дБ может привести к перепутыванию ГЛ и БЛ, к неоднозначности определения ГЛ, т.е. к аномальному росту ошибки за счет перепутывания в некоторых тактах приема сигнала ИРИ.

При слабых сигналах ИРИ следует увеличивать число замеров сигнала ИРИ N_зам. В соответствии с (12) для компенсации некоторого уменьшения отношения сигнал/шум в каждом такте требуется квадратичное увеличение числа замеров (с соответствующим уменьшением R_пов для сохранения D_синт). Из фиг.8 и 9 видно, что при снижении отношения сигнал/шум до -10 дБ увеличение числа замеров до 1000 (фиг.8) не дает хорошего результата. При дальнейшем увеличении N_зам до 10000 (фиг.9) результат примерно соответствует случаю, когда отношение сигнал/шум равно 0 дБ, а число замеров составляет 100 (фиг.6).

Наблюдаемое на приведенных рисунках соотношение протяженности ГЛ и удаленности от них первых БЛ практически не зависит от размера базы СБС пассивной локации. Для примера, у СБС, состоящей из одного АПМ ОП и одного АПМ ВП, ширина главного и всех остальных лепестков примерно в два раза меньше расстояния между соседними лепестками. Это расстояние определяется известным соотношением для дифракционных лепестков антенны, состоящей из двух элементов с изотропной диаграммой направленности. Оно равно R/D (см. «Справочник по радиолокации» под ред. М.Сколник, т.2, стр.140, М., «Сов. Радио», 1979 г.). Но в рассматриваемых условиях спад амплитуд БЛ примерно также пропорционален R/D_ВП. А это означает, что спад первого (и последующих) БЛ не зависит от базы D_ВП . Вместе с тем, и точность оценки координат, как было показано выше, обратно пропорциональна величине этой базы, т.е. вероятность перепутывания ГЛ с одним из БЛ и обсуждаемая ранее степень однозначности оценки координат мало зависят от D_ВП и с точки зрения влияния шумов. Поэтому для увеличения точности эту базу можно увеличивать, насколько позволяют конструктивные особенности носителя и требования по отсутствию искажений фазового фронта сигнала от ИРИ на апертуре СБС, по когерентности приема во всех АПМ СБС и по точности оценки положений фазовых центров антенн всех АПМ СБС и пр.

Независимость степени однозначности определения координат ИРИ от базы D_ВП подтверждают результаты математического моделирования для рассмотренного ранее (фиг.2) случая при разных D_ВП. В таблице 1 приведены уровни первых БЛ: для «ближнего» БЛ (при Y _ОБЛ<Y_ОГЛ) - столбец «-1» и для «дальнего» БЛ (при Y_ОБЛ>Y _ОГЛ) - столбец «+1», где Y_ОБЛ, Y _ОГЛ, как и R_ОБЛ, R _ОГЛ - координаты БЛ и ГЛ. Как следует из таблицы с ростом D_ВП удаление БЛ от ГЛ (с координатами R _ОГЛ=50 км и Y_ОГЛ=-25 км) по оси Y пропорционально уменьшается, но само значение БЛ - нормированной ОКФ F_н в точках расположения БЛ - практически не меняется (ГЛ имеет значение F_нБЛ=1).

Таблица 1.
DВП [м]	-1				+1
	FН	R ОБЛ [км]	YОБЛ [км]	(YОГЛ-Y ОБЛ) [км]	FН	RОБЛ [км]	YОБЛ [км]	(Y ОГЛ-YОБЛ) [км]
2	0.81	48.5	-33	-8	0.82	48.5	-17	8
20	0.8	50	-25.4	-0.4	0.82	50	-24.5	0.5
200	0.81	50	-25.08	0.08	0.81	50	-24.915	0.085

Техническая реализация предлагаемого способа может быть основана на существующих в настоящее время УБС ПЛ и на АПМ, входящих в их состав. На фиг.10 приведена блок-схема и взаимное расположение ИРИ и антенн АПМ для одного возможного варианта построения устройство, реализующего предлагаемый способ. АПМ 1 ОП и ВП в общем случае могут быть идентичны и иметь антенну, приемник 2 и преобразователь аналогового сигнала в цифровой (АЦП) 3. Часть АПМ образуют ОП 4. Другой (другие) АПМ образуют ВП 5. Единый для всех АПМ гетеродин 6 формирует опорный сигнал, с помощью которого принятые сигналы ИРИ, после их усиления и фильтрации, преобразуются в приемниках 2 в относительно низкочастотные сигналы, обеспечивающие передачу огибающей сигнала ИРИ и ее оцифровку в АЦП 3 с формированием двух квадратурных составляющих. Одновременно такая обработка должна обеспечивать проведение в блоке 7 обнаружения сигнала ИРИ и оценки его несущей частоты ₀, а при необходимости - оценки пеленга ИРИ на каждом такте приема сигнала ИРИ. В блоках 8 проводится в случае необходимости дополнительная обработка (фильтрация) входных сигналов и осуществляется измерение квадратурных составляющих сигнала ИРИ в моменты, определяемые синхронизатором 9, и их запоминание в блоке памяти 10, в который заносится весь массив измерений, проведенных на этапе синтезирования. На каждом такте измерения квадратурных составляющих одновременно с этим измерением с помощью системы навигации 11 определяются и запоминаются в блоке 10 положения фазовых центров антенн АПМ. С помощью системы единого времени 12 также фиксируются и заносятся в блок памяти 10 моменты измерения квадратурных составляющих. Далее в блоке 13 в соответствии с заложенными в нем алгоритмами, исходя из массива измерений, хранящихся в блоке 10, производится вычисление ОКФ в априорно заданных границах по R_0оп и Y_0оп, находится глобальный максимум ОКФ и его положение, которое и определяет местоположение ИРИ R_0оп и Y _0оп.

Оцифрованные квадратурные составляющие сигналов на выходах АПМ ОП и ВП могут быть записаны в память, например, персональных ЭВМ. С помощью этой же ПЭВМ могут быть произведены все расчеты, в том числе, по построению ОКФ, нахождению глобального максимума и его координат.

Практическая реализация АПМ может быть различной. В качестве примера можно привести цифровое радиоприемное устройство «Аргамак», а в качестве блока памяти - цифровой регистратор сигналов АРК-ЦРС компании «Иркос» (www.ircos.ru).

Как уже отмечалось, при отсутствии хороших априорных данных о положении ИРИ вычисление ОКФ в большом диапазоне возможных значений R_0оп, Y_0оп может потребовать значительный объем вычислений. Упрощение алгоритма определения координат ИРИ может быть получено за счет перехода от квадратурных составляющих сигнала ИРИ к разностям фаз этих сигналов. Эти оценки с точностью до 2 n можно получить из оценок квадратурных составляющих огибающих сигналов на выходах АПМ ОП и ВП.

Для простоты изложения способа можно предположить, как и ранее, что ОП и ВП имеют в своем составе по одному АПМ. На каждом i-ом такте измерения квадратурных составляющих огибающих сигнала ИРИ исходя из этих оценок и в соответствии с выражением (3) определяется оценка _оцi разности фаз сигналов ОП и ВП, истинное значение которой _12i, определяется выражением (5) с точностью до целого числа 2 . Полагая, что ошибки оценок разности фаз для всех тактов независимы, для этих оценок на интервале синтезирования можно записать логарифм функции правдоподобия с точностью до слагаемых и коэффициентов, не влияющих на оценку существенных параметров R_0оп и Y_0оп

где _оц и - векторы-столбцы для N_зам значений _оц и _12i соответственно, a n - вектор-столбец значений n_12i, которые позволяют дополнить измеренное значение разности фаз на каждом i-ом такте (полученное с точностью до 2 n) до абсолютного его значения на интервале синтезирования _12абсi относительно разности фаз на 1-м такте: _12абсi= _оцi+2 n_12i, где n_12i =0.

Оценки разности фаз _оцi заносятся в массив измерений на интервале синтезирования и используются для получения оценки координат ИРИ, например, путем определения максимум функции правдоподобия (ФП) применительно к полученным оценкам разностей фаз или минимума среднеквадратичного отклонения (СКО) в соответствии с выражением (10).

Но поиск глобального максимума ФП (или минимума СКО) в общем случае требует больших вычислений, так как требует расчета значений ФП (или СКО) для R₀, Y ₀ во всей зоне возможного нахождения ИРИ, в частности, для того чтобы выделить глобальный максимум на фоне БЛ ФП.

Вместе с тем, поиск максимума (или минимума) может быть выполнен аналитически, например, за счет использования метода максимального правдоподобия (ММП) (или метода наименьшего СКО - НСКО). Как уже отмечалось ранее, оценка разности фаз на каждом такте приема сигнала ИРИ осуществляется в пределах 2 . Непосредственное использование этих оценок может привести к существенному росту ошибок и степени неоднозначности при определении положения ИРИ. Поэтому требуется восстановить закономерность изменения разности фаз на интервале синтезирования и получить оценку абсолютной разности фаз _12абсi между сигналами модулей ОП и ВП на этом интервале, например, относительно 1-го такта. Это можно сделать, применив специальный алгоритм получения однозначной оценки абсолютной разности фаз между сигналами модулей ОП и ВП.

Алгоритм получения однозначной оценки абсолютной разности фаз может использовать плавный характер изменения разности фаз от одного такта приема сигнала ИРИ к другому. Если при этом период между тактами выбрать таким, чтобы гарантировать, что изменение разности фаз за период не превышало, например, , то достаточно просто выявить момент выхода значения разности фаз из интервала [0,2 ] и устранить скачок, который при этом имеется в оценке изменения разности фаз _оцi. Таким образом, для нормального функционирования алгоритма необходимо ограничение интервала времени между тактами приема сигналов ИРИ. Этот предел определяется несущей частотой ИРИ и его расположением относительно носителя на момент замеров.

Полученные значения абсолютных разностей фаз заносят в массив измерений и по окончанию интервала синтезирования используют для аналитической оценки, например, максимума по методу ММП или минимума при использовании метода НСКО.

Но этих экстремумов может быть несколько. В целях определения глобального экстремума можно воспользоваться разными способами. Наиболее простой связан с применением оценок пеленга (и/или местоположения ИРИ), полученных с помощью УБС, входящей в состав СБС. Для этого ошибка оценок с использованием УБС, определяемая выражением (12), должна быть меньше периода неоднозначности СБС R/D_ВП. Это означает, что должно выполняться соотношение

Однако при выполнении условия, что эффективная протяженность интервала синтезирования соизмерима с дальностью до ИРИ, может быть использован более простой и с лучшими характеристиками способ. В этом случае для всех значений местоположения ИРИ, найденных аналитически, рассчитывают некоторую область ОКФ, размеры которой по осям R_0оп и Y_0оп не превышают ширины ГЛ ОКФ. Затем находят максимум ОКФ, определяя тем самым ГЛ ОКФ. Местоположение ИРИ определяют путем нахождения положение максимума ГЛ ОКФ.

Так как степень неоднозначности не определяется размером базы СБС, то для значительного увеличения точности определения местоположения ИРИ, особенно в KB диапазоне, можно воспользоваться ВП в виде БАПМ. Необходимо только и в этом случае обеспечить аппаратно или алгоритмически привязку положения БАПМ и фазы принятого им сигнала к положению и фазе сигналов остальных АПМ СБС. Информацию с БАПМ на интервале синтезирования, так же как и информацию с других АПМ СБС, заносят в массив измерений. Так же как и раньше одним из известных способов, например, за счет установки на каждом БАПМ специальной системы, определяют его положение в пространстве.

Для увеличения эффективности БАПМ его можно сделать управляемым, например, за счет установки аэродинамических рулей. Регулируя отклонение полета БАПМ от оси полета носителя ОП в зависимости от направления на ИРИ, можно увеличивать эффективность базы D_ВП. Предварительное расположение ИРИ можно получить, используя априорные данные, например данные с УБС. Техническая реализация БАПМ может быть основана, например, на буксируемых ловушках, используемых в настоящее время для защиты летательных аппаратов от ракет, в том числе, перспективных истребителей EF2000 (см. статью А.Сергуненкова, С.Алексеева. «Перспективный европейский тактический истребитель EF2000» в журнале «Зарубежное Военное Обозрение», №9, 1994 г.) и таких как буксируемые ловушки "Блесна" разработки НИИ "Экран".

При работе ПЛ в составе комплекса мониторинга земной поверхности, в котором помимо ПЛ имеется активная и/или пассивная система видения (например, радиовидения) с высоким разрешением, устранение неоднозначности, например, при аналитических методах определения местоположения координат ИРИ при использовании оценок разности фаз, описанных ранее, может быть получено за счет привлечения результатов работы указанной системы видения. Для этого сначала с помощью ПЛ обнаруживают и оценивают координаты всех максимумов ОКФ, находящихся в априорно заданной зоне. Затем по данным системы видения проводят анализ изображений объектов, находящихся в области максимумов ОКФ. В настоящее время даже радиолокационные системы, особенно радиолокаторы бокового обзора, имеют очень высокое разрешение, например, 0.1...0.3 м (например, локатор LYNX AN/APY-87), что позволяет выделить ИРИ, используя априорно известные его внешние признаки. Тем самым определяют координаты этого ИРИ с точностью, соответствующей СБС пассивной локации или системы видения.