способ измерения угла места низколетящей цели и радиолокационная станция для его реализации

Формула изобретения

1. Способ измерения угла места низколетящей цели (НЛЦ) с помощью радиолокационной станции (РЛС), включающий обнаружение НЛЦ и измерение дальности до НЛЦ, отличающийся тем, что предварительно с помощью дополнительных радиолокационных, оптических или других средств, имеющих точность измерения угла места в условиях переотражений от поверхности земли не хуже, чем соответствующая точность РЛС в условиях отсутствия указанных переотражений, измеряют угол места НЛЦ ₀, затем измеряют дальность до НЛЦ R₀, соответствующую измеренному углу места ₀, после чего при дальнейшем движении НЛЦ измеряют дальность до НЛЦ R_i и определяют угол места НЛЦ _i по формуле

где i - номер измерения дальности до НЛЦ R _i и угла места НЛЦ _i;

R_з =6371 км - радиус Земли;

h_a - высота антенны РЛС.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительное измерение угла места НЛЦ ₀ и дальности до НЛЦ R ₀, соответствующей измеренному углу места ₀, осуществляют с помощью дополнительной РЛС с узким лучом по углу места.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для предварительного измерения угла места НЛЦ ₀ и дальности до НЛЦ R ₀, соответствующей измеренному углу места ₀ в заданных азимутальных направлениях _j, где j - номер заданного азимутального направления, с помощью дополнительных средств, например с помощью теодолита, измеряют соответствующие углы закрытия _{закр j}, после чего с помощью РЛС в момент, когда НЛЦ впервые обнаружена над радиогоризонтом, измеряют дальность до НЛЦ R₀, при этом угол закрытия _{закр j}, соответствующий азимутальному направлению НЛЦ _k, в котором НЛЦ впервые обнаружена над радиогоризонтом, выбирают в качестве предварительно измеренного угла места НЛЦ ₀.

4. Радиолокационная станция, содержащая передатчик, антенный переключатель, антенну, приемник, пороговое устройство, синхронизатор, при этом выход передатчика соединен со входом антенного переключателя, вход/выход которого соединен с антенной, выход антенного переключателя соединен со входом приемника, выход которого соединен со входом порогового устройства, первый выход синхронизатора соединен с синхровходом передатчика, отличающаяся тем, что введены запоминающее устройство и вычислитель угла места НЛЦ, при этом первый, второй и третий входы вычислителя угла места НЛЦ соединены соответственно с выходом порогового устройства, координатным выходом антенны и выходом запоминающего устройства, синхровход вычислителя угла места НЛЦ соединен со вторым выходом синхронизатора.

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к области радиолокации и могут быть использованы для измерения угла места низколетящих целей (НЛЦ).

Определим понятие низколетящей цели.

Известно (Теоретические основы радиолокации. Под ред. В.Е.Дулевича, М.: Сов. радио, 1964, с.155-157), что, если луч антенны РЛС находится под достаточно малым углом места, то результирующая диаграмма направленности антенны (ДНА), образованная суммой прямого и отраженных поверхностью земли сигналов, имеет лепестковый характер. При этом количество интерференционных лепестков результирующей ДНА существенно зависит от ширины ДНА, высоты подъема антенны и длины волны.

Если цель движется на достаточно малой и постоянной высоте (не более нескольких сот метров) с дальности, соответствующей углу места ниже максимума первого интерференционного лепестка результирующей ДНА, то по мере ее приближения к РЛС она будет попадать в лепестки и провалы результирующей ДНА. Благодаря этому будут происходить характерные изменения мощности принимаемых сигналов. В некоторых интервалах дальности принимаемая мощность упадет ниже порогового уровня, и нормальное радиолокационное наблюдение будет нарушено.

Исходя из вышесказанного, введем следующее определение низколетящей цели. Воздушная цель является низколетящей, если она летит на высоте не более нескольких сот метров и большую часть полета находится в области интерференционных лепестков результирующей ДНА.

Известны многоканальные (моноимпульсные) способы измерения угловых координат (угла места и азимута) целей (Теоретические основы радиолокации. Под ред. Я.Д.Ширмана, М.: Сов. радио, 1970, с.296). В этих способах используются два или более самостоятельных приемных канала, в которых амплитуды и фазы принятых сигналов зависят от направления прихода радиоволн.

Известен, в частности, моноимпульсный амплитудный суммарно-разностный способ измерения угла места цели (Теоретические основы радиолокации. Под ред. Я.Д.Ширмана, М.: Сов. радио, 1970, с.303, рис.5.69). Способ заключается в следующем. В заданном угловом направлении формируют два луча с одинаковыми диаграммами направленности антенны F ₁( ) и F₂( ), максимумы которых разнесены между собой на некоторый угол. Сигналы с выходов антенн синфазно суммируют и получают суммарную ДНА: F_C( )=F₁( )+F₂( ). Одновременно эти же сигналы вычитают и получают разностную ДНА: F_P( )=F₁( )-F₂( ). Канал с суммарной ДНА - суммарный канал - служит для обнаружения целей и измерения дальности до цели. Канал с разностной ДНА - разностный канал - содержит информацию об угловом положении цели, поскольку величина сигнала в нем зависит от углового отклонения цели от равносигнального направления.

Известно устройство (фиг.1), реализующее моноимпульсный амплитудный суммарно-разностный способ измерения угла места цели (Теоретические основы радиолокации. Под ред. Я.Д.Ширмана, М.: Сов. радио, 1970, с.306-307, рис.5.74). Устройство содержит антенну с двумя приемопередающими облучателями, устройство формирования суммы и устройство формирования разности принятых сигналов, соединенные с двумя выходами антенны, два смесителя, причем вход первого из них соединен с выходом устройства формирования суммы принятых сигналов, а вход второго - с выходом устройства формирования разности принятых сигналов, гетеродин, первый и второй выходы которого соединены со вторыми входами соответственно первого и второго смесителя, первый и второй усилители промежуточной частоты, входы которых соединены с выходами соответственно первого и второго смесителя, фазовый детектор, первый и второй входы которого соединены с выходами соответственно первого и второго усилителей промежуточной частоты, исполнительное устройство, вход которого соединен с выходом фазового детектора, а выход механически соединен с антенной, координатный выход антенны является выходом известного устройства.

Недостатки известного моноимпульсного амплитудного суммарно-разностного способа и реализующего его устройства при измерении угла места НЛЦ состоят в следующем.

Моноимпульсный амплитудный суммарно-разностный способ измерения угла места цели, являясь потенциально наиболее точным для измерения угловых координат целей, в том числе угла места, в значительной степени подвержен влиянию переотражений сигналов от поверхности земли. Это объясняется тем, что для реализации его потенциальных возможностей должна быть обеспечена высокая идентичность лучей разностной ДНА. При измерении угла места цели два луча располагаются один над другим, при этом равносигнальное направление разностной ДНА направлено на цель. Если цель является низколетящей, то из-за влияния переотражений сигналов поверхностью земли нижний луч разностной ДНА приобретает значительно выраженный лепестковый характер, в то время как верхний луч деформируется в меньшей степени. В результате, лучи разностной ДНА перестают быть идентичными и ошибки измерения угла места НЛЦ оказываются весьма значительными (фиг.7).

Наиболее близкий одноканальный способ измерения угловых координат цели (угла места и азимута) включает излучение зондирующих сигналов, прием отраженных от цели сигналов и сравнение их с порогом обнаружения, измерение дальности до цели и угловых координат луча антенны РЛС, соответствующих обнаруженным сигналам, формирование углового пакета обнаруженных сигналов, вычисление угловых координат цели (Теоретические основы радиолокации. Под ред. Я.Д.Ширмана, М.: Сов. радио, 1970, с.284-286). Угловые координаты цели вычисляют путем весовой обработки сигналов сформированного углового пакета (в приведенном источнике вместо понятия "угловой пакет сигналов" используется идентичное понятие "пачка сигналов").

Наиболее близкая к заявляемой РЛС (патент РФ №2235342) содержит (фиг.2) передатчик 1, антенный переключатель 2, антенну 3, приемник 4, пороговое устройство 5, синхронизатор 6, блок оценки угловых координат 7, при этом выход передатчика 1 соединен со входом антенного переключателя 2, вход/выход которого соединен с антенной 3, выход антенного переключателя 2 соединен со входом приемника 4, выход которого соединен со входом порогового устройства 5, выход порогового устройства 5 и координатный выход антенны 3 соединены соответственно с первым и вторым входами блока оценки угловых координат 7, первый и второй выходы синхронизатора 6 соединены с синхровходами передатчика 1 и блока оценки угловых координат 7 соответственно, выход блока оценки угловых координат 7 является выходом РЛС.

Работа наиболее близкой к заявляемой РЛС при измерении угла места цели происходит следующим образом. В передатчике 1 по командам синхронизатора 6 (импульсам синхронизации) формируются зондирующие сигналы, которые в процессе обзора пространства с помощью антенны 3 излучаются в пространство. Отраженные от цели сигналы принимаются антенной 3, поступают в приемник 4. С выхода приемника 4 сигналы поступают на вход порогового устройства 5, где сравниваются с порогом, который задается исходя из допустимой вероятности ложных тревог. Сигналы, уровень которых превышает пороговый, проходят на выход порогового устройства 5. Сигналы с выхода порогового устройства 5 и сигналы, пропорциональные угловым координатам луча антенны 3, поступают в блок оценки угловых координат 7, где по мере перемещения луча антенны по углу места формируется угловой пакет сигналов, отраженных от цели. С помощью весовой обработки сигналов, входящих в угловой пакет, производится вычисление угла места цели.

Недостаток наиболее близких способа и устройства состоит в больших ошибках измерения угла места НЛЦ (фиг.8). Указанные ошибки возникают из-за влияния сигналов, переотраженных поверхностью земли. Возникающая при этом лепестковая структура результирующей ДНА не позволяет сопоставить угловое положение максимума луча ДНА с углом места НЛЦ с требуемой точностью.

Техническим результатом (решаемой задачей) заявляемых технических решений является уменьшение ошибок при измерении угла места низколетящей цели, возникающих за счет переотражений сигналов поверхностью земли.

Технический результат достигают тем, что в способе измерения угла места низколетящей цели (НЛЦ) с помощью радиолокационной станции (РЛС), включающем обнаружение НЛЦ и измерение дальности до НЛЦ, согласно изобретению предварительно с помощью дополнительных радиолокационных, оптических или других средств, имеющих точность измерения угла места в условиях переотражений от поверхности земли не хуже, чем соответствующая точность РЛС в условиях отсутствия указанных переотражений, измеряют угол места НЛЦ ₀, затем измеряют дальность до НЛЦ R₀, соответствующую измеренному углу места ₀, после чего при дальнейшем движении НЛЦ измеряют дальность до НЛЦ R_i и определяют угол места НЛЦ _i по формуле:

где i - номер измерения дальности до НЛЦ R _i и вычисления угла места НЛЦ _i;

R_З =6371 км - радиус Земли;

h_a - высота антенны РЛС.

Технический результат достигают также тем, что предварительное измерение угла места НЛЦ ₀ и дальности до НЛЦ R ₀, соответствующей измеренному углу места ₀, осуществляют с помощью дополнительной РЛС с узким лучом по углу места.

Технический результат достигают также тем, что для предварительного измерения угла места НЛЦ ₀ и дальности до НЛЦ R ₀, соответствующей измеренному углу места ₀, в заданных азимутальных направлениях _j, где j - номер заданного азимутального направления, с помощью дополнительных средств, например, с помощью теодолита, измеряют соответствующие углы закрытия _{закр j}, после чего с помощью РЛС в момент, когда НЛЦ впервые обнаружена над радиогоризонтом, измеряют дальность до НЛЦ R₀, при этом угол закрытия _{закр k}, соответствующий азимутальному направлению НЛЦ _k, в котором НЛЦ впервые обнаружена над радиогоризонтом, выбирают в качестве предварительно измеренного угла места НЛЦ ₀.

Технический результат достигают также тем, что в радиолокационной станции, содержащей передатчик, антенный переключатель, антенну, приемник, пороговое устройство, синхронизатор, при этом выход передатчика соединен со входом антенного переключателя, вход/выход которого соединен с антенной, выход антенного переключателя соединен со входом приемника, выход которого соединен со входом порогового устройства, первый выход синхронизатора соединен с синхровходом передатчика, согласно изобретению введены запоминающее устройство и вычислитель угла места НЛЦ, при этом первый, второй и третий входы вычислителя угла места НЛЦ соединены соответственно с выходом порогового устройства, координатным выходом антенны и выходом запоминающего устройства, синхровход вычислителя угла места НЛЦ соединен со вторым выходом синхронизатора.

Суть заявляемых технических решений состоит в следующем.

Известно, что для низколетящих целей (летящих на высоте не более нескольких сот метров) характерны практически постоянная высота полета и отсутствие маневров в вертикальной плоскости. Эта особенность НЛЦ используется в заявляемых технических решениях.

Измерения угла места НЛЦ в любой точке ее полета производятся следующим образом.

Вначале с помощью дополнительных средств проводят предварительные измерения угла места НЛЦ ₀ и дальности до НЛЦ R ₀, соответствующей этому углу места (фиг.3). При этом точность измерения угла места с помощью применяемых дополнительных средств в условиях воздействия переотражений сигналов поверхностью земли должна быть не хуже точности измерения угла места РЛС в условиях отсутствии такого воздействия. Результаты предварительных измерений используются при последующих операциях по определению угла места НЛЦ.

Для последующего определения угла места _i этой движущейся НЛЦ, которое может быть осуществлено по мере необходимости в любой точке ее траектории, достаточно измерить дальность до НЛЦ R_i (где i - номер измерения) в этой точке. Угол места НЛЦ _i после этого вычисляют по формуле (1), следующей из геометрических представлений, приведенных на фиг.3.

В соответствии с зависимым пунктом 1 формулы изобретения для предварительных измерений используют дополнительную РЛС с более узким лучом ДНА по углу места. Известно, что степень воздействия переотражений сигналов поверхностью земли на результирующую ДНА РЛС при фиксированном положении луча уменьшается с уменьшением ширины луча. Поэтому РЛС с более узким лучом в угломестной плоскости позволяет измерить угол места НЛЦ с большей точностью, чем РЛС с более широким лучом. (Однако применение РЛС с узким лучом вместо наиболее близкой к заявляемой РЛС во всей зоне обзора проблематично, поскольку ее затраты времени на обзор всей зоны больше: соотношение затрат времени пропорционально соотношению угловых размеров луча). Таким образом, с помощью указанной РЛС осуществляют предварительные измерения угла места НЛЦ ₀ и дальности до НЛЦ R ₀ (фиг.4), которые затем используются в формуле (1) для определения угла места _i в любой точке полета НЛЦ.

В соответствии с зависимым пунктом 2 формулы изобретения в заданных азимутальных направлениях _j (где j - номер заданного азимутального направления), в которых ожидается появление НЛЦ, предварительно с помощью дополнительных средств, например, с помощью теодолита, измеряют углы закрытия _{закр j} (фиг.5).

Углом закрытия в заданном азимутальном направлении _j, как известно, называется угол _{закр j}, который образует с горизонтальной осью прямоугольной системы координат РЛС прямая, проходящая через центр антенны РЛС в азимутальном направлении _j и касающаяся поверхности земли (Мищенко Ю.А. Зоны обнаружения, М.: Военное издательство, 1963, с.45).

После этого с помощью РЛС осуществляют обнаружение НЛЦ, и в момент, когда НЛЦ впервые обнаружена над радиогоризонтом, также с помощью РЛС измеряют дальность до НЛЦ R ₀. Угол закрытия _{закр k}, соответствующий азимутальному направлению НЛЦ _k, в котором НЛЦ впервые обнаружена над радиогоризонтом, выбирают в качестве предварительно измеренного угла места НЛЦ ₀. Таким образом предварительно измеренные угол места НЛЦ ₀ и дальность до НЛЦ R ₀ затем используются в формуле (1) для определения угла места в любой точке полета НЛЦ.

Поскольку переотражения зондирующего сигнала от поверхности земли не влияют на измерение дальности до НЛЦ, то точность измерения угла места НЛЦ оказывается значительно выше, чем у известных способов.

На фиг.7 и фиг.8 для иллюстрации приведены оценки относительной точности измерения угла места НЛЦ (в долях ширины ДНА РЛС по углу места по уровню половинной мощности), полученные при математическом моделировании заявляемых технических решений.

Из графиков следует, что, как в известном, так и в наиболее близком способах измерения угла места НЛЦ (пунктирные линии) вследствие лепесткового характера результирующей ДНА точность измерения угла места НЛЦ изменяется в значительных пределах. (Максимумы графиков соответствуют положению НЛЦ между интерференционными лепестками результирующей ДНА, минимумы графиков - в максимумах интерференционных лепестков). В заявляемом способе (сплошные линии) влияние переотражений сигналов поверхностью земли отсутствует. Точность измерения угла места изменяется в небольших пределах, так как определяется, главным образом, ошибками предварительного измерения угла места НЛЦ ₀ (в приведенных зависимостях указанная ошибка взята равной 3 угловым минутам).

Из графиков следует также, что заявляемый способ в условиях переотражений сигналов поверхностью земли позволяет измерять угол места НЛЦ на большей части ее траектории с точностью, значительно превышающей точность и в моноимпульсном амплитудном суммарно-разностный способе (фиг.7) и в одноканальном способе с весовой обработкой сигналов угловых пакетов (фиг.8).

Предлагаемый способ целесообразно использовать для измерения угла места НЛЦ в качестве дополнения к основному способу измерения угла места.

Таким образом достигается заявляемый технический результат.

Изобретения иллюстрируются следующими чертежами.

Фиг.1 - блок-схема известного устройства, реализующего моноимпульсный амплитудный суммарно-разностный способ измерения координат.

Фиг.2 - блок-схема наиболее близкой к заявляемой РЛС.

Фиг.3 - иллюстрация заявляемого способа по независимому пункту 1.

Фиг.4 - иллюстрация заявляемого способа по зависимому пункту 2.

Фиг.5 - иллюстрация заявляемого способа по зависимому пункту 3.

Фиг.6 - блок-схема заявляемой РЛС.

Фиг.7 - графики относительной ошибки измерения угловых координат НЛЦ в заявляемом способе (сплошная линия) и в моноимпульсном амплитудном суммарно-разностном способе (пунктирная линия). НЛЦ движется на высоте 300 м, ошибка предварительного измерения угла места ₀ равна трем угловым минутам.

Фиг.8 - графики относительной ошибки измерения угловых координат НЛЦ в заявляемом способе (сплошная линия) и в одноканальном способе с весовой обработкой сигналов угловых пакетов (пунктирная линия). НЛЦ движется на высоте 300 м, ошибка предварительного измерения угла места ₀ равна трем угловым минутам.

Заявляемая РЛС (фиг.6) содержит передатчик 1, антенный переключатель 2, антенну 3, приемник 4, пороговое устройство 5, синхронизатор 6, запоминающее устройство 8, вычислитель угла места НЛЦ 9, при этом выход передатчика 1 соединен со входом антенного переключателя 2, вход/выход которого соединен с антенной 3, выход антенного переключателя 2 соединен со входом приемника 4, выход которого соединен со входом порогового устройства 5, первый и второй выходы синхронизатора 6 соединены соответственно с синхровходом передатчика 1 и синхровходом вычислителя угла места НЛЦ 9, первый, второй и третий входы вычислителя угла места НЛЦ 9 соединены соответственно с выходом порогового устройства 5, координатным выходом антенны 3 и выходом запоминающего устройства 8.

Заявляемая радиолокационная станция может быть выполнена с использованием следующих функциональных элементов.

Передатчик 1 - импульсного типа (Справочник по основам радиолокационной техники. - М., 1967, с.278).

Антенный переключатель 2 - выполнен на циркуляторе (Справочник по основам радиолокационной техники. - М., 1967, с.146-147).

Антенна 3 - фазированная антенная решетка с электронным сканированием по одной или обеим угловым координатам и с круговым механическим вращением (Справочник по радиолокации. Под ред. М.Сколника, т.2, - М.: Сов. радио, 1977, с.132-138).

Приемник 4 - супергетеродинного типа (Справочник по основам радиолокационной техники. - М., 1967, с.343-344).

Запоминающее устройство 8 - стандартная микросхема (Интегральные микросхемы. Справочник под ред. Т.В.Тарабрина, - М.: Радио и связь, 1984).

Вычислитель 9 - реализует вычисления в соответствии с формулой (1).

Работа заявляемой РЛС при измерении угла места НЛЦ происходит следующим образом.

Перед началом работы РЛС в заданных азимутальных направлениях (определяемых исходя из возможности появления в них НЛЦ) _j, где j - номер заданного азимутального направления (j=1, ..., m, где m - количество заданных азимутальных направлений), предварительно с помощью дополнительных средств, например, с помощью теодолита, измеряются соответствующие углы закрытия _{закр j}. Измеренные значения _{закр j} и азимутальные направления _j записываются в запоминающее устройство 8 и хранятся там (до тех пор, пока РЛС не сменит позицию).

В процессе работы РЛС осуществляет обзор заданной зоны. Для этого в передатчике 1 по командам синхронизатора 6 (импульсам синхронизации) формируются зондирующие сигналы, которые с помощью антенны 3 излучаются в пространство.

Как только НЛЦ выходит из-за радиогоризонта, она облучается зондирующим сигналом РЛС. Отраженный от нее сигнал принимается антенной 3 и поступает в приемник 4. С выхода приемника 4 сигнал подается на вход порогового устройства 5, где сравнивается с порогом обнаружения. Если уровень сигнала превышает пороговый, то он проходит на выход порогового устройства 5 и далее - на первый вход вычислителя угла места НЛЦ 9. С координатного выхода антенны 3 на второй вход вычислителя угла места НЛЦ 9 подается значение азимутального положения луча, которое соответствует азимуту обнаруженной НЛЦ _нлц.

В вычислителе угла места НЛЦ 9 для данной НЛЦ производятся следующие операции.

Во-первых, осуществляется предварительное определение угла места НЛЦ ₀ на основании данных, записанных в запоминающем устройстве 8. Для этого осуществляется сравнение измеренного азимута НЛЦ _нлц с азимутальными направлениями _j, хранящимися в запоминающем устройстве 8, и выбирается ближайшее к _нлц значение _k. Значение угла закрытия _{закр k}, соответствующее азимутальному направлению _k, выбирается в качестве предварительно измеренного угла места НЛЦ ₀.

Во-вторых, измеряется дальность до НЛЦ R₀, соответствующая углу места ₀. Для этого измеряется время запаздывания отраженного радиосигнала относительно зондирующего, которое определяется исходя из разности между моментом появления импульса синхронизатора 6, соответствующего моменту излучения зондирующего сигнала, и моментом прихода сигнала с выхода порогового устройства 5. Дальность до НЛЦ R₀ после этого рассчитывается по известной формуле (Теоретические основы радиолокации. Под ред. Я.Д.Ширмана. М.: Сов. Радио, 1970, стр.221). Предварительно измеренные величины ₀ и R₀ запоминаются и сохраняются для данной НЛЦ.

В-третьих, по мере необходимости, определяется угол места НЛЦ в любой i-й точке ее траектории. Для этого измеряется дальность до НЛЦ R_i и по формуле (1) вычисляется ее угол места _i.

Таким образом, заявленные технические решения обеспечивают достижение технического результата - уменьшение ошибок при измерении угла места низколетящей цели, возникающих за счет переотражений сигналов поверхностью земли.