Радиотехнические методы определения местоположения объектов

Положение объекта в пространстве определяется тремя координатами х_i, i=1,2,3, в той или иной системе координат. Положение объекта на поверхности Земли задается двумя координатами. Методы определения местоположения делятся на следующие группы:

§ обзорно-сравнительные;

§ методы счисления пути;

§ методы позиционных линий.

Обзорно-сравнительные методы основаны на сравнении наблюдаемой карты местности с эталонной, внесенной в память системы. На наблюдаемой карте нанесено положение объекта. Совмещение эталонной карты с наблюдаемой позволяет определить его координаты.

Используемые карты могут иметь различную физическую природу. Это может быть изображение земной поверхности в оптическом или радиолокационном диапазоне, карта звездного неба в оптическом или радиодиапазоне, карта радио­теплового излучения земной поверхности и т.д.

Совмещение карт обычно производится путем нахождения их взаимной кор­реляционной функции. Для двумерных карт

,

где – взаимная корреляционная функция (ВКФ); – наблюдае­мое изображение; – эталонное изображение; х, у – коорди­наты точки на наблюдаемой карте; х₀, у₀ – координаты начала отсчета.

Максимум взаимной корреляционной функции наступает, когда х₀+Dх=х, у₀+Dу=у. Значения Dх, Dу в этой точке соответствуют смещению эталонной карты относительно реальной. Полное совмещение карт фиксируют по максиму­му ВКФ, поэтому метод иногда называют корреляционно-экстремальным.

Обзорно-сравнительный метод используется в навигации.

Метод счисления пути также применяется в навигации. Сущность метода счисления пути заключается в том, что на объекте (корабле, автомобиле, бронетранспортере и т.д.), стартующем из точки с известными координатами х₀, у₀, в каждый момент времени измеряются ускорения а_х(t), a_y(t) либо скорости v_х(t), v_y(t) no каждой из координат. Интегрированием ускорения определяют путевую скорость.

Например:

.

Интегрируя далее скорость, находят перемещение по координате

,

а затем и саму координату x(t) = x₀ + Dx(t).

Приборы для измерения ускорения (акселерометры) основаны на использовании второго закона Ньютона

F = mа,

где m– масса тела; F – приложенная к нему сила; а – ускорение, полученное телом в результате приложения к нему силы F.

Груз массой m помещается в пружинный подвес. Под действием

ускорения груз перемещается, причем перемещение, которое и измеряют, пропорционально ускорению.

Системы, основанные на измерении ускорения, называют инерциальными. Существуют навигационные системы, в которых измеряется не ускорение a(t), а непосредственно скорость v(t). Для этой цели используется эффект Доплера.

Наибольшее распространение в радиолокации и радионавигации получил метод позиционных линий. В основе метода позиционных линий лежит понятие поверхности положения – такой поверхности в пространстве, на которой измеряемая радиотехническая величина постоянна.

Непосредственно радиотехническими методами могут быть измерены расстояние, разность расстояний и направление. Рассмотрим соответствующие поверхности положения.

1. Поверхность равных дальностей, R = const. Очевидно, это сфера. Пересечение сферы с плоскостью (например, с плоскостью Земли) дает линию положения – окружность (рис. 3.50). Ее уравнение в полярных координатах .

2. Поверхность равных пеленгов (направлений), а = const. Если пеленг отсчитывается в горизонтальной плоскости от географического меридиана (направление север-юг – N-S), его называют истинным пеленгом или азимутом. Пересечение плоскостью равных азимутов поверхности земли дает прямую – линию равных пеленгов (рис. 3.51).

3. Поверхность равных разностей расстояний – поверхность, на которой разность расстояний до двух фиксированных точек пространства остается постоянной. В пространстве – это гиперболоид, а на поверхности земли – гипербола. На рис. 3.52 точки А и В – точки с известными координатами, R_А – R_B = R_AB = const – уравнение линии равных разностей расстояний:

R_AB = сDt_AB,

где Dt_AB – разность времени распространения сигнала от точки О до точек А и В.

Принципиально важно, что в этом методе расстояния R_A и R_B не измеряются, а измеряется их разность R_AB.

В радиолокации и радионавигации используются следующие методы местоопределения целей, основанные на применении перечисленных поверхностей положения.

Дальномерный метод. Из трех точек пространства производится определение расстояний до объекта. Пересечение двух поверхностей положения (сфер) дает линию положения. Пересечение этой линии с третьей сферой дает местоположение объекта в пространстве.

На рис. 3.53 изображена интерпретация метода применительно к плоскости. Как видно из рисунка, две линии положения пересекаются в двух точках. Для выявления той из них, которая соответствует истинному положению объекта, надо иметь ориентировочные сведения о нем или использовать третью линию положения. Метод широко используется в навигации: с борта судна определяют расстояния R_A и R_B до точек А и В с известными координатами, затем рассчитывают его местоположение.

Пеленгационный (угломерный) метод, называемый также триангуляционным. Рассмотрим его применительно к плоскости. Из двух точек П₁ и П₂, положение которых на плоскости известно, определяются направления на объект О (рис. 3.54). Затем положение объекта относительно этих точек определяется путем решения треугольника П₁П₂О:

(3.24)

где L – дальномерная база.

Дальность R₁ и пеленг a₁ – координаты объекта в полярной системе координат с центром в точке П₁.

Пеленгационный метод используется в различных вариантах. В одном из них точка О – излучающий объект, координаты которого следует определить. Это делается путем пеленгования его с помощью неизлучающих устройств, расположенных в точках П₁ и П₂ с известными координатами. Для вычисления дальности R пеленг с одного пеленгационного пункта, допустим П₂, передается в другой, например по радиоканалу. Данный способ местоопределения получил распространение в системах радиоэлектронной борьбы.

В радионавигационных системах значения углов a₁ и a₂, измеренные радиопеленгаторами, передаются по радиоканалам на борт объекта О, где и проводятся вычисления.

В другом варианте метода, используемом в радионавигации, в точке О находится потребитель радионавигационной информации с радиоприемным устройством на борту. В точках П₁ и П₂ с известными координатами располагаются передающие радионавигационные устройства.

Бортовое радиоприемное устройство может обладать направленным приемом, то есть способностью пеленгования. Такие устройства называются радиокомпасами. Определяя ими направления на всенаправленные источники излучения П₁ и П₂ (приводные станции), вычисляют затем местоположение объекта навигации. Бортовое радиоприемное устройство может быть всенаправленным. В этом случае в точках П₁ и П₂ устанавливаются пеленговые маяки – радиопередающие устройства, сигналы которых зависят от направления излучения в пределах 0 – 2p по азимуту. Пеленги определяются по принятым сигналам маяков.

Дальномерно-пеленгационный метод. Из одной точки пространства измеряется дальность до объекта R и направление (пеленг) на него (рис. 3.55). Этот метод наиболее часто используется в радиолокации. Дальность R определяется по задержке принятого сигнала относительно излученного:

.

Угловое положение цели в горизонтальной и вертикальной плоскостях: a – азимут, b – угол места (угол возвышения), определяются амплитудным либо фазовым методами.

Разностно-дальномерный (гиперболический) метод. Рассмотрим его применительно к плоскости (рис. 3.56).

Пусть объект наблюдения (точка О) излучает сигналы. Измеряются разности времени прихода этих сигналов Dt_AB, Dt_BC в пространственно разнесенные точки А и В, В и С. По ним вычисляются разности расстояний и строятся линии положения (гиперболы), пересечение которых определяет положение объекта. Для синхронизации работы приемных пунктов А, В и С должны существовать линии связи между ними. Имеют место соотношения:

В данном варианте метод используется в системах радиоэлектронной борьбы, когда надо определить координаты источника излучения противоборствующей стороны.

Разностно-дальномерный метод местоопределения широко используется в радионавигации. В этом варианте в точке О (см. рис. 3.56) расположен потребитель навигационной информации. В точках А, В и С расположены передающие устройства с известными координатами, излучающие синхронные сигналы. В структуре сигналов содержатся элементы, позволяющие определить их принадлежность тому или иному излучателю. Потребитель оборудован радиоприемным устройством, позволяющим одновременно принимать сигналы передающих пунктов и измерять разность времени их приема Dt_AB, Dt_BC. Разность расстояний DR_AB, DR_BC вычисляется по формулам, по разностям расстояний определяется местоположение точки О.