RU2726321C1 - Method of determining spatial position and speed in a group of objects by a system of doppler receivers - Google Patents

Method of determining spatial position and speed in a group of objects by a system of doppler receivers Download PDF

Info

Publication number
RU2726321C1
RU2726321C1 RU2019138990A RU2019138990A RU2726321C1 RU 2726321 C1 RU2726321 C1 RU 2726321C1 RU 2019138990 A RU2019138990 A RU 2019138990A RU 2019138990 A RU2019138990 A RU 2019138990A RU 2726321 C1 RU2726321 C1 RU 2726321C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
objects
vectors
vector
coordinates
receiver
Prior art date
Application number
RU2019138990A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Константинович Клочко
Конг Хоай Нгуен
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет имени В.Ф. Уткина"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет имени В.Ф. Уткина" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет имени В.Ф. Уткина"
Priority to RU2019138990A priority Critical patent/RU2726321C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2726321C1 publication Critical patent/RU2726321C1/en

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/06—Systems determining position data of a target
    • G01S13/46—Indirect determination of position data
    • G01S13/48—Indirect determination of position data using multiple beams at emission or reception
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/02—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using radio waves
    • G01S3/14—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction
    • G01S3/46—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using antennas spaced apart and measuring phase or time difference between signals therefrom, i.e. path-difference systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/28—Details of pulse systems
    • G01S7/285—Receivers
    • G01S7/295—Means for transforming co-ordinates or for evaluating data, e.g. using computers
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T3/00—Geometric image transformations in the plane of the image

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: surveillance systems.SUBSTANCE: invention relates to multi-position radio systems for monitoring a group of moving objects which are solvable by Doppler frequency. Method can be used in existing multi-position radio detection systems and trajectory tracking of objects operating in "Silent Sentry System" mode. Disclosed method enables to obtain position and velocity estimates in a group of objects by measuring angular coordinates and direction vectors of the reflection objects using a phase method based on spectral components of the received signals, allocated at Doppler frequencies, detect objects by criterion of conjugation of direction vectors to objects in stereopairs of receivers, find estimates of distances to detected objects and their spatial coordinates, as well as object velocity vectors based on solving systems of algebraic equations in one discrete moment in time.EFFECT: technical result of the invention is enabling possibility of obtaining position and speed estimates in a group of objects by fixing direction vectors of directions to objects in one discrete time moment with a steadily reversed matrix.1 cl

Description

Изобретение относится к многопозиционным радиотехническим системам наблюдения за группой движущихся объектов, разрешимых по доплеровской частоте. Система принимает отраженные сигналы, излучаемые внешним источником на определенной частоте в пассивном режиме, характерном для "Silent Sentry System".The invention relates to a multi-position radio engineering systems for monitoring a group of moving objects, resolvable by the Doppler frequency. The system receives reflected signals emitted by an external source at a certain frequency in a passive mode, characteristic of the "Silent Sentry System".

Известны способы определения положения объекта в доплеровских наземных или бортовых системах, например, [1]. Однако они основаны на использовании приемо-передающих антенн активного излучения сигналов. Известен способ [2] пассивного определения положения и скорости объекта на основе эффекта стереопары в системе нескольких приемников, который рассмотрим в качестве прототипа. Способ сводится к следующему.Known methods for determining the position of an object in the Doppler ground or onboard systems, for example, [1]. However, they are based on the use of transmit-receive antennas of active signal radiation. The known method [2] of passive determination of the position and speed of an object based on the effect of a stereo pair in a system of several receivers, which will be considered as a prototype. The method boils down to the following.

1. Размещают n=3 приемника, ориентированных относительно первого базовыми векторами b2, b3 и матрицами поворота осей координат Р2 и Р3 относительно первого приемника.1. Place n = 3 receivers, oriented relative to the first base vectors b 2 , b 3 and matrices of rotation of the coordinate axes P 2 and P 3 relative to the first receiver.

2. Формируют по результатам наблюдения орты а 1, а 2, а 3 векторов направлений на объект в системах координат приемников последовательно в дискретные моменты времени t1, t2, t3, и составляют матрицу А из координат вектора а 1, векторов а 2, а 3, пересчитанных в систему координат первого приемника с помощью матриц Р2, Р3, и моментов времени t1, t2, t3, после чего вычисляют матрицу весовых коэффициентов Н=(ATA)-1 AT, где “-1” и “T” - символы обращения матрицы и ее транспонирования.2. Based on the observation results, the unit vectors a 1 , a 2 , and 3 of the direction vectors to the object in the coordinate systems of the receivers are sequentially formed at discrete times t 1 , t 2 , t 3 , and matrix A is formed from the coordinates of the vector a 1 , vectors a 2 , and 3 , converted into the coordinate system of the first receiver using matrices Р 2 , Р 3 , and times t 1 , t 2 , t 3 , after which the matrix of weight coefficients is calculated H = (A T A) -1 A T , where “-1” and “T” are symbols of matrix inversion and its transposition.

3. Умножают матрицу Н справа на вектор В, составленный из координат векторов b2, b3, и получают вектор X=НВ оценок дальностей r1, r2, r3 до объекта от каждого приемника, а также координат νx, νy, νz скорости

Figure 00000001
в системе координат первого приемника. При этом оценки X отвечают минимуму показателя J=(АХ-В)Т(АХ-В) суммы квадратов ошибок сопряжения векторов а 1, а 2, а 3, то есть их направления на один и тот же объект.3. Multiply the matrix H on the right by the vector B, composed of the coordinates of the vectors b 2 , b 3 , and obtain the vector X = HB of the estimates of the ranges r 1 , r 2 , r 3 to the object from each receiver, as well as the coordinates ν x , ν y , ν z velocities
Figure 00000001
in the coordinate system of the first receiver. In this case, the X estimates correspond to the minimum of the indicator J = (AX-B) T (AX-B) of the sum of the squares of the conjugation errors of vectors a 1 , a 2 , a 3 , that is, their directions to the same object.

4. Для получения оценок ускорения, а также повышения точности оценок X дополнительно включают четвертый и пятый приемники и фиксируют их орты направлений на объект а 4, а 5 в дискретные моменты времени t4, t5.4. To obtain estimates of acceleration, as well as to improve the accuracy of estimates of X, they additionally include the fourth and fifth receivers and fix their unit vectors of directions to the object a 4 , a 5 at discrete times t 4 , t 5 .

Данный способ обладает следующими недостатками.This method has the following disadvantages.

1. Для определения положения и скорости объекта на момент времени t1 в системе координат первого приемника требуется наблюдение за объектом в разные моменты времени t1, t2, t3, разнесенные на большие промежутки. За время наблюдения скорость объекта может измениться.1. To determine the position and speed of an object at time t 1 in the coordinate system of the first receiver, it is required to observe the object at different times t 1, t 2 , t 3 , spaced apart at large intervals. During the observation time, the speed of the object may change.

2. Для определения ускорения объекта на момент времени t1 требуются дополнительные моменты времени наблюдения t4 и t5, что приводит к увеличению времени наблюдения.2. To determine the acceleration of an object at time t 1, additional observation times t 4 and t 5 are required, which leads to an increase in the observation time.

3. Точность оценок положения, скорости и ускорения зависит от правильного выбора моментов времени формирования ортов направлений на объект при составлении матрицы А. При этом обращение матрицы АТ А в общем случае неустойчиво, что приводит к необходимости использования процедур регуляризации, а это снижает точность оценок.3. The accuracy of the estimates of position, velocity, and acceleration depends on the correct choice of the time instants for the formation of the unit vectors of the directions to the object when composing the matrix A. In this case, the inversion of the matrix AT A is generally unstable, which leads to the need to use regularization procedures, and this reduces the accuracy of the estimates ...

4. Способ не предусматривает наблюдение за группой объектов.4. The method does not provide for the observation of a group of objects.

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение указанных недостатков, а именно, на получение оценок положения и скорости в группе объектов путем фиксации ортов направлений на объекты в один дискретный момент времени t1 при устойчиво обращаемой матрице.The proposed technical solution is aimed at eliminating the indicated drawbacks, namely, at obtaining estimates of the position and velocity in a group of objects by fixing the unit vectors of directions to the objects at one discrete moment of time t 1 with a stably inverted matrix.

Технический результат предлагаемого технического решения достигается применением способа определения пространственного положения и скорости в группе объектов системой доплеровских приемников, который заключается в размещении нескольких n приемников, принимающих сигнал отражения от объектов в зоне обзора приемников и ориентированных относительно первого приемника базовыми векторами b2, …, bn и матрицами Р2, …, Pn поворота осей координат, формировании ортов а 1, а 2, …, a n векторов направлений на объекты в системах координат приемников в разные дискретные моменты времени t1, t2, …, tn, составлении матрицы из координат ортов, вычислении на ее основе матрицы весовых коэффициентов, умножении полученной матрицы слева на вектор, составленный из координат базовых векторов, и получении вектора оценок дальностей и координат скорости каждого объекта, отличающийся тем, что сигнал, излучаемый на несущей частоте ƒ0 внешним источником и отражаемый от объектов, принимают в антенных решетках нескольких приемников в один и тот же дискретный момент времени t1, выделяют фазы спектральных составляющих сигнала на одинаковых доплеровских частотах, зафиксированных в приемных каналах каждого приемника, определяют фазовым методом угловое направление прихода составляющих сигнала и орты а 1, а 2, …, a n векторов этих направлений, составляют матрицу А из скалярных произведений пар ортов и умножают обратную матрицу А-1 слева на вектор В, составленный из скалярных произведений ортов и базовых векторов, и вычисляют вектор X оценок дальностей r1, r2, …, rn до объектов по формуле Х=А-1В=(r1, r2, …, rn)T, затем распределяют орты по принадлежности объектам путем выбора неповторяющихся вариантов соединения ортов с наименьшими показателями их сопряжения J=(АХ-В)T(АХ-В) и тем самым обнаруживают объекты, после чего для каждого i-го обнаруженного объекта (

Figure 00000002
m - число объектов) умножают оценку дальности ri на орт a 1 и получают вектор Mi=ri a i дооценок пространственных координат объекта в системе координат i-го приемника, затем составляют матрицу ΔА из разностей координат ортов направлений на этот объект, записанных в системе координат первого приемника, и вектор ΔF, составленный из разностей сдвигов доплеровских частот, измеренных в стереопарах приемников, и вычисляют вектор Vi оценок координат скорости каждого i-го объекта в системе координат первого приемника по формуле Vi=(c/ƒ0)ΔA-lΔF, где с - скорость света, далее векторы Vi и векторы Mi,
Figure 00000003
передают на сопровождение объектов.The technical result of the proposed technical solution is achieved by using a method for determining the spatial position and velocity in a group of objects by a Doppler receiver system, which consists in placing several n receivers that receive a reflection signal from objects in the viewing area of the receivers and are oriented relative to the first receiver by the base vectors b 2 , ..., b n and matrices Р 2 , ..., P n of rotation of the coordinate axes, the formation of unit vectors a 1 , a 2 , ..., a n direction vectors to objects in the coordinate systems of the receivers at different discrete times t 1 , t 2 , ..., t n , composing a matrix from the coordinates of the unit vectors, calculating the matrix of weight coefficients on its basis, multiplying the resulting matrix on the left by a vector composed of the coordinates of the base vectors, and obtaining a vector of estimates of the ranges and coordinates of the velocity of each object, characterized in that the signal emitted at the carrier frequency ƒ 0 external source and reflected from objects, are taken in antenna solutions at the same discrete moment of time t 1 , the phases of the spectral components of the signal at the same Doppler frequencies, fixed in the receiving channels of each receiver, are determined by the phase method, the angular direction of arrival of the signal components and the unit vectors a 1 , a 2 , ..., a n vectors of these directions, make up a matrix A from scalar products of pairs of unit vectors and multiply the inverse matrix A -1 on the left by a vector B, composed of scalar products of unit vectors and base vectors, and calculate a vector X of range estimates r 1 , r 2 , ..., r n to objects according to the formula X = A -1 B = (r 1 , r 2 , ..., r n ) T , then the unit vectors are distributed according to belonging to the objects by choosing non-repeating variants of the unit connection with the smallest indicators of their conjugation J = (AX-B) T (AX-B) and thereby detect objects, after which for each i-th detected object (
Figure 00000002
m is the number of objects) multiply the estimate of the range r i by the unit vector a 1 and obtain the vector M i = r i a i of additional estimates of the spatial coordinates of the object in the coordinate system of the ith receiver, then compose the matrix ΔA from the differences in the coordinates of the unit vectors of the directions to this object recorded in the coordinate system of the first receiver, and the vector ΔF, composed of the differences in the shifts of the Doppler frequencies measured in the stereopairs of the receivers, and calculate the vector V i of the estimates of the coordinates of the velocity of each i-th object in the coordinate system of the first receiver by the formula V i = (c / ƒ 0 ) ΔA -l ΔF, where c is the speed of light, then the vectors V i and vectors M i ,
Figure 00000003
are transferred for object tracking.

Алгоритмически способ осуществляется следующим образом.Algorithmically, the method is carried out as follows.

1. Размещаются n=4 приемника, ориентированных относительно первого приемника базовыми векторами b2=(b2x, b2y, b2z)T, b3=(b3x, b3y, b3z)T, b4=(b4x, b4y, b3z)T и матрицами поворота осей координат Р2, Р3, Р4.1. Place n = 4 receivers oriented relative to the first receiver by the base vectors b 2 = (b 2x , b 2y , b 2z ) T , b 3 = (b 3x , b 3y , b 3z ) T , b 4 = (b 4x , b 4y , b 3z ) T and matrices of rotation of the coordinate axes Р 2 , Р 3 , Р 4 .

2. Сигнал s0(t)=U0cos(2πƒ0t+φ0), где U0 - амплитуда; ƒ0 - несущая частота: ƒ0=c/λ, λ - длина волны, с - скорость света; φ0 - начальная фаза (неизвестная величина при приеме сигнала); t - текущее время, излучаемый внешним источником и отражаемый от i-х объектов (

Figure 00000004
m - число объектов) принимается в q-x приемных элементах (
Figure 00000005
Q≥4 - число приемных элементов) антенной решетки (АР) каждого k-го приемника
Figure 00000006
как сигнал sqik (t) с фазой ψqik=ψqik(t, ϕik, θik), описываемой моделью (символы i и k для удобства опускаем): ψq=2πƒ0(t-tq)+φ0+ε, где ε=ε(ϕ, θ) - случайное изменение фазы при отражении сигнала от i-го объекта в направлении угловых координат азимута ϕ и угла места θ; tq=[r0(t)+rq(t)]/c, r0(t) - расстояние, которое сигнал проходит от момента времени его излучения передатчиком до момента отражения от i-го объекта; rq(t)=rq(t, ϕ, θ) - расстояние, которое сигнал проходит после отражения от движущегося объекта в ϕ, θ-м угловом направлении до попадания на q-й элемент АР k-го приемника, причем r0(t)=R0+νr0t, rq(t)=R+δq+νrt, R0 и R - радиальные дальности до объекта соответственно от передатчика и от центра приемника, если бы объект был неподвижен; νr0 и νr - проекции вектора скорости
Figure 00000007
объекта в направлении передатчика и приемника; δq=δq(ϕ, θ) - отклонение сигнала, достигшего q-го элемента АР, относительно центра АР:2. Signal s 0 (t) = U 0 cos (2πƒ 0 t + φ 0 ), where U 0 is the amplitude; ƒ 0 - carrier frequency: ƒ 0 = c / λ, λ - wavelength, c - speed of light; φ 0 - initial phase (unknown value when receiving a signal); t is the current time emitted by an external source and reflected from the i-th objects (
Figure 00000004
m is the number of objects) is received in qx receiving elements (
Figure 00000005
Q≥4 is the number of receiving elements) of the antenna array (AR) of each k-th receiver
Figure 00000006
as a signal s qik (t) with the phase ψ qik = ψ qik (t, ϕ ik , θ ik ) described by the model (we omit the symbols i and k for convenience): ψ q = 2πƒ 0 (tt q ) + φ 0 + ε , where ε = ε (ϕ, θ) is a random phase change when the signal is reflected from the i-th object in the direction of the angular coordinates of the azimuth ϕ and the elevation angle θ; t q = [r 0 (t) + r q (t)] / c, r 0 (t) is the distance that the signal travels from the time of its emission by the transmitter to the moment of reflection from the i-th object; r q (t) = r q (t, ϕ, θ) is the distance that the signal travels after reflection from a moving object in the ϕ, θ-th angular direction until it hits the q-th element of the AR of the k-th receiver, and r 0 (t) = R 0 + ν r0 t, r q (t) = R + δ q + ν r t, R 0 and R are the radial distances to the object, respectively, from the transmitter and from the center of the receiver, if the object were stationary; ν r0 and ν r are the projections of the velocity vector
Figure 00000007
object in the direction of the transmitter and receiver; δ q = δ q (ϕ, θ) is the deviation of the signal reaching the qth element of the AA relative to the center of the AA:

Figure 00000008
где xq,yq - координаты центра q-го приемного элемента АР; х, у - координаты объекта отражения в системе АР; угол ϕ отсчитывается в горизонтальной плоскости OXZ относительно оси OZ, направленной в сторону объектов, а угол θ - относительно плоскости OXZ в направлении оси OY.
Figure 00000008
where x q , y q - coordinates of the center of the q-th receiving element of the AR; x, y - coordinates of the reflection object in the AR system; the angle ϕ is measured in the horizontal plane OXZ relative to the OZ axis directed towards the objects, and the angle θ is measured relative to the OXZ plane in the direction of the OY axis.

Фаза сигнала, принятого в ϕ, θ-м направлении, запишется какThe phase of the signal received in the ϕ, θ-th direction will be written as

ψq=ψq(t,ϕ,θ)=2πƒ0[(1-νr∑)/c]t-2πƒ0[(R0+R)/c-2πƒ0δq/c+φ0+ε.ψ q = ψ q (t, ϕ, θ) = 2πƒ 0 [(1-ν r∑ ) / c] t-2πƒ 0 [(R 0 + R) / c-2πƒ 0 δ q / c + φ 0 + ε.

Дифференцированием ψq no t получается суммарная доплеровская частотаDifferentiating ψ q no t gives the total Doppler frequency

Figure 00000009
Figure 00000009

которая зависит от суммы радиальных скоростей νr∑=νr0+νr.which depends on the sum of radial velocities ν r∑ = ν r0 + ν r .

С учетом измеряемого доплеровского сдвига частот в k-м приемнике: Fk=ƒ0-ƒ∑=ƒ0νr∑/с фаза будет:Taking into account the measured Doppler frequency shift in the k-th receiver: F k = ƒ 0 -ƒ ∑ = ƒ 0 ν r∑ / s, the phase will be:

ψq(ϕ,θ)=2πƒ0t-2πFkt-(2π/λ)(R0+R)-(2π/λ)δq+φ0+ε.ψ q (ϕ, θ) = 2πƒ 0 t-2πF k t- (2π / λ) (R 0 + R) - (2π / λ) δ q + φ 0 + ε.

В процессе прохождения тракта первичной обработки несущая частота ƒ0 снимается. После дискретизации по времени tj,

Figure 00000010
где N - количество временных отсчетов, фаза (2) принимает видIn the process of passing through the primary processing path, the carrier frequency ƒ 0 is removed. After sampling in time t j ,
Figure 00000010
where N is the number of time samples, phase (2) takes the form

Figure 00000011
Figure 00000011

где ηq - фазовый шум; ξq=ξq (ϕ, θ) - случайная величина.where η q - phase noise; ξ q = ξ q (ϕ, θ) is a random variable.

После того, как временная последовательность значений сигнала проходит через быстрое преобразование Фурье, получается частотная последовательность, из которой выделяются составляющие спектра с амплитудами, превышающими порог обнаружения полезного сигнала во всех q-x каналах

Figure 00000012
Фазы выделенных i-x составляющих (
Figure 00000013
m - число выделенных частот Fik) в q-м элементе АР k-го приемника:After the time sequence of signal values passes through the fast Fourier transform, a frequency sequence is obtained, from which the spectrum components with amplitudes exceeding the detection threshold of the useful signal in all qx channels are extracted
Figure 00000012
The phases of the selected ix components (
Figure 00000013
m is the number of allocated frequencies F ik ) in the q-th element of the AA of the k-th receiver:

Figure 00000014
Figure 00000014

где δqik и ξqik даны в (2).where δ qik and ξ qik are given in (2).

3. В соответствии с фазовым метолом измерения угловых координат берутся разности фаз ψq в (3) с учетом (1):3. In accordance with the phase method, the angular coordinates are measured by taking the phase difference ψ q in (3) taking into account (1):

Figure 00000015
Figure 00000015

где Δη1=ξ1-ξ3 и Δη2=ξ2-ξ4, и находятся координаты х и у из (4), пренебрегая ошибками Δη1 и Δη2: х=ΔψXRλ/(πb), у=ΔψYRλ/(πb).where Δη 1 = ξ 1 -ξ 3 and Δη 2 = ξ 2 -ξ 4 , and the coordinates x and y from (4) are found, neglecting the errors Δη 1 and Δη 2 : x = Δψ X Rλ / (πb), y = Δψ Y Rλ / (πb).

Затем вычисляются координаты орта a ik=(a x, a y, a z)T направления на i-й объект отражения сигнала в k-м приемнике:Then the coordinates of the ort a ik = ( a x , a y , a z ) T of the direction to the i-th object of signal reflection in the k-th receiver are calculated:

Figure 00000016
Figure 00000016

4. Составляется матрица А и вектор В вида4. Matrix A and vector B of the form

Figure 00000017
Figure 00000017

и вычисляется вектор X=(r1, r2, …, rn)T оценок дальностей до объектов по формуле X=А-1В, отвечающий критерию минимума показателя J суммы квадратов ошибок сопряжения ek:and the vector X = (r 1 , r 2 , ..., r n ) T of estimates of distances to objects is calculated by the formula X = A -1 B, which meets the criterion of the minimum indicator J of the sum of squares of the conjugation errors e k :

Figure 00000018
Figure 00000018

При обращении матрицы А не требуется регуляризация.When the matrix A is inverted, regularization is not required.

5. Осуществляется перебор вариантов соединения ортов aik,

Figure 00000019
Figure 00000020
найденных в (5). Для каждого варианта вычисляются оценки дальностей до объектов rik,
Figure 00000021
в соответствии с п. 4 и последовательно выбираются
Figure 00000022
неповторяющихся вариантов соединения ортов с наименьшими показателями J. Для
Figure 00000023
выбранных вариантов соединения ортов находятся пространственные координаты
Figure 00000024
объектов Mik=rik a ik1,
Figure 00000025
в системах k-х приемников, где
Figure 00000026
- оценка числа обнаруженных объектов.5. Enumeration of variants of connection of unit vectors a ik ,
Figure 00000019
Figure 00000020
found in (5). For each variant, estimates of the distances to objects r ik are calculated,
Figure 00000021
in accordance with clause 4 and are sequentially selected
Figure 00000022
non-repeating variants of the unit vectors connection with the lowest J.
Figure 00000023
of the selected variants of the unit vectors connection, the spatial coordinates
Figure 00000024
objects M ik = r ik a ik1 ,
Figure 00000025
in k-receiver systems, where
Figure 00000026
- estimation of the number of detected objects.

6. Для каждого i-го обнаруженного объекта фиксируются соответствующие ему доплеровские сдвиги частот Fk, измеренные в k-х приемниках:6. For each i-th detected object, the corresponding Doppler frequency shifts F k , measured in k-th receivers, are recorded:

Fk=ƒ0-ƒk=ƒ0νrk/с, или cFk=ƒ0 (νr0+νrk), где νrk=νr0+νrk.F k = ƒ 0 -ƒ k = ƒ 0 ν rk / с, or cF k = ƒ 0 (ν r0 + ν rk ), where ν rk = ν r0 + ν rk .

Представляя радиальные скорости с помощью скалярных произведений векторов в системе координат 1-го приемника какRepresenting radial velocities using dot products of vectors in the 1st receiver coordinate system as

Figure 00000027
Figure 00000027

где νx, νy, νz - координаты вектора скорости в системе координат 1-го приемника;

Figure 00000028
- орт вектора направления на объект в системе координат передатчика, пересчитанный в систему координат 1-го приемника с помощью матрицы поворота осей Р0 в матричной форме;
Figure 00000029
- орты векторов направлений на объект в системах координат k-х приемников, пересчитанные в систему координат 1-го приемника с помощью матриц поворота осей Pk, получаем систему n уравнений:where ν x , ν y , ν z are the coordinates of the velocity vector in the coordinate system of the 1st receiver;
Figure 00000028
- unit vector of the direction to the object in the transmitter coordinate system, recalculated into the coordinate system of the 1st receiver using the axis rotation matrix P 0 in matrix form;
Figure 00000029
- unit vectors of direction vectors to the object in the coordinate systems of the k-th receivers, recalculated into the coordinate system of the 1st receiver using the rotation matrices P k , we obtain a system of n equations:

Figure 00000030
Figure 00000030

или систему n - 1 уравнений вида

Figure 00000031
or a system of n - 1 equations of the form
Figure 00000031

в матричной форме:in matrix form:

Figure 00000032
Figure 00000032

Для n=4 при измеренных значениях Fk,

Figure 00000033
и известной несущей частоте ƒ0 из (6) получается уравнение в матричной форме относительно вектора
Figure 00000034
оценок координат вектора
Figure 00000035
For n = 4 at measured values of F k ,
Figure 00000033
and the known carrier frequency ƒ 0 from (6) an equation is obtained in matrix form with respect to the vector
Figure 00000034
vector coordinates estimates
Figure 00000035

Figure 00000036
Figure 00000036

Методом обратной матрицы из (7) находится вектор оценок скорости i-го обнаруженного объекта в системе координат первого приемника:Using the inverse matrix method from (7), the vector of estimates of the velocity of the i-th detected object in the coordinate system of the first receiver is found:

Figure 00000037
Figure 00000037

При обращении матрицы ΔА не требуется регуляризация.When the matrix ΔA is inverted, regularization is not required.

7. С увеличением числа приемников (n>4) получается избыточность уравнений, вследствие чего сказываются ошибки Δ измерения разности доплеровских частот, и модель (7) принимает вид7.With an increase in the number of receivers (n> 4), redundancy of equations is obtained, as a result of which errors Δ in measuring the difference of Doppler frequencies affect, and model (7) takes the form

Figure 00000038
Figure 00000038

где Δ=(Δ1, Δ2, …, Δn)T - вектор ошибок измерения разностей частот. Тогда решение находится минимизацией квадрата нормы вектора ошибок, что приводит к стандартным оценкам метода наименьших квадратов:where Δ = (Δ 1 , Δ 2 ,…, Δ n ) T is the vector of errors in measuring the frequency differences. Then the solution is found by minimizing the squared norm of the error vector, which leads to the standard estimates of the least squares method:

Figure 00000039
Figure 00000039

8. Векторы Vi, полученные для каждого объекта по формуле (10), вместе с векторами Mi оценок пространственных координат объектов

Figure 00000040
передаются на сопровождение объектов.8. Vectors V i , obtained for each object by formula (10), together with vectors M i estimates of the spatial coordinates of objects
Figure 00000040
transferred to escort objects.

Для определения оценок ускорения достаточно повторить вычисления для двух дискретных моментов времени t1 и t2. Предложенный способ может найти применение в системах, работающих в режиме "Silent Sentry System".To determine the acceleration estimates, it is sufficient to repeat the calculations for two discrete times t 1 and t 2 . The proposed method can be used in systems operating in the "Silent Sentry System" mode.

ЛитератураLiterature

1. Бакулев П.А. Радиолокационные системы: учебник для вузов. М.: Радиотехника, 2007. 376 с.1. Bakulev P.A. Radar systems: a textbook for universities. Moscow: Radiotekhnika, 2007.376 p.

2. Патент RU 2700275. Способ определения пространственного положения, скорости и ускорения объекта в пассивной сканирующей системе видения / В.К. Клочко, X.К. Нгуен. Приоритет 12.11.2018.2. Patent RU 2700275. Method for determining the spatial position, speed and acceleration of an object in a passive scanning vision system / V.K. Klochko, H.K. Nguyen. Priority 12.11.2018.

Claims (1)

Способ определения пространственного положения и скорости в группе объектов системой доплеровских приемников, заключающийся в размещении нескольких n приемников, ориентированных относительно первого приемника базовыми векторами b2, …, bn и матрицами Р2, …, Pn поворота осей координат, формировании по результатам наблюдений ортов а1, а2, …, аn векторов направлений на объекты в системах координат приемников в разные дискретные моменты времени t1, t2, …, tn, составлении матрицы из координат ортов и моментов времени, вычислении на ее основе матрицы весовых коэффициентов, умножении полученной матрицы слева на вектор, составленный из координат базовых векторов, и получении вектора оценок дальностей и координат скорости объекта, отличающийся тем, что сигнал, излучаемый на несущей частоте ƒ0 внешним источником и отражаемый от группы объектов, принимают в антенных решетках нескольких приемников в дискретный момент времени t1, выделяют фазы спектральных составляющих сигнала на одинаковых доплеровских частотах, зафиксированных в приемных каналах каждого приемника, определяют фазовым методом угловые направления прихода составляющих сигнала и формируют орты а1, а2, …, аn векторов этих направлений, составляют матрицу А из скалярных произведений пар ортов и умножают обратную матрицу А-1 слева на вектор В, составленный из скалярных произведений ортов и базовых векторов, и вычисляют вектор X оценок дальностей r1, r2, …, rn до объектов по формуле Х=А-1В=(r1, r2, …, rn)T, где Т - символ транспонирования, затем распределяют орты по принадлежности объектам путем выбора неповторяющихся вариантов соединения ортов с наименьшими показателями сопряжения J=(АХ-В)T(АХ-В) и тем самым обнаруживают объекты, после чего для каждого i-го обнаруженного объекта (
Figure 00000041
m - число объектов) умножают оценку дальности ri на орт аi и получают вектор Mi=riаi оценок пространственных координат объекта в системе координат i-го приемника, затем составляют матрицу ΔА из разностей координат ортов направлений на этот объект, записанных в системе координат первого приемника, и вектор ΔF, составленный из разностей сдвигов доплеровских частот, измеренных в стереопарах приемников, и вычисляют вектор Vi оценок координат скорости каждого i-го объекта в системе координат первого приемника по формуле Vi=(с/ƒ0)ΔA-1ΔF, где с - скорость света, далее векторы Vi и векторы Mi,
Figure 00000041
передают на сопровождение объектов.A method for determining the spatial position and velocity in a group of objects by the Doppler receiver system, which consists in placing several n receivers oriented relative to the first receiver by the base vectors b 2 , ..., b n and matrices P 2 , ..., P n of rotation of the coordinate axes, forming according to the results of observations unit vectors a 1 , a 2 , ..., and n vectors of directions to objects in coordinate systems of receivers at different discrete moments of time t 1 , t 2 , ..., t n , compiling a matrix of unit coordinates and points in time, calculating on its basis the matrix of weight coefficients, multiplying the resulting matrix on the left by a vector composed of the coordinates of the base vectors, and obtaining a vector of estimates of the distances and coordinates of the object's velocity, characterized in that the signal emitted at the carrier frequency ƒ 0 by an external source and reflected from the group of objects is received in antenna arrays of several receivers at a discrete time t 1 , allocate the phases of the spectral components of the signal on of the same Doppler frequencies recorded in the receiving channels of each receiver, the angular directions of arrival of the signal components are determined by the phase method and the unit vectors a 1 , a 2 , ... are formed, and n vectors of these directions, make up a matrix A of scalar products of pairs of unit vectors and multiply the inverse matrix A - 1 on the left by the vector B, composed of the scalar products of unit vectors and base vectors, and calculate the vector X of estimates of the ranges r 1 , r 2 , ..., r n to objects by the formula X = A -1 B = (r 1 , r 2 , ... , r n ) T , where Т is the transposition symbol, then the unit vectors are distributed according to the belonging to objects by choosing non-repeating variants of the unit unit connection with the lowest conjugation indices J = (AX-B) T (AX-B) and thereby objects are detected, after which for each i-th detected object (
Figure 00000041
m is the number of objects) multiply the estimate of the range r i by the unit vector a i and obtain the vector M i = r i and i of the estimates of the spatial coordinates of the object in the coordinate system of the i-th receiver, then compose the matrix ΔA from the differences in the coordinates of the unit vectors of the directions to this object recorded in the coordinate system of the first receiver, and the vector ΔF, composed of the differences of the shifts of the Doppler frequencies measured in the stereopairs of the receivers, and calculate the vector V i of the estimates of the coordinates of the velocity of each i-th object in the coordinate system of the first receiver according to the formula V i = (s / ƒ 0 ) ΔA -1 ΔF, where c is the speed of light, then vectors V i and vectors M i ,
Figure 00000041
are transferred for object tracking.
RU2019138990A 2019-11-29 2019-11-29 Method of determining spatial position and speed in a group of objects by a system of doppler receivers RU2726321C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019138990A RU2726321C1 (en) 2019-11-29 2019-11-29 Method of determining spatial position and speed in a group of objects by a system of doppler receivers

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019138990A RU2726321C1 (en) 2019-11-29 2019-11-29 Method of determining spatial position and speed in a group of objects by a system of doppler receivers

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2726321C1 true RU2726321C1 (en) 2020-07-13

Family

ID=71616537

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019138990A RU2726321C1 (en) 2019-11-29 2019-11-29 Method of determining spatial position and speed in a group of objects by a system of doppler receivers

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2726321C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2792971C1 (en) * 2022-06-17 2023-03-28 Общество с ограниченной ответственностью "Интеграция новых технологий" Digital radar signal processing method and high resolution obstacle detection radar

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009162726A (en) * 2008-01-10 2009-07-23 Mitsubishi Electric Corp Radar image processor
CN105044709A (en) * 2015-06-26 2015-11-11 电子科技大学 Positioning system only using Doppler information based on radar sensor network
JP2016142714A (en) * 2015-02-05 2016-08-08 三菱電機株式会社 Radar image processing device and radar image processing method
KR101745995B1 (en) * 2015-11-16 2017-06-13 고려대학교 산학협력단 Device and method for detecting moving object using high frequency radar
RU2661357C1 (en) * 2017-09-28 2018-07-16 Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") Method of reviewing passive single-positive monopulse triple-oriented angular-differential-doppler locations of moving in space of the radio-emitting objects
RU2661913C1 (en) * 2017-03-10 2018-07-23 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Method of distinguishing spectral samples in multichannel doppler radar
RU2681518C1 (en) * 2018-04-02 2019-03-07 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Method for determining distances to objects in passive vision systems
RU2682382C1 (en) * 2018-04-02 2019-03-19 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Observers in the passive vision system coordinate systems orientation method
US10310066B1 (en) * 2015-05-26 2019-06-04 Saze Technologies, Llc Indirect passive radar detection method and system
RU2700275C1 (en) * 2018-11-12 2019-09-16 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Method of determining spatial position, speed and acceleration of an object in a passive scanning vision system
RU2704789C1 (en) * 2019-01-15 2019-10-31 Владимир Валентинович Родионов Method for adaptive signal processing in survey coherent-pulse radar stations

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009162726A (en) * 2008-01-10 2009-07-23 Mitsubishi Electric Corp Radar image processor
JP2016142714A (en) * 2015-02-05 2016-08-08 三菱電機株式会社 Radar image processing device and radar image processing method
US10310066B1 (en) * 2015-05-26 2019-06-04 Saze Technologies, Llc Indirect passive radar detection method and system
CN105044709A (en) * 2015-06-26 2015-11-11 电子科技大学 Positioning system only using Doppler information based on radar sensor network
KR101745995B1 (en) * 2015-11-16 2017-06-13 고려대학교 산학협력단 Device and method for detecting moving object using high frequency radar
RU2661913C1 (en) * 2017-03-10 2018-07-23 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Method of distinguishing spectral samples in multichannel doppler radar
RU2661357C1 (en) * 2017-09-28 2018-07-16 Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") Method of reviewing passive single-positive monopulse triple-oriented angular-differential-doppler locations of moving in space of the radio-emitting objects
RU2681518C1 (en) * 2018-04-02 2019-03-07 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Method for determining distances to objects in passive vision systems
RU2682382C1 (en) * 2018-04-02 2019-03-19 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Observers in the passive vision system coordinate systems orientation method
RU2700275C1 (en) * 2018-11-12 2019-09-16 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Method of determining spatial position, speed and acceleration of an object in a passive scanning vision system
RU2704789C1 (en) * 2019-01-15 2019-10-31 Владимир Валентинович Родионов Method for adaptive signal processing in survey coherent-pulse radar stations

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2792971C1 (en) * 2022-06-17 2023-03-28 Общество с ограниченной ответственностью "Интеграция новых технологий" Digital radar signal processing method and high resolution obstacle detection radar
RU2803325C1 (en) * 2022-10-28 2023-09-12 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет имени В.Ф. Уткина" Method for determining coordinates and velocity vectors of several objects by a system of doppler receivers

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6920198B2 (en) An imaging radar sensor that measures objects in the vertical direction by forming a digital beam in the horizontal direction and comparing the phases of offset transmitters.
US9939522B2 (en) Systems and methods for 4-dimensional radar tracking
JP2021183985A (en) Mimo radar sensor for automobile
US10359512B1 (en) Systems and methods for stereo radar tracking
US10317520B2 (en) Radar system
US10613197B2 (en) Antenna specification estimation device and radar device
US20050179579A1 (en) Radar receiver motion compensation system and method
US20210165074A1 (en) Method for detecting angle measuring errors in a radar sensor
CN109477892B (en) Vehicle radar for environmental detection
CN107076835A (en) Radar surveying method with different sighting distances
CN102004244B (en) Doppler direct distance measurement method
RU2373551C1 (en) Method of measuring angular coordinates of several objects in multichannel doppler radar sets
Baumgartner et al. Multi-channel SAR for ground moving target indication
CN103760546A (en) Low-altitude target direction-of-arrival estimating method for radar
RU2275649C2 (en) Method and passive radar for determination of location of radio-frequency radiation sources
CN113189554B (en) Processing method of radar measured echo data, electronic equipment and storage medium
RU2569843C1 (en) Method of forming three-dimensional image of earth's surface in on-board doppler radar station with linear antenna array
US6982668B1 (en) Tangential velocity measurement using interferometric MTI radar
RU2726321C1 (en) Method of determining spatial position and speed in a group of objects by a system of doppler receivers
RU2572357C1 (en) Method of forming three-dimensional image of earth's surface in on-board four-channel doppler radar set
US11994578B2 (en) Systems and methods for virtual doppler and/or aperture enhancement
RU2729459C1 (en) Method of determining spatial coordinates and speeds of objects using a scanning multiposition radio system
Chiu et al. RADARSAT-2 moving object detection experiment (MODEX)
Hidayat et al. Simulation of signal processing for ship detection on two overlapping HF radars with FMCW waveforms
RU2719631C1 (en) Method of determining spatial coordinates of a moving object by a passive radio system