Принцип построения многопозиционной радиолокационной системы аэрокосмического базирования с использованием сигналов спутников радионавигационных систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Принцип построения многопозиционной радиолокационной системы аэрокосмического базирования с использованием сигналов спутниковых радионавигационных систем

С.Ю. Сысуев,^,МВАА; А.А. Филиппов, СПбГУАП

Аннотация

На основе анализа отраженных от земной поверхности сигналов доплеровских частот нескольких радионавигационных спутников и использования их временной селекции, показан способ формирования радиолокационного изображения (РЛИ) в области доплеровских частот и обнаружения объектов бортовыми радиотехническими станциями. Рассмотрено описание принципа функционирования многопозиционной РЛС аэрокосмического базирования с использованием навигационных сигналов спутниковой радионавигационной системы (СРНС) глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС). Предлагаемая система обеспечивает требуемую для решения задач обнаружения разрешающую способность бортовыми радиотехническими системами летательных аппаратов (ЛА) дистанционного зондирования без излучения радиолокационных сигналов.

Ключевые слова: многопозиционная РЛС, ГНСС, дистанционное зондирование, бортовая радиотехническая система.

Annotation

Based on the analysis of the Doppler frequencies of several radio-navigation satellites reflected from the earth's surface and the use of their time selection, a method for forming a radar image in the Doppler frequencies and detecting objects by onboard radio stations is shown. The description of the principle of operation of multi-position radar aerospace-based using navigation signals of a satellite radio navigation system (SRNS) global navigation satellite system (GNSS). The proposed system provides the resolution required for solving detection problems by onboard radio-technical systems of remote sensing aircraft (LA) without radiating radar signals.

Keywords: multi-position radar, GNSS, remote sensing, airborne radio system.

Развитие многопозиционной радиолокации соответствует общей тенденции в технике - объединения отдельных технических средств в системы, в которых благодаря совместному функционированию и взаимодействию элементов значительно улучшают основные характеристики и появляются новые возможности [1]. В многопозиционной радиолокационной системе (МПРЛС) информация извлекается из нескольких разнесенных в пространстве участков поля рассеяния цели (или поля излучения источников сигналов), что позволяет существенно повысить информативность, помехозащищенность и ряд других более важных характеристик.

Приложения, использующие возможности ГНСС-рефлектометрии [2] (обработки отраженного от поверхности навигационного сигнала) получили развитие в последнее десятилетие. Основными факторами, повлиявшими на применение навигационных сигналов для мониторинга и дистанционного зондирования земли являются: глобальность, доступность сигналов ГНСС по всей поверхности Земли, а также экономичность построения многопозиционных систем на их основе. Способы построения радиолокационных изображений поверхности с применением навигационных сигналов и метод их обработки изложены в работах [3-6].

В работе [3,4] при построении многопозиционной системы в качестве носителя приемника отраженных сигналов ГНСС (далее - приемник сигнала) применятся низкоорбитальный космический аппарат (КА).

Вместе с тем применение радиоприемных систем для приема отраженных навигационных сигналов на низкой орбите связано с рядом трудностей:

радиотехнические системы (РТС) космического базирования требуют использования крупногабаритных и дорогостоящих антенных решеток с высоким коэффициентом усиления;

низкая оперативность предоставления РЛИ по требуемому участку местности;

низкий уровень отраженных ГНСС сигнала на высоте движения КА.

Для минимизации указанных недостатков предлагается использовать в качестве носителя приемника летательный аппарат (ЛА). Применение ЛА в качестве носителе приемной позиции связано с рядом сложностей:

необходимость учета нестабильности траектории движения ЛА;

ограниченность габаритов ЛА не позволяет применять антенну больших размеров на борту для обеспечения узкой диаграммы направленности антенны (ДНА) и требуемой разрешающей способности для обнаружения малоразмерных объектов.

Указанные сложности применения ЛА накладывают ограничения на время накопления сигнала. Нестабильность движения, возможно компенсировать за счет использования информации от инерциальных навигационных систем с коррекцией от радиотехнических датчиков (ГЛОНАСС, ДИСС или РЛС в режиме измерения угла и сноса).

Структурная схема МПРЛС формируется в соответствии с моделью ее функционирования, представленной на рисунке 1.

Рис. 1 Модель функционирования многопозиционной РЛС

Порядок функционирования предлагаемой МПРЛС следующий:

1. С борта N передающих позиций, в качестве которых выступают НКА СРНС, излучают N независимых сигналов S₁...S_N:

(1)

2. Диаграмма направленности первой приемной антенны направляется в сторону исследуемого участка земной поверхности, а ДН второй слабонаправленной приемной антенны ориентируется в верхнюю полусферу в сторону видимых НКА.

3. На борту приемной позиции при помощи антенны, сориентированной в направлении заданного участка земной поверхности и приемника, принимают N сигналов S_1отр...S_Nотр, отраженных от наблюдаемого участка земной поверхности. Прием отраженных поверхностью сигналов, прошедших трассу "передатчик - поверхность - приемник", производит на борту носителя приемника в течение интервала когерентного накопление Т_c. На борту носителя приемника регистрируют амплитуду и фазу принимаемых отраженных сигналов:

(2)

где определяет изменение фазы сигнала за время прохождения расстояния от передатчика до подстилающей поверхности и расстояния от подстилающей поверхности до приемника.

4. На борту приемной позиции при помощи антенны, сориентированной по направлению в верхнюю полусферу и приемника, принимают N сигналов прямого распространения S_1пр...S_Nпр, непосредственно поступающих с N передающих позиций НКА.

(3)

где, определяет изменение фазы сигнала за время прохождения расстояния от передатчика до приемника.

5. Из сигнала прямого распространения выделяют эфемеридную информацию обо всех видимых НКА, в интересах последующей обработки сигналов на этапе формирования радиолокационного изображения МПРЛС.

6. На борту приемной позиции для каждой из соответствующих друг другу N пар прямых и отраженных сигналов записывают N радиолокационных голограмм, соответствующих N различным ракурсам облучения наблюдаемого участка земной поверхности каждым из носителей передатчика.

7. На борту приемной позиции в устройстве одновременно формируют N разноракурсных РЛИ наблюдаемого участка земной поверхности;

8. Производится совместный анализ набора из N разноракурсных РЛИ. Полученные N независимых разноракурсных РЛИ объединяют путем некогерентного усреднения или дешифрируют раздельно.

РЛИ, полученные в результате имитационного моделирования функционирования МПРЛС, представлены на рисунках 2.

Объединение разноракурсных РЛИ, позволяющее повысить достоверность и точность определения координат обнаруженных объектов, показано на рисунке 3.

РЛИ (НКА № 10) РЛИ (НКА № 15) РЛИ (НКА № 16)

Рис. 2 Разноракурсные РЛИ полученные от НКА № 10, 15 и 16

Результирующие РЛИ Опорное изображение

Рис. 3 Результат объединения разноракурсных РЛИ и опорное изображение

Разрешающая способность результирующего РЛИ, сформированного из разноракурсных изображений, позволяет решать задачи обнаружения, но значительно отличается от изображения, полученного активной бортовой РЛС с РСА (опорное изображение) из-за недостаточной разрешающей способности по дальности (более 300м).

Для повышения разрешения РЛИ предлагается формировать изображения в области доплеровских частот с использованием сигналов фильтров доплеровских частот (ФДЧ):

1.На борту приемной позиции синтезируют одновременно N разноракурсных радиолокационных изображений (РЛИ) наблюдаемого участка земной поверхности, сформированных из сигналов фильтров доплеровских частот доплеровских частот (ФДЧ), связанных с направлением прихода отраженных от подстилающей поверхности навигационных и радиальной скоростью сближения НКА и БЛА [5,7].

2.Производят совместный анализ набора из N разноракурсных РЛИ, сформированных в области ФДЧ. Выбирается такие пары из N носителей передатчика, которые обеспечивают наилучшую разрешающую способность в соответствии с минимальным значением геометрического фактора при пересечении изодоп под углами близкими к р/2.

3. Полоса фильтров доплеровских частот выбирается из компромиссных соображений требований линейного разрешения и обеспечения стабильности полета ЛА на интервале накопления сигналов доплеровской частоты.

РЛИ, полученные в области доплеровских частот, полученные в результате имитационного моделирования функционирования МПРЛС на дальности до объекта наблюдения 1500 м для различных параметров ФДЧ, представлены на рисунках 4.

РЛИ с временем накопления 0.1 РЛИ с временем накопления 0.33

с (? F_фдч=10 Гц) с (? F_фдч=3 Гц)

РЛИ с временем накопления 1 с Опорное изображение БРЛС с РСА

(? F_фдч=1 Гц)

Рис. 4 Результат формирования РЛИ в области доплеровских частот и опорное изображение

Предлагаемый способ построения МПРЛС свободен от недостатков прототипа [2] и обеспечивает получение следующих преимуществ:

1. Повышается оперативность МПРЛС за счет одновременного формирования N независимых разноракурсных изображений одного и того же участка земной поверхности на борту одного ЛА - носителя приемной части.

2. Возможность использования непрерывного зондирующего сигнала повышает энергетический потенциал МПРЛС системы и позволяет отказаться от использования на борту носителя приемника крупногабаритных антенных решеток с узкими диаграммами направленности в азимутальной плоскости в составе приемной позиции. Применение слабонаправленных антенн устраняет недостаток, связанный с необходимостью согласованного управления во времени и пространстве диаграммами направленности приемных и передающих антенн.

радиолокационный сигнал фильтр

Выводы

1. На основе анализа доплеровских частот сигналов нескольких радионавигационных спутников и использования временной селекции навигационных сигналов, отраженных от земной поверхности показан способ формирования радиолокационного изображения в области доплеровских частот и обнаружения объектов бортовыми радиотехническими станциями

2. МП РЛС предлагаемой структуры не отрицает одновременного независимого функционирования неограниченного числа носителей приемных позиций (РТС ЛА), работающих в соответствии с едиными принципами и алгоритмами получения РЛИ.

3. Повышается разрешающая способность элементов РЛИ на этапе когерентной обработки в области доплеровских частот

Литература

1. Радиолокационные станции обзора Земли / под. ред. Г.С. Кондратенкова. - М.: Радио и связь, 1983. - 272 с

2. GNSS Remote Theory, Methods and Applications Sensing / Shuanggen Jin, Estel Cardellach,Feiqin Xie - Springer Dordrecht Heidelberg New York London, 2014. - 267 p.

3. Пат. № 2278398 Российская Федерация, МПК G01S 13/90. Способ получения радиолокационного изображения земной поверхности при помощи многопозиционной РЛС с РСА/ Фатеев В.Ф., Сахно И.В.; заявитель и патентообладатель Сахно И.В. - №2004121076/09; заявл. 06.07.04; опубл. 20.06. 2006.

4. Сахно И.В., Ткачев Е.А., Гаврилов Д.А., Успенский К.К. Малый космический аппарат обзора морской поверхности с использованием сигналов спутниковых радионавигационных систем / М.: Известия вузов. Приборостроение, 2009. -, т. 52 № 4. - С. 34-39.

5. Филиппов А.А., Пономарев А.Л., Хлобыстов А.Н. Способ когерентной обработки информации многопозиционной РЛС при обнаружении наземных объектов бортовыми радиотехническими системами // - СПб.: ВКА им. А.Ф. Можайского, Радиолокационное исследование природных сред: сб. труды ХХХ всерос. симп., 18-19 апр. 2017 г. -2017.- Вып. 12, том 2. - С. 19-26.

6. Пономарев А.Л., Хлобыстов А.Н., Бажин, Д.А., Пономарева Э.В. Бортовые пассивные системы наблюдения земной поверхности с использованием сигналов спутниковых радионавигационных систем// СПб.: ВКА им. А.Ф. Можайского Радиолокационное исследование природных сред: сб. труды ХХIХ всерос. симп., 18-19 апр. 2016 г., 2016.- Вып. 11, том 2. - С. 175-182.

7. Филиппов А.А., Сысуев С.Ю., Сазанов И.Н. Анализ функционирования пассивной бортовой радиолокационной станции с подсветом от многопозиционных внешних источников - Воронеж: «Радиолокация, навигация, связь», XXIV международная научно-техническая конференция, 2018, Т.5 с.364-375

Размещено на Allbest.ru