Direction finding by polarization and concealed ballistic launch position detection.pdf 1. Актуальность В настоящее время существует огромное количество публикаций, посвященных описанию методов определения местоположения источников радиоизлучения, что говорит об актуальности проблемы в целом. Как правило, для этого предлагаются различные методы разнесенного приема [1, 2]. Источниками радиоизлучения могут быть как сами первичные излучатели, так и пассивные переизлучатели, например, различные радиолокационные цели - самолеты, танки и т.д. В настоящей работе предлагается в качестве пассивного переизлучателя использовать быстро летящий по баллистической траектории артиллерийский снаряд, а в качестве объекта местоопределения использовать установку, запустившую этот снаряд. Основным источником для решения такой задачи выступают поляризационные измерения радиолокационных сигналов, отраженных от снаряда во время его полета (рис. 1). Использование поляризационных измерений для задач пеленгации уже предлагалось в работах [3-5]. Однако для поляризационного местоопределения баллистического старта задача ставится здесь впервые. Рис. 1. Траектория баллистического снаряда (1) в точку поражения (2) при старте из позиции (3), которая определяется поляризационным пеленгатором (4) 2. Баллистическая обратная задача При баллистическом полете снаряда его положение в пространстве описывается известными еще со времен Ньютона уравнениями равноускоренного движения . Здесь - вектор скорости снаряда в начальный момент времени; - ускорение свободного падения; - вектор положения старта, который необходимо определить (рис. 1). Эти параметры полностью рассчитывают баллистическую траекторию. Измеренными величинами здесь считаются текущие координаты снаряда. Для простоты рассмотрения полагаем, что старт происходит с плоской поверхности земли. Первая обратная задача состоит в определении величин , если положение снаряда хорошо отслеживается. Решение сводится к определению компонент вектора скорости снаряда путем простого дифференцирования координат снаряда в текущий момент времени : Здесь время отсчитывается от момента старта снаряда. Отсюда можно записать, что это время должно удовлетворять уравнению . В результате величина находится как . И тогда для положения точки баллистического старта получаем . Для определения точки поражения необходимо сначала оценить начальную вертикальную скорость снаряда , а затем найти ожидаемое время полного полета . Положение точки поражения тогда находится как . Если точка поражения приходится на защищаемую территорию, то, во-первых, следует уничтожить летящий снаряд и, во-вторых, поразить точку старта для предотвращения последующих выстрелов. Так решается первая обратная задача определения точки баллистического старта и связанные с этим вопросы. Достаточным для ее решения является необходимость отслеживания пространственного положения снаряда. Его можно определять с использованием поляризационного метода. Рассмотрим этот способ. 3. Поляризационная пеленгация и определение положения снаряда Вторая обратная задача, которую необходимо решить, состоит в отслеживании углового положения снаряда относительно радиолокационной станции. Обычно для решения этой задачи используется либо двумерный пространственный разнос приемных антенн, либо остронаправленная большая антенна [1, 2]. То и другое создают определенные трудности по обеспечению скрытности наблюдений. Проблема скрытности передающей антенны легко решается, например путем пространственного разноса передающей и приемной частей локационного комплекса. В настоящей работе для задачи пеленгации вместо пространственного разноса предлагается использовать поляризационный разнос с использованием векторной антенны [6]. Под векторной антенной будем понимать комбинированную антенну, которая в одной точке производит ненаправленный прием всех трех взаимно ортогональных компонент поля. Пример такой антенны, комбинирующей в себе три ортогональных линейных вибратора, показан на рис. 2. Выходным сигналом здесь выступает трехмерный комплексный вектор напряженности электрического поля, каждая компонента которого комбинирует в себе квадратурные составляющие и , снимаемые с плеч вибратора: . Комплексность этого вектора проявляется в случае эллиптически поляризованного радиолокационного сигнала. Эта поляризация является наиболее общей из всех. Важно, что эллипс поляризации лежит всегда в плоскости, ортогональной направлению распространения волны [4]. В нашем случае это направление совпадает с направлением на источник отраженного излучения, т.е. на снаряд. В работе [6] показано, что эта нормаль однозначно определяется через комплексный вектор напряженности электрического поля с помощью векторного произведения Здесь звездочка означает комплексное сопряжение. Единичная нормаль находится путем нормировки . Единичный вещественный вектор дает пеленг на снаряд в каждый текущий момент времени. В работе [6] нами на основе численных экспериментов показано, что азимут () и угол места () источника излучения сосредоточены вблизи средних значений с ошибкой не более ±0.5° при учете шумов примерно до 1% (рис. 3). Метод сохраняет работоспособность и при малых коэффициентах эллиптичности принимаемого излучения примерно до значений ~ 0.01. Рис. 2. Векторная антенна Рис. 3. Азимут и угол места источника излучения с учетом шумов измерений Третья обратная задача, связанная с определением положения баллистического старта, состоит в определении вектора текущего положения снаряда. Для решения этой задачи необходимо использовать, по крайней мере, два поляризационных пеленгатора, разнесенных между собой на некоторое расстояние (рис. 4). Располагая двумя векторными антеннами, можно однозначно определить текущее положение снаряда в любой момент измерений путем решения уравнения . Здесь предполагается, что вектор расстояния между векторными антеннами известен точно. Индексы 1 и 2 соответствуют расстояниям и от двух векторных антенн до снаряда. В результате использования операции векторного произведения к последнему уравнению можно найти расстояние от первого пеленгатора до снаряда . Тогда вектор текущего положения снаряда находится как . Рис. 4. Поляризационное определение текущего положения снаряда Имитационное моделирование полностью подтвердило работоспособность предлагаемого способа решения задачи местоопределения снаряда (1), положения баллистического старта (3) и точки поражения (2) с использованием поляризационных измерений (рис. 5). Рис. 5. Горизонтальная проекция траектории полета снаряда (1) в точку поражения (2) при старте из позиции (3), которая определена поляризационным пеленгатором, расположенным в точке (4) Начальная скорость полета снаряда была задана как 1.8 км/с. Полное время полета до цели - 4.3 мин, а момент пеленгации - 37.5 с, когда угол подъема снаряда над горизонтом был 11.2. Разнос точек поляризационной пеленгации был задан 1.4 м. Оказалось, что погрешность местоопределения при этом не превышает 1 м. Этого вполне достаточно для постановки задачи подавления точки баллистического старта. Заключение В работе продемонстрирована возможность одновременного решения трех взаимосвязанных обратных задач: поляризационной пеленгации летящего баллистического снаряда, определения его траекторных параметров и вычисления координат точки ожидаемого поражения и старта снаряда. Новизной предлагаемого подхода для пеленгации является использование так называемой векторной антенны, позволяющей в точке приема одновременно измерять все три компоненты вектора напряженности электрического поля отраженной снарядом волны. Предполагается, что эта волна имеет эллиптическую поляризацию, а эллипс поляризации излучения строго ортогонален направлению распространения. Одновременное использование двух разнесенных пеленгаторов позволяет однозначно решить задачу местоопределения цели (снаряда). Решение всех трех упомянутых задач в автоматизированном режиме позволит практически мгновенно выдать целеуказания на систему подавления обнаруженной огневой позиции и тем самым защитить охраняемую территорию от дальнейших несанкционированных обстрелов. Важно, что предлагаемая система является пассивной и не создает никакого излучения, способного ее демаскировать. В качестве источника подсвечивающего излучения может использоваться любой излучатель, в том числе региональный телевизионный центр. Рассмотренный подход является новым и может позволить решать многие задачи обеспечения безопасности людей и территорий в условиях локальных войн или в иных критических ситуациях [7-9].

Скачать электронную версию публикации