RU2572094C1 - Mobile radar set - Google Patents

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: mobile radar set comprises an antenna, an inertial navigation system, which includes a computer, wherein the antenna is in the form of a fabric, at the geometric centre or in the immediate vicinity of which the inertial navigation system is mounted, the inertial navigation system being in the form of a gimballess inertial system; the radar set also includes a reflected signal maximum detecting unit and an output signal generator, wherein the reflected signal maximum detecting unit includes a matched filter, the input of which is connected to a resultant reflected signal generator, the output of the matched filter is connected through a detector to a delay line, the corresponding outputs of which, through multipliers which set weight coefficients, are connected through a first adder to a comparator circuit and through a second adder to a zero detecting circuit, wherein the output of the comparator circuit is connected to one of the inputs of the zero detecting circuit, the output of which is connected to one of the inputs of the output signal generator, the rest of the inputs of which are connected to the output of the computer of the gimballess inertial navigation system, the output of the output signal generator is connected to user equipment.

EFFECT: target direction-finding on an angular coordinate taking into account navigation characteristics of the base object, simplification and miniaturisation of the radar set and high accuracy of finding the direction of the base object.

1 dwg

Description

В стационарных радиолокаторах проблемы навигационного обеспечения пеленгации целей не существует. Местоположение радиолокационной станции известно заранее с точностью, доступной геодезическим измерениям. Информация об опорных направлениях - направлении местного меридиана и ориентации плоскости местного горизонта - также определены заранее с высокой точностью. Совершенно иначе выглядит задача локации в радиолокаторах подвижных объектов воздушного, морского и наземного базирования, где необходимо сопряжение измерителей углового положения антенны и бортовых навигационных измерителей - инерциальных навигационных систем.In stationary radars, the problems of navigation support for direction finding of targets do not exist. The location of the radar station is known in advance with the accuracy available to geodetic measurements. Information about the reference directions — the direction of the local meridian and the orientation of the plane of the local horizon — are also determined in advance with high accuracy. The radar location problem for airborne, sea and land-based moving objects in radars looks completely different, where it is necessary to pair the angular position meters of the antenna and the on-board navigation meters - inertial navigation systems.

Изобретение относится к радиолокационным пеленгаторам, размещаемым на подвижных объектах воздушного, морского и наземного базирования.The invention relates to radar direction finders placed on moving objects of air, sea and land based.

Известны способ и устройство радиолокационного пеленгования заданного объекта визирования, включающее интегрированное антенное устройство и цифровое вычислительное устройство, предназначенные для автосопровождения заданного объекта визирования для подвижных носителей с инерциальной измерительной системой с изменяющейся ориентацией диаграмм направленности волн, излучаемых антенной, а именно поворотно-чувствительные устройства, основанные на использовании гироинерциальных датчиков сигналов пространственного перемещения подвижного носителя, (см патент РФ №2442185, МПК G01S 13/06, от 05.03.2010 г.).A known method and device for radar direction finding of a given object of sight, including an integrated antenna device and digital computing device, designed for auto tracking a given object of sight for mobile carriers with an inertial measuring system with a changing orientation of the radiation patterns of the waves emitted by the antenna, namely, rotary-sensitive devices based using gyroinertial sensors for spatial movement signals media, (see RF patent No. 2442185, IPC G01S 13/06, dated 05.03.2010).

Подвижный радиолокатор для пеленгования обеспечивает решение задачи формирования сигналов рассогласования по дальности и углового рассогласования, пропорциональных параметрам инерциального пеленгования заданного ОВ по дальности и по направлению в двух взаимно перпендикулярных плоскостях пеленгования в базовой антенной системе координат, по сигналам предстартовых начальных значений сферических координат заданного ОВ и наклонной дальности до заданного ОВ, по сигналам начальных условий выставки инерциального измерения параметров вектора визирования заданного ОВ и по измеренным сигналам, пропорциональным текущим значениям проекций кажущегося линейного ускорения движения и проекций вектора абсолютной угловой скорости поворота вектора визирования заданного ОВ на соответствующие оси базовой антенной системы координат, при перемещении по траектории подвижного носителя и его сближении с заданным ОВ.A movable direction finding radar provides a solution to the problem of generating distance and angle misalignment signals proportional to the inertial direction finding parameters of a given OB in range and in direction in two mutually perpendicular direction finding planes in the base antenna coordinate system, according to the signals of the pre-starting initial values of the spherical coordinates of the given OB and oblique range to a given OM, according to the signals of the initial conditions of the exhibition of inertial measurement of parameters of the target vector of the target OB and according to the measured signals proportional to the current values of the projections of the apparent linear acceleration of motion and the projections of the absolute angular velocity of the rotation vector of the target vector of the target OB of the target on the corresponding axis of the base antenna of the coordinate system when moving along the trajectory of the moving carrier and its approach to the specified OB.

Недостатками известного технического решения является невозможность определения навигационных параметров подвижного носителя и ОВ. Кроме того, техническое воплощение радиолокатора достаточно сложное, т.к. требует согласования осей датчиков углов поворота - гироскопов и акселерометров.The disadvantages of the known technical solution is the inability to determine the navigation parameters of the mobile carrier and the OB. In addition, the technical embodiment of the radar is quite complicated, because requires coordination of the axes of the rotation angle sensors - gyroscopes and accelerometers.

Расстояние от плоскости раскрыва антенны до ее оси вращения может составлять несколько дециметров. Расстояние от оси вращения локатора до бортовой инерциальной навигационной системы носителя (летательного аппарата, надводного корабля и т.д.), формирующей плоскость местного горизонта и направление местного меридиана, может составлять несколько метров. Параметры пространственного положения датчика угла поворота антенны относительно строительных осей бортовой инерциальной навигационной системы определяются на этапе технологической юстировки в процессе изготовления радиолокатора и в процессе дальнейшей эксплуатации, как правило, не корректируются. Пересчет угла поворота датчика в угол поворота плоскости антенны при больших размерах антенны осложняется внешними факторами - порывами ветра, вибрацией носителя антенны. Отсутствие учета указанных смещений плоскости раскрыва антенны и погрешностей определения параметров пространственного положения датчика угла поворота антенны относительно строительных осей бортовой инерциальной навигационной системы означает включение этих погрешностей в значения угловых положений ОВ в системе координат датчика угла поворота антенны, что ведет к пропорциональному росту ошибок определения координат цели. Дополнительно на снижении точности скажутся координатные преобразования. При дальности наблюдения цели на уровне десятков километров ошибки определения координат цели могут составить до километра. Кроме того, для одновременного измерения двух угловых координат необходимо наличие либо двух измерительных каналов, либо реализация режимов последовательного сканирования антенного полотна в горизонтальной и в вертикальной плоскостях.The distance from the aperture plane of the antenna to its axis of rotation can be several decimeters. The distance from the axis of rotation of the locator to the onboard inertial navigation system of the carrier (aircraft, surface ship, etc.), which forms the plane of the local horizon and the direction of the local meridian, can be several meters. The spatial position of the antenna angle sensor relative to the building axes of the inertial navigation system is determined at the stage of technological adjustment in the manufacturing process of the radar and during further operation, as a rule, are not adjusted. Recalculation of the angle of rotation of the sensor to the angle of rotation of the antenna plane for large antenna sizes is complicated by external factors - gusts of wind, vibration of the antenna carrier. Failure to take into account the indicated displacements of the antenna aperture plane and errors in determining the spatial position parameters of the antenna angle sensor relative to the building axes of the inertial navigation system means that these errors are included in the values of the angular positions of the OB in the coordinate system of the antenna angle sensor, which leads to a proportional increase in the errors in determining the coordinates of the target . Additionally, coordinate transformations will affect the decrease in accuracy. With a target observation range of tens of kilometers, errors in determining the coordinates of a target can be up to a kilometer. In addition, for the simultaneous measurement of two angular coordinates, it is necessary to have either two measuring channels, or the implementation of sequential scanning modes of the antenna sheet in horizontal and vertical planes.

Задачей, поставленной в настоящем техническом решении, является пеленгация цели по угловой координате с учетом навигационных характеристик OB, упрощение и миниатюризации устройства и повышение точности пеленгования цели - ОВ.The task set in this technical solution is the direction finding of the target in the angular coordinate taking into account the navigation characteristics of the OB, simplification and miniaturization of the device and increasing the accuracy of direction finding of the target - OB.

Для достижения поставленной задачи в подвижном радиолокаторе, содержащем антенну, соединенную с формирователем суммарного отраженного сигнала, инерциальную навигационную систему, включающую цифровое вычислительное устройство, антенну выполняют в виде полотна, в геометрическом центре которого или непосредственной близости от него установлена инерциальная навигационная система, выполненная в виде бесплатформенной инерциальной системы, радиолокатор также содержит блок фиксации максимума отраженного сигнала и формирователь выходного сигнала, при этом блок фиксации максимума отраженного сигнала содержит согласованный фильтр, вход которого соединен с формирователем суммарного отраженного сигнала, при этом выход согласованного фильтра через детектор к линии задержки, соответствующие выходы которой через умножители, задающие весовые коэффициенты, подключены через первый сумматор к схеме сравнения и через второй сумматор к схеме фиксации нуля, при этом выход схемы сравнения соединен с одним из входов схемы фиксации нуля, выход которой соединен с одним из входов формирователя выходного сигнала, остальные входы которого соединены с выходом цифрового вычислительного устройства бесплатформенной инерциальной навигационной системы, выход формирователя выходного сигнала соединен с аппаратурой потребителя.To achieve this goal, in an inertial navigation system including a digital computing device, a mobile radar containing an antenna connected to a shaper of the total reflected signal, the antenna is made in the form of a web, in the geometric center of which or in close proximity to it, an inertial navigation system is installed, made in the form of a strapdown inertial system, the radar also contains a block for fixing the maximum of the reflected signal and the output driver of the signal, while the block for fixing the maximum of the reflected signal contains a matched filter, the input of which is connected to the driver of the total reflected signal, while the output of the matched filter through the detector to the delay line, the corresponding outputs of which are connected through the first adder to the circuit through the multipliers comparison and through the second adder to the zero-fixing circuit, while the output of the comparison circuit is connected to one of the inputs of the zero-fixing circuit, the output of which is connected to one of the inputs irovatelya output signal, the other inputs of which are connected to the output of the digital computing device strapdown inertial navigation system, yield an output signal generator connected to the user equipment.

Изобретение поясняется чертежом, где представлена структурная схема описываемого подвижного радиолокатора.The invention is illustrated in the drawing, which shows a structural diagram of the described movable radar.

На чертеже изображены: антенное полотно 1, бесплатформенная инерциальная навигационная система (БИНС) 2, формирователь 3 суммарного отраженного сигнала, блок 4 фиксации максимума отраженного сигнала положения, содержащий согласованный фильтр 5, детектор 6, линию задержки 7, умножители 8₁…8_к и 9₁…9_к, сумматоры 10 и 11, схему фиксации нуля 12, схему сравнения 13, формирователь 14 выходного сигнала, соединенный с аппаратурой 15 потребителя.The drawing shows: antenna fabric 1, strapdown inertial navigation system (SINS) 2, driver 3 of the total reflected signal, block 4 fixing the maximum of the reflected position signal containing the matched filter 5, detector 6, delay line 7, multipliers 8 ₁ ... 8 _to and 9 ₁ ... 9 _k , adders 10 and 11, a zero-fixing circuit 12, a comparison circuit 13, an output signal shaper 14 connected to the consumer equipment 15.

В режиме обзора луч антенны равномерно перемещается по угловым направлениям в зоне ответственности. Отраженный от цели сигнал (при импульсном методе локации) представляет пачку импульсов, огибающая U(t) которой, определяется формой диаграммы направленности антенны, а длительность - временем облучения цели Т_обл. Максимум огибающей будет наблюдаться в тот момент времени, когда антенна направлена на цель. Фиксируя показания угла поворота антенны относительно направления на север, определенного и хранимого в БИНС, в момент времени, когда огибающая пачки импульсов достигает максимума (в этой точке выполняется условие dU(t)/dt=0), определяют угловую координату цели, например угол азимута цели. Одновременно осуществляется измерение и фиксация второй угловой координаты той же БИНС - угла места цели относительно плоскости местного горизонта.In the review mode, the antenna beam moves uniformly in angular directions in the area of responsibility. The signal reflected from the target (using the pulsed location method) represents a packet of pulses whose envelope U (t) is determined by the shape of the antenna pattern and the duration by the target irradiation time T _region . The maximum envelope will be observed at that moment in time when the antenna is aimed at the target. Fixing the readings of the angle of rotation of the antenna relative to the north direction, determined and stored in the SINS, at the time when the envelope of the pulse train reaches its maximum (at this point the condition dU (t) / dt = 0 is fulfilled), determine the angular coordinate of the target, for example, the azimuth angle goals. At the same time, the second angular coordinate of the same SINS is measured and fixed - the elevation angle of the target relative to the plane of the local horizon.

В основе процедуры определения угловых координат лежит взаимосвязь между различными системами координат (СК), используемыми в работе радиолокатора обнаружения цели - объекта визирования. К таким системам координат относятся:The procedure for determining angular coordinates is based on the relationship between various coordinate systems (SCs) used in the operation of the radar for detecting a target — an object of sight. Such coordinate systems include:

ENU - топоцентрическая (местная географическая) СК;ENU - topocentric (local geographical) SC;

В_нос - система координат носителя (правая прямоугольная СК, оси которой связаны со строительными осями носителя);In the _nose - the coordinate system of the carrier (right rectangular SK, the axis of which are connected with the construction axes of the carrier);

В_дп - приборная СК датчика угла поворота (правая прямоугольная СК, оси которой связаны с плоскостью угла поворота).In _dp , the instrument SK of the rotation angle sensor (right rectangular SK, whose axes are connected with the plane of the rotation angle).

Определение координат цели производится в вычислителе радиолокатора на основе простого матричного соотношенияThe coordinates of the target are determined in the radar computer based on a simple matrix relation

$$C_{ENU}^{ц}={С}_{дп}^{ц}{С}_{нос}^{дп}{С}_{ENU}^{нос},\left(1\right)$$

$$C_{ENU}^c={\mathrm{FROM}}_{dP}^c{\mathrm{FROM}}_{n\mathrm{about}\mathrm{from}}^{dP}{\mathrm{FROM}}_{ENU}^{n\mathrm{about}\mathrm{from}},\left(\mathrm{one}\right)$$

где $$C_{ENU}^{ц}$$

- матрица, характеризующая угловое положение цели относительно ENU;Where $$C_{ENU}^c$$

- a matrix characterizing the angular position of the target relative to ENU;

$${С}_{ENU}^{нос}$$

- матрица, элементы которой являются функциями координат носителя (широты, долготы и высоты), определяемых инерциальной навигационной системой носителя; $${\mathrm{FROM}}_{ENU}^{n\mathrm{about}\mathrm{from}}$$

- a matrix whose elements are functions of the coordinates of the medium (latitude, longitude and height), determined by the inertial navigation system of the medium;

$$C_{нос}^{дп}$$

- матрица перехода от системы координат носителя В_нос к В_дп - приборной СК датчика угла поворота (правая прямоугольная СК, оси которой связаны с плоскостью угла поворота); $$C_{n\mathrm{about}\mathrm{from}}^{dP}$$

- the matrix of the transition from the coordinate system of the carrier In the _nose to In _DP - instrument SK sensor rotation angle (right rectangular SK, the axis of which are connected with the plane of the angle of rotation);

$${С}_{дп}^{ц}$$

- матрица, элементы которой характеризуют угловое положение цели в системе координат датчика угла поворота антенного полотна. $${\mathrm{FROM}}_{dP}^c$$

- a matrix whose elements characterize the angular position of the target in the coordinate system of the sensor of the angle of rotation of the antenna sheet.

Малогабаритная бесплатформенная инерциальная навигационная система (БИНС) 2, представляющая моноблок, содержит лазерные гироскопы, акселерометры, блок питания и цифровой вычислитель, обеспечивающий определение угловых параметров положения и решение навигационных задач.The small-sized strapdown inertial navigation system (SINS) 2, which is a monoblock, contains laser gyroscopes, accelerometers, a power supply and a digital computer, which provides the determination of angular position parameters and the solution of navigation problems.

Система работает следующим образом.The system operates as follows.

БИНС 2, установленная на антенном полотне 1 в центре или в непосредственной близости от геометрического центра (ГЦ) полотна, обеспечивает непрерывное определение:BINS 2 installed on the antenna sheet 1 in the center or in the immediate vicinity of the geometric center (HZ) of the canvas, provides a continuous determination of:

текущих географических координат геометрического центра (ГЦ) антенного полотна φ, λ, H;the current geographical coordinates of the geometric center (GC) of the antenna sheet φ, λ, H;

угла между направлением географического меридиана на север и проекцией оси Х антенного полотна на горизонтальную плоскость - ψ_x;the angle between the direction of the geographical meridian to the north and the projection of the X axis of the antenna sheet on the horizontal plane - ψ _x ;

углов крена и тангажа - γ и υ;roll and pitch angles - γ and υ;

составляющих путевой скорости ГЦ антенного полотна по осям прямоугольной системы координат - W_X, W_Y, W_Z.components of the ground speed of the HZ antenna sheet along the axes of a rectangular coordinate system - W _X , W _Y , W _Z.

С выхода формирователя суммарного отраженного сигнала 3 антенны 1 на вход блока 4 фиксации максимума отраженного сигнала поступают импульсы, прошедшие согласованную обработку с помощью согласованного фильтра 5, и через детектор 6 поступают на линию задержки 7, которые запоминаются на временном интервале, равном длительности пачки. Оценка производной dU(t)/dt обеспечивается суммированием отсчетов, снимаемых с выходов со специально подобранными весовыми коэффициентами 8₁…8_к, пропорциональными производной огибающей. Момент времени, когда антенна 1 направлена на лоцируемую цель - ОВ, отраженный сигнал принимает максимальное значение и производная огибающей будет равна нулю, определяется схемой фиксации нуля 12. По команде блока 4 фиксации максимума сигнала, поступающей в блок 14 формирователя выходного сигнала, текущие показания БИНС 2 ϕ_X, γ, υ, φ, λ, H, W_X, W_Y, W_Z поступают на вход вычислителя аппаратуры потребителя 15 потребителя, где производится вычисление координат цели. Чтобы исключить отсчет угловых координат по шумовой выборке, информация с БИНС считывается только при наличии полезного сигнала. Решение о его наличии принимается по накоплению отчетов с весовыми коэффициентами 9₁…9_к, пропорциональными огибающей пачки, и сравнению накопленного сигнала шума, поступающего с антенны.From the output of the driver of the total reflected signal 3 of the antenna 1 to the input of the block 4 of fixing the maximum of the reflected signal, pulses are received that have passed the coordinated processing using the matched filter 5, and through the detector 6 they are sent to the delay line 7, which are stored for a time interval equal to the duration of the packet. The derivative dU (t) / dt is estimated by summing the samples taken from the outputs with specially selected weights 8 ₁ ... 8 _k proportional to the derivative of the envelope. The moment when the antenna 1 is aimed at the target being targeted - OB, the reflected signal takes the maximum value and the envelope derivative will be zero, determined by the zero fixing circuit 12. According to the command of block 4 of fixing the maximum signal that arrives at block 14 of the output signal shaper, the current SINS readings 2 ϕ _X , γ, υ, φ, λ, H, W _X , W _Y , W _Z are fed to the input of the consumer equipment calculator 15 of the consumer, where the target coordinates are calculated. In order to exclude the readout of the angular coordinates from the noise sample, information from the SINS is read only in the presence of a useful signal. The decision on its availability is made by accumulating reports with weight coefficients 9 ₁ ... 9 _k proportional to the envelope of the packet, and comparing the accumulated noise signal from the antenna.

При таком построении навигационной системы матрица $${С}_{нос}^{дп}$$

в уравнении (1) становится единичной, поскольку необходимость координатного преобразования между системой координат носителя и системой координат датчика угла поворота (в рассматриваемом устройстве это бесплатформенная инерциальная навигационная система) снимается:With this construction of the navigation system, the matrix $${\mathrm{FROM}}_{n\mathrm{about}\mathrm{from}}^{dP}$$

in equation (1) becomes single, since the need for coordinate transformation between the coordinate system of the carrier and the coordinate system of the rotation angle sensor (in the device under consideration is a strapdown inertial navigation system) is removed:

Соответственно уравнение (1) принимает видAccordingly, equation (1) takes the form

$$C_{ENU}^{ц}={С}_{БИНС}^{ц}{С}_{ENU}^{нос},\left(3\right)$$

$$C_{ENU}^c={\mathrm{FROM}}_{B\mathrm{AND}N\mathrm{FROM}}^c{\mathrm{FROM}}_{ENU}^{n\mathrm{about}\mathrm{from}},\left(3\right)$$

где $${С}_{БИНС}^{ц}$$

- матрица, элементы которой характеризуют угловое положение цели в системе координат БИНС.Where $${\mathrm{FROM}}_{B\mathrm{AND}N\mathrm{FROM}}^c$$

- a matrix whose elements characterize the angular position of the target in the SINS coordinate system.

Таким образом, точность предлагаемого устройства будет выше за счет исключения координатного преобразования $$C_{нос}^{дп}$$

, а стоимость и массогабаритные характеристики - ниже за счет объединения функций бортовой инерциальной навигационной системы носителя и датчика углового положения в одной системе - бесплатформенной инерциальной навигационной системе.Thus, the accuracy of the proposed device will be higher due to the exclusion of coordinate transformation $$C_{n\mathrm{about}\mathrm{from}}^{dP}$$

and the cost and weight and size characteristics are lower due to the combination of the functions of the onboard inertial navigation system of the carrier and the angle sensor in one system - the strapdown inertial navigation system.

Claims (1)

Подвижный радиолокатор, содержащий антенну, соединенную с формирователем суммарного отраженного сигнала, инерциальную навигационную систему, включающую цифровое вычислительное устройство, отличающийся тем, что антенну выполняют в виде полотна, в геометрическом центре которого или непосредственной близости от него установлена инерциальная навигационная система, выполненная в виде бесплатформенной инерциальной системы, радиолокатор также содержит блок фиксации максимума отраженного сигнала и формирователь выходного сигнала, при этом блок фиксации максимума отраженного сигнала содержит согласованный фильтр, вход которого соединен с формирователем суммарного отраженного сигнала, при этом выход согласованного фильтра через детектор соединен с линией задержки, соответствующие выходы которой через умножители, задающие весовые коэффициенты, подключены через первый сумматор к схеме сравнения и через второй сумматор - к схеме фиксации нуля, при этом выход схемы сравнения соединен с одним из входов схемы фиксации нуля, выход которой соединен с одним из входов формирователя выходного сигнала, остальные входы которого соединены с выходом цифрового вычислительного устройства бесплатформенной инерциальной навигационной системы, выход формирователя выходного сигнала соединен с аппаратурой потребителя. A movable radar comprising an antenna connected to a shaper of the total reflected signal, an inertial navigation system including a digital computing device, characterized in that the antenna is made in the form of a web, in the geometric center of which or in close proximity to it, an inertial navigation system is installed, made in the form of a strapdown of an inertial system, the radar also contains a block for fixing the maximum of the reflected signal and a shaper of the output signal, at The block for fixing the maximum of the reflected signal contains a matched filter, the input of which is connected to the driver of the total reflected signal, while the output of the matched filter through the detector is connected to a delay line, the corresponding outputs of which are connected through the first adder to the comparison circuit through the first adder and through the second adder - to the zero-fixing circuit, while the output of the comparison circuit is connected to one of the inputs of the zero-fixing circuit, the output of which is connected to one of the inputs the output signal of Tell, the remaining inputs of which are connected to the output of the digital computing device strapdown inertial navigation system, yield an output signal generator connected to the user equipment.