CZ309924B6 - Zařízení pro detekci polohy nekooperujícího objektu a 3D radar zahrnující toto zařízení - Google Patents

Abstract

Zařízení pro detekci polohy nekooperujícího objektu zahrnuje dvě antény (1a, 1b) mající zadní nevyzařující část a protilehlou aktivní část (8a, 8b), která formuje listový vyzařovací diagram (7a, 7b) pro vysílání a příjem vf signálu. Antény jsou upevněné ke svislé hřídeli (5) rotačně uložené na pevné základně (4). Sestava antén (1a, 1b) se otáčí okolo svislé osy (6). Vyzařovací listové diagramy (7a, 7b) formované aktivními částmi (8a, 8b) antén jsou definovány rovinami (23a, 23b) listů, které jsou kolmé na podélné osy (9a, 9b) antén. Rovina (23a) listu první antény (1a) svírá s horizontální rovinou úhel v rozsahu plus 20° až 70° a rovina (23b) listu druhé antény (1b) svírá s horizontální rovinou úhel v rozsahu minus 20° až 70°. Ve výhodném provedení jsou absolutní hodnoty obou úhlů stejné. Obě antény (1a, 1b) jsou provedené jako štěrbinové antény. Vynález zahrnuje 3D přehledový radar a přibližovací radar (PAR), a způsob zpracování radarového signálu.

Description

Zařízení pro detekci polohy nekooperujícího objektu a 3D radar zahrnující toto zařízení

Oblast techniky

Vynález se týká 3D přehledových radarů používaných pro řízení letového provozu, tedy radarů pro zabezpečení přehledu o vzdušné situaci v blízkém okolí letiště s možností řízení přiblížení letadla na přistání. Dále se vynález týká anténního systému používaného v těchto radarech, procesoru pro zpracování tímto zařízením naměřených dat, a způsobu měření a zpracování dat.

Dosavadní stav techniky

Radary slouží ke zvýšení bezpečnosti letového provozu a k usnadnění přistávacího manévru, zejména za snížené viditelnosti. Pro zajištění přehledu o vzdušné situaci v okolí letiště se používají přehledové radary. Starší a dodnes běžné provedení přehledových radarů je 2D dvourozměrové radary, které zaznamenávají šikmou dálku R a azimut Az. Přehledové 2D radary pracují se svisle orientovanou rovinou listového vyzařovacího diagramu antény rovnoměrně se otáčející okolo svislé osy.

Nejmodernější a také nejdražší a velice složité jsou přehledové 3D - třírozměrové radary, které zaznamenávají šikmou dálku R, azimut Az a elevaci El, přičemž nejznámější jsou tyto základní varianty:

- 3D radar, jehož anténa se mechanicky otáčí kolem svislé osy, přičemž vysílá energii v několika nad sebou umístěných úzkých tužkových svazcích pracujících na různých kmitočtech a výška cíle se vyhodnocuje na základě zjištění, kterým anténním svazkem byl cíl zachycen.

- 3D radar, jehož anténa se mechanicky otáčí kolem svislé osy, přičemž je úzký kuželový svazek vychylován elektronicky vertikálně a výška cíle se vyhodnocuje na základě informace o aktuálním zaměření svazku antény v okamžiku zachycení cíle.

- 3D radar, který má anténu mechanicky pevnou a úzký anténní svazek se vychyluje vertikálně i horizontálně. Dokáže měřit jen v určitém relativně úzkém omezeném sektoru, kam je anténa mechanicky namířena. Tyto radary se používají obvykle jako střelecké radary určené pro navádění raket na cíl.

Pro technické prostředky pro řízení letového provozu v okolí letiště platí závazný předpis ICAO Annex 10, bod 3.2, který stanovuje všeobecné požadavky na uvedené systémy, jako velikost skenovaného vzdušného prostoru, rychlost obnovy měřených polohových informací a přesnost měření, avšak nestanovuje způsob skenování zájmového prostoru.

Jednou z nejkritičtějších fází letu je přistání letadla. Pro samotný proces přiblížení letadla na přistání se kromě vizuálního řízení, které je použitelné jen za dobré viditelnosti, používají metody radarové nebo navigační.

Nejjednodušší radarová metoda je metoda SRA, z angl. Surveillance Radar Approach, což znamená přiblížení letadla na přistání jen s pomocí přehledového radaru. Operátor řídící přistání vyhodnocuje polohu letadla na základě značek zobrazovaných na displeji a rádiem předává pilotu pokyny. Tato metoda se používá na malých letištích s nepříliš intenzívním provozem.

Přesný přibližovací radar PAR, z angl. Precision Approach Radar, obsahuje dvě antény s listovými vyzařovacími diagramy zaměřenými tak, aby pokrytý sektor zahrnoval vzletovou/přistávací dráhu a vzdušný prostor přiblížení letadla na přistání: azimutální anténu,

- 1 CZ 309924 B6 která kýve stranově kolem svislé osy a jejíž vyzařovací diagram se nachází ve vertikální rovině, a dále elevační anténu kývající nahoru a dolů okolo vodorovné osy. Azimutální anténa vymezuje sektor přibližně ±15° kolem směru přistání a elevační anténa sektor přibližně -1° až +10° vzhledem k vodorovné rovině ve směru přistání. Operátor řídící přistání vyhodnocuje polohu letadla na základě značek zobrazovaných na displeji rozděleném na dva sektory, azimutální a elevační, a rádiem předává pilotu pokyny pro opravu kurzu a výšky letu.

V civilním letectví se přistání s pomocí systému PAR využívá v současnosti spíše výjimečně. Hlavním důvodem je to, že na velkých mezinárodních letištích je třeba zajistit velmi hustý provoz, což by pomocí individuálního řízení každého přistávajícího letadla hlasovými pokyny rádiem ze země nebylo možné technicky a organizačně zvládnout. Proto jsou na všech velkých letištích nainstalovány systémy ILS, z angl. Instrument Landing System, které poskytují pilotovi automaticky informaci o tom, v jaké poloze se aktuálně jeho letadlo nachází vzhledem k optimální sestupové ose a jaké z toho vyplývající korekce směru letu má vykonat. Pilot se řídí údaji přístrojů a zodpovědnost za bezpečné přistání je plně v jeho kompetenci. Pokud je na takovém letišti nainstalován radar PAR, používá se již jen k monitorování správnosti průběhu přistávacího manévru, případně jako záložní systém. Velkou provozní výhodou systému ILS je to, že komunikace pilota s řídicí věží je během přistávacího manévru omezena na nezbytné minimum, což přispívá k plynulosti a bezpečnosti letového provozu. Systém ILS je však velmi drahý a náročný na instalaci a kalibraci, proto je pro malá letiště nedostupný. Navíc ne všechna letadla jsou povinně vybavena palubním zařízením systému ILS, a tudíž by za snížené viditelnosti nemohla na takovém letišti přistávat.

Armáda potřebuje mít možnost rychlého rozvinutí letiště v polních podmínkách, proto je pro armádu systém ILS nepoužitelný a nevyužívá se ani na stacionárních vojenských letištích v mírových podmínkách. Z tohoto důvodu se v armádě stále využívají systémy PAR, případně GCA, z angl. Ground Control Approach. Komplexní systém GCA zahrnuje přehledový radar SRE, z angl. Surveillance Radar Equipment, který dává přehled o celkové vzdušné situaci v okolí letiště, a je doplněný elevační anténou orientovanou do zvoleného směru pro přistávání letadel (doplnění funkce PAR). Operátor řídící přistání vyhodnocuje polohu letadla na základě značek zobrazovaných na displeji a rádiem předává pilotu pokyny stejně jako v systému PAR.

V současnosti je velmi málo výrobců systémů PAR/GCA, navíc se tyto systémy vyrábějí většinou jen v provedení pro armádu a mají pro potenciální použití v civilním letectví mnoho nadbytečných funkcí, výrazně zvyšujících cenu systému. Vzhledem k této situaci je na trhu nedostatek prostředků typu PAR/GCA pro zabezpečení přistávání letadel, technicky vhodných a cenově dostupných i pro malá letiště, která nyní nemají žádné radiolokační vybavení.

Radar PAR je v podstatě 3D systém pracující v úzkém azimutálním/elevačním sektoru. Skenování zájmového sektoru může být dosaženo různými způsoby. Nejstarší a nejobvyklejší je mechanické skenování dvěma anténami - azimutální a elevační. Výhodou je vysoká dosažitelná přesnost a jednoduchost elektronické části radaru. Naopak mechanická část, zahrnující pohon anténního systému, převod rotačního pohybu elektromotoru na synchronizovaný kývavý pohyb dvou antén, neustálé uvádění hmoty antény do pohybu a následné brzdění a pohyb zpět, je konstrukčně a výrobně náročná, provozně energeticky nevýhodná a obsahuje množství přesných mechanických dílů, které podléhají mechanickému opotřebení a musejí se během životnosti zařízení vyměňovat.

Systémy PAR s elektronickým skenováním jsou sice mechanicky jednodušší, avšak kvůli složité elektronické části celkově velmi drahé, což je rovněž prakticky vylučuje z možností použití jiného než vojenského.

Zvláštním a komerčně nevyužívaným systémem, s výjimkou použití jako pomocný monitorovací prostředek, je systém PAR na principu multilaterace. Jeho zásadní nevýhodou je, že pracuje pouze s tzv. kooperujícími cíli, tj. letadly, která mají funkční odpovídač sekundárního radaru,

- 2 CZ 309924 B6 nedokáže tedy zaznamenat všechny objekty, které se objeví v jeho dosahu, a navíc má velice nepřesné měření výšky letu, kde chyba může činit až desítky metrů. Pokud se někde využívá, pak jen jako pomocný monitorovací systém.

Pro měření elevace (výšky) cílů lze také využít systém se dvěma anténami, pevně namontovanými na společné svislé hřídeli, přičemž obě jsou orientovány přibližně stejným směrem. Listový svazek jedné antény je orientovaný ve svislé rovině a listový svazek druhé antény je vůči této rovině skloněný o 45°, přičemž se v horní části tyto svazky dotýkají, takže kolmý příčný řez tvoří obrácené písmeno „V“. Tento anténní systém, nazývaný V-beam, se otáčí pravidelně rovnoměrnou rychlostí. Cíl je nejprve zachycen první anténou, čímž je určen jeho azimut a dálka, a vzápětí druhou anténou, přičemž vzájemné přiřazení dat je realizováno porovnáním hodnot změřené dálky oběma anténami. Z úhlu pootočení anténního systému mezi dvěma detekcemi téhož cíle ozářeného postupně dvěma anténami lze spočítat výšku (elevaci) cíle. Popsaný systém byl patentován a experimentálně vyzkoušen, není však známo jeho praktické využívání.

Všechny zde zmiňované systémy radarů určujících polohu cíle, 2D nebo 3D, jsou tzv. impulsní radary, které vysílají krátké impulsy vysokofrekvenční elektromagnetické energie a určují dálku cíle na základě měření doby, která uplynula od vyslání impulsu do okamžiku příjmu podstatně slabšího impulsu odraženého od předmětu, který byl elektromagnetickou energií ozářen. Úhlová poloha cíle se zjišťuje u stávajících řešení různými metodami.

Kromě základních prvků, jako je anténa, vysílač a přijímač, je každý impulsní radar vybaven tzv. signálovým procesorem, jehož úkolem je zpracovat přijímané signály do výsledné podoby digitálních dat, tj. zpráv obsahujících příznak o existenci cíle a jeho souřadnice - šikmou dálku a směrový úhel. Následuje stručný přehled signálového zpracování v impulsních radarech. Typické hodnoty základních parametrů systému PAR lze vzít jako orientační hodnoty nutné pro správné pochopení funkce systému. Délka vysílaného impulsu u radaru PAR bývá přibližně 300 nanosekund, opakovací kmitočet vysílání bývá v rozmezí 300 až 600 mikrosekund, obvyklá doba celého cyklu kyvu dvou antén je přibližně 2 sekundy. Tyto hodnoty jsou u různých radarů samozřejmě odlišné, nikoliv však podstatně.

Doba mezi dvěma vyslanými impulsy se nazývá odběh (z angl. „sweep“) a vymezuje maximálně použitelnou vzdálenost detekovaných cílů od radaru. Dálka cíle se určí z doby, která uplyne mezi vysláním impulsu a příjmem impulsu odraženého od cíle stejnou anténou, která byla použita pro vysílání. Přepínání antény mezi výstupem vysílače a vstupem přijímače zajišťuje speciální přepínač funkce vysílání/příjem. Po vyslání impulsu vysílačem se anténa prostřednictvím přepínače vysílání/příjem připojí na vstup přijímače. Přijímač obsahuje kmitočtové filtry odstraňující nežádoucí kmitočty a citlivé zesilovače, které zesílí slabý přijatý signál, odražený od cíle, na úroveň vhodnou pro další zpracování. Na výstupu přijímače se nachází detektor, který převádí signál z mezifrekvenčního zesilovače na videosignál.

Videosignál se přivádí do signálového procesoru. Na vstupu signálového procesoru je umístěn analogově/číslicový převodník, který převádí napětí signálu na digitální čísla. Typická délka intervalu vzorkování a převodu napětí na čísla je přibližně polovina délky vysílaného impulsu, např. 150 nanosekund. S takto získanými číselnými daty se provádějí poměrně složité operace, jejichž účelem je vyčlenit přijaté impulsy (užitečný signál) ze směsi šumu, nežádoucích odrazů od pozemních předmětů a meteoútvarů, což jsou např. oblaka, déšť, sníh, kroupy, a potlačit rušení cizími signály, které pronikly do přijímače. K tomu slouží jednotlivé specializované části signálového procesoru vykonávající definované funkce jako:

- MTD, z ang. Moving Target Detector, který na základě vyhodnocení Dopplerova posuvu kmitočtu dokáže rozdělit přijaté signály podle jejich radiální rychlosti vzhledem k radaru a potlačit tak odrazy od pozemních předmětů nebo meteoútvarů pohybujících se jinou rychlostí než letadlo;

- 3 CZ 309924 B6

- CFAR, z angl. Constant False Alarm Rate, který dokáže udržovat konstantní poměr signál/šum a zlepšit tak podmínky pro detekci slabých signálů;

- SWD, z angl. Sliding Window Detector, který provádí rozhodnutí o existenci cíle na příslušné dálce a úhlovém směru na základě vyhodnocení signálů nacházejících se na přibližně stejné dálce v několika sousedních odbězích;

- Extraktor dat, obvod vyhodnocující metodou automatického rozpoznávání obrazů na základě tvaru detekovaného cíle polohu jeho středu, tj. těžiště, stanovení souřadnic těžiště a na základě všech takto zjištěných údajů sestavující výstupní zprávu o cíli, která obsahuje příznak existence cíle, čas zjištění cíle a jeho souřadnice. Tyto zprávy o cíli se také nazývají „značka cíle“, anglicky „plot“.

Pro porozumění práci radarového signálového procesoru je podstatné uvědomit si, že tento procesor vykonává velmi specializované činnosti - zpracovává korelačním způsobem v reálném čase velmi vysokou rychlostí velká množství dat. Současné signálové procesory jsou z těchto důvodů řešeny jako speciálně zkonstruované obvody. Signálový procesor snižuje o několik řádů objem toku dat tak, aby další zpracování v radarovém datovém procesoru již mohlo být realizováno běžnou výpočetní technikou SW algoritmy.

Vzhledem k systémovým parametrům radaru - opakovacímu kmitočtu vysílání neboli trvání radarového odběhu, době otáčky antény, šířce anténního diagramu, ve kterém zde se rozumí užší rozměr, typicky 1°, lze považovat letadlo za tzv. „bodový cíl“, který je postupně, jak se anténa otáčí, ozářen několika, typicky 10 až 15 impulsy. Na výstupu radarového signálového procesoru se poté objeví digitální zpráva o tom, že byl zachycen cíl. Parametry cíle, obsažené ve zprávě jsou šikmá dálka cíle, zjištěná vyhodnocením změřených dálek jednotlivých přijatých impulsů, patřících k tomuto konkrétnímu cíli a úhel, zjištěný vyhodnocením změřených úhlů jednotlivých přijatých impulsů, patřících k tomuto konkrétnímu cíli. Tuto poslední funkci signálového procesoru, tj. sestavení zprávy o existenci cíle s parametry cíle - šikmá dálka, úhel, někdy ještě doplněné přesným časem zjištění cíle, případně dalšími příznaky dle požadavků systému pro další zpracování dat, vykonává tzv. „extraktor dat“ a jeho výstupní informace - značka cíle se nazývá „plot“. Podstatné je to, že značka „plot“ každého cíle se vyskytne na výstupu signálového procesoru jednou za otáčku antény, tím tedy dochází ke snížení rychlosti toku dat o několik řádů v porovnání se vstupem - proto zde již hovoříme důsledně o „datech“, nikoliv „signálech“. Po předání dat, tj. zprávy o cíli, do radarového datového procesoru se příslušné místo v paměti extraktoru dat uvolní pro další použití.

Důležitá je skutečnost, že podobně jako vysílač nebo přijímač je celý zde popsaný „signálový procesor“ i přes svoji složitost v současnosti běžnou součástí každého impulsního radaru a není tedy třeba se jím zde podrobněji zabývat. Značky cílů, „plots“, se již mohou přímo zobrazovat na obrazovce radarové situace, ale obvykle se ještě provádí další filtrace - zpracování „radarovým datovým procesorem“ RDP, z angl. Radar Data Processor.

Radarový datový procesor přijímá data z výstupu radarového signálového procesoru (extraktoru dat) a provádí jejich korelaci po jednotlivých otáčkách antény. Data vstupující do radarového datového procesoru z výstupu radarového signálového procesoru jsou podrobena filtraci, vyhlazení trajektorie, kterým se korigují statistické chyby měření, v případě výpadku dat v jednotlivém případě se provádí jejich doplnění na základě predikce polohy cíle atd. Výsledkem jsou vyhlazené trajektorie cílů vhodné pro zobrazení na radarové obrazovce letového dispečera. Z hlediska časové bilance dochází k obnově dat v radaru PAR každou sekundu, přičemž je třeba v paměti radarového datového procesoru držet veškerá data po dobu minimálně 10 i více sekund.

Zjednodušeně lze konstatovat, že realizace 3D radaru je značně složitá úloha. Dosavadní známá řešení využívají komplikovanou vstupní část systému - mechanicky náročný anténní systém (u

- 4 CZ 309924 B6 klasického radaru PAR) nebo velmi složitou anténu s elektronicky vychylovaným svazkem. Cílem vynálezu je navrhnout řešení, kde je vstupní část radaru, tj. anténní systém, relativně jednoduchá, a tudíž výrobně levnější a složitost úlohy zjištění 3D polohy cíle se přesunuje do finálního zpracování v radarovém datovém procesoru.

Podstata vynálezu

Cílem vynálezu je poskytnout ekonomicky dostupné zařízení pro detekci polohy nekooperujícího objektu s dostatečně vysokou přesností měření polohy cílového objektu.

Výše uvedené nedostatky stavu techniky do jisté míry odstraňuje zařízení pro detekci polohy nekooperujícího objektu dle vynálezu zahrnující dvě antény stejného konstrukčního provedení, rozměrů i elektrických parametrů, mající na jedné straně zadní nevyzařující část a na protilehlé straně aktivní část, která formuje listový vyzařovací diagram antény vysokofrekvenčního signálu, tyto antény jsou připevněny svými zadními nevyzařujícími částmi ke svislé hřídeli rotačně uložené na pevné základně, kde se tato sestava dvou antén se otáčí konstantní rychlostí v započatém směru otáčení okolo rotační osy kde vyzařovací listové diagramy vystupující z aktivních částí antén jsou definovány rovinami listů, které jsou kolmé na roviny aktivních částí antén a zároveň kolmé na podélné osy antén, kde roviny listů jsou orientovány tak, že rovina listu první antény svírá s rovinou určenou rotační osou a kolmou na rovinu aktivní části antény první orientovaný úhel γ v rozsahu plus 20° až plus 70° a rovina listu druhé antény svírá s rovinou určenou rotační osou a kolmou na rovinu aktivní části antény druhý orientovaný úhel η v rozsahu minus 20° až minus 70°.

Zařízení dle vynálezu slouží k měření polohy libovolného, a tedy i nekooperujícího cíle v 3D soustavě, který se dostane do sledovaného prostoru v dosahu zařízení a jehož efektivní odrazná plocha poskytuje dostatečně silný odražený signálu pro zachycení přijímačem a zpracováním signálovým a následně radarovým datovým procesorem, na jehož výstupu zaznamenanými parametry jsou azimut, elevace a šikmá dálka cíle. Obě antény tvoří integrální součást jednoho systému. Výhodné tedy je, že se antény připevněné k jediné hřídeli otáčejí konstantní rychlostí v započatém směru, a tak není třeba hmotu antén stále opakovaně uvádět do pohybu a brzdit, jako v případě klasického systému PAR s mechanicky se pohybujícími kývajícími anténami. Navíc tím, že jsou dvě totožné antény připojeny mechanicky k jedné hřídeli a umístěny zadními částmi k sobě, je celá soustava dynamicky vyvážená podle svislé osy, což poskytuje optimální podmínky pro rovnoměrné otáčení konstantní rychlostí s minimálními nároky na spotřebovanou energii a minimální opotřebení mechanicky pohyblivých částí.

Ačkoliv zařízení využívá rotaci pouze kolem svislé rotační osy, nikoliv okolo horizontální osy, systém dle vynálezu lze použít k získání hodnot jak azimutu, tak elevace z dat naměřených ze dvou antén rotujících okolo svislé rotační osy hřídele, na rozdíl od mechanicky vychylovaných systémů ze stavu techniky, které pro zjištění elevace mechanicky vychylují listový vyzařovací diagram antény otáčením okolo vodorovné rotační osy hřídele. Systém dle vynálezu je vysoce přesný, jeho přesnost je srovnatelná s používanými klasickými systémy PAR a pro zamýšlený účel (řízení přibližovacího manévru letadla na přistání) vyhovující.

Zařízení dle vynálezu je mnohem přesnější, pokud je dodržen rozsah prvního a druhého úhlu η a γ odlišný od 0° a plus/minus 90°, což je nezbytné pro provedení vynálezu. Například je přibližně dvakrát přesnější, než kdyby jeden z diagramů zůstal svislý, tj. druhý úhel η by byl nula, a tedy neměřil elevaci vůbec a druhý diagram by byl naklopen šikmo, například první úhel γ by byl 45°. Naklopení obou diagramů mimo vodorovné a svislé roviny přináší významně přesnější data v elevaci, což je nejvyšší výhoda tohoto vynálezu. Jedinou výhodou systému, kde je jeden anténní diagram svislý a druhý šikmo skloněný je to, že systém se svislým anténním diagramem poskytuje jako každý 2D radar přímo kompletní radarová 2D data, která lze přímo zobrazovat

- 5 CZ 309924 B6 bez dalších výpočetních úprav. To mělo svůj velký význam v minulosti, kdy nebyla k dispozici dostatečně výkonná výpočetní technika pro zpracování signálů, a kdy se přijímané signály po detekci přímo zobrazovaly na analogové obrazovce letového dispečera. V současnosti již takový požadavek není relevantní. V minulosti používaný systém měření elevace (výšky letu) s jedním anténním diagramem ve skloněné a druhým ve svislé rovině (systém V-Beam) byl nezbytnou podmínkou pro realizaci takového typu radaru s tehdy dostupnými technickými prostředky, důsledkem však byla snížená přesnost měření výšky. Ve výsledku se takové systémy kvůli nízké dosažitelné přesnosti v praxi neujaly a byly nahrazeny jinými systémy.

Vůči známému řešení s jedním anténním diagramem svislým a druhým šikmým přináší vynález ještě jednu systémovou výhodu. V známém řešení, nazývaném systém V-beam, jsou obě antény zaměřeny stejným směrem. To znamená, že pro požadovanou rychlost obnovy zobrazovaných dat je třeba použít dvojnásobně vysokou rychlost otáčení anténního systému v porovnání s navrhovaným řešením, kde antény jsou rozmístěny s odstupem 180° a k obnově zobrazovaných dat dochází 2x za otáčku. Systémový důsledek je ten, že nižší rychlost otáčení, kromě mechanické výhodnosti, poskytuje vyšší počet impulsů odražených od cíle a tím lepší podmínky pro detekci.

Další výhodou řešení dle vynálezu v porovnání s klasickými systémy PAR (s mechanickým i elektronickým skenováním) jsou menší prostorové nároky a celkově menší hmotnost při stejných systémových parametrech, čímž je také usnadněna transportovatelnost zařízení.

Zařízení dle vynálezu je zejména v každém ohledu podstatně technicky jednodušší a méně energeticky náročné než známá používaná řešení. Při srovnání s klasickým systémem PAR, který má mechanicky se pohybující antény kývavým pohybem, je navrhované řešení srovnatelně složité z hlediska elektronických obvodů radaru, avšak podstatně jednodušší z hlediska konstrukční mechanické náročnosti anténního systému.

Při srovnání s přehledovým 3D radarem s elektronickým vychylováním anténního diagramu je složitost mechanického řešení rotačního pohonu antény u navrhovaného řešení přibližně stejná, avšak elektronická část radaru včetně antény je u navrhovaného řešení podstatně jednodušší. Takto lze konstatovat, že navrhované řešení využívá individuální výhody každého z obou známých řešení (mechanický PAR a 3D radar), není však zatíženo jejich konkrétními nedostatky. Zařízení dle vynálezu současně má potenciál plně vyhovovat požadavkům předpisu ICAO Annex 10.

Při zachování ostatních konstrukčních, technologických a provozních podmínek vede nižší mechanická i elektrická složitost zařízení přirozeně k nižší pořizovací ceně, nižším provozním a servisním nákladům, vyšší spolehlivosti a delší životnosti zařízení. Zařízení by mělo být cenově dostupné a ekonomicky výhodné i pro menší letiště, pro která v současnosti není žádná dostupná radarová technika.

Ve výhodném provedení zařízení pro detekci polohy nekooperujícího objektu dle vynálezu je absolutní hodnota prvního úhlu γ rovna absolutní hodnotě druhého úhlu η. Stejné velikosti obou úhlů naklopení listových diagramů znamenají symetrické vychýlení antén, což vede k jednodušší mechanické konstrukci, usnadní výpočty při zpracování dat a zejména vykazuje přesnější a celkově lepší výsledky.

Nejpřesnější výsledky v měření polohy cíle poskytuje klasický systém PAR se dvěma anténami s kývavým pohybem okolo svislé a vodorovné osy, nebo zařízení pracující s elektronickým vychylováním vyzařovacího diagramu antény. Systém s mechanickým kývavým pohybem antén však vyžaduje složité mechanické časově koordinované ovládání obou antén. Jelikož základním požadavkem navrhovaného řešení je pouze jednoduchý rotační pohyb celého anténního systému, je třeba použít antény vyzařující šikmé zkřížení svazky ve směru pozorovatele. Teoretické snížení přesnosti navrhovaného systému vůči systému se dvěma mechanicky kývajícími anténami

- 6 CZ 309924 B6 lze vyjádřit koeficientem 1,4 při použití stejných antén v obou systémech. Dle provedené analýzy je zde popisované uspořádání teoreticky přibližně 2x přesnější než alternativní známé nesymetrické řešení s jedním anténním svazkem svislým a druhým šikmým (V-beam) při použití antén o stejných elektrických parametrech.

Pokud se zaměříme pouze na potenciálně nejlepší přesnost měření obou úhlů, azimutu i elevace, u navrhovaného systémového řešení, nejpřesnější výsledky poskytuje konfigurace, kdy oba anténní diagramy svírají z hlediska pozorovatele pravý úhel, to znamená sklon roviny každého anténního diagramu 45° vůči svislé ose otáčení.

Při praktické realizaci je vhodné respektovat i další systémové požadavky, jako je výškové krytí a maximální dosah systému. Při daných základních parametrech radaru (vysílaný výkon, citlivost přijímače, tvar anténního diagramu a s ním související zisk antény) je vždy nutno optimalizovat celkovou výkonnost systému hledáním kompromisního řešení. Je zřejmé, že při menším naklonění antény (zmenšení hodnot úhlů γ, η) se zlepší výškové krytí radaru a tuto skutečnost je v některých případech užitečné zohlednit při realizaci konkrétního radaru. Zavedeme-li parametr „koeficient výkonnosti systému“, kterým se zohlední vliv náklonu anténního systému (hodnoty úhlů γ, η) na výškové krytí, vycházejí přijatelné hodnoty úhlů γ = η v rozmezí 22° až 50° s nejlepší hodnotou přibližně 37°.

Při dalším vysvětlování funkce systému se však budeme nadále držet hodnot 45° neboť tento úhel je nejvhodnější pro porozumění vynálezu.

V principu jsou možná různá konstrukční uspořádání antén, avšak nejvýhodnější je takové rozložení, kdy antény jsou rozloženy okolo hřídele po 180° a připevněny zadními částmi k sobě tak, že mezi nimi prochází osa hřídele. Toto uspořádání je nejvýhodnější z několika hledisek: nejmenší prostorové nároky celé sestavy, nejdokonalejší dynamické vyvážení, což je výhodné při rotaci anténního systému poměrně vysokou rychlostí (předpokládaná rychlost 30 otáček za minutu), a vede k nižšímu zatížení a s tím souvisejícímu nejmenšímu opotřebování mechanicky pohyblivých dílů, a menším energetickým nárokům na pohon. Jinými slovy: je tedy výhodné, pokud antény zařízení pro detekci polohy nekooperujícího objektu dle vynálezu jsou konstrukčně i rozměrově stejné a jsou připevněny zadními částmi ke hřídeli tak, že hřídel prochází mezi nimi a že jejich aktivní části jsou orientovány opačnými směry od rotační osy ve vzájemném odstupu 180° tak, aby se jejich vyzařovací listové diagramy nacházely ve stejné rovině a vysílaly signály v opačných směrech. Použití jiného úhlu než 180° by nepřineslo žádnou výhodu, pouze nevýhody.

Pro provedení vynálezu jsou kromě klasických reflektorových antén vhodné štěrbinové antény, z angl. Slotted Waveguide Antenna, tj. antény pracující na principu vlnovodu se štěrbinami. Štěrbinová anténa je konstrukčně velmi jednoduchá, tudíž je výrobně levná a poskytuje vhodné parametry pro daný účel. Štěrbinová anténa má velmi zjednodušeně tvar dlouhého úzkého hranolu (vlnovodu), přičemž aktivní částí antény je stěna vlnovodu ve tvaru dlouhého úzkého obdélníku, ve které jsou zhotoveny štěrbinové otvory, které fungují jako vyzařovací dipóly. Tato obdélníková stěna vlnovodu určuje rovinu aktivní části antény. Vyzařovací diagram štěrbinové antény má tvar listu neboli vějíře, který leží v rovině kolmé na rovinu aktivní části antény a současně kolmé na podélnou osu aktivní části antény (vlnovodu). Alternativně lze ale použít jakýkoliv jiný vhodný typ antény s listovým vyzařovacím diagramem, z angl. Fan Beam, například reflektorovou, která je však konstrukčně složitější a dražší, a proto méně výhodná.

Dalším předmětem vynálezu je kombinovaný radarový datový procesor, který zpracovává výstupní data získávaná ze signálového procesoru, konkrétně buď ze dvou vlastních signálových procesorů, nebo z jediného signálového procesoru, jak je naznačeno v alternativních provedeních výše. Po předběžném zpracování přicházejících dat ve dvou oddělených kanálech nastává sloučení těchto dvou samostatných a nezávislých toků dat příslušejících k témuž cíli do jednoho společného toku dat, přičemž kombinovaný radarový datový procesor je dále uzpůsobený pro

- 7 CZ 309924 B6 následné provádění výpočtu 3D souřadnic polohy takto detekovaného cíle, kde tyto souřadnice představují hodnoty šikmé dálky, azimutu a elevace.

Radarový datový procesor obecně je softwarová aplikace pracující s daty přicházejícími ze signálového procesoru. Podobně jako signálový procesor je i radarový datový procesor běžnou součástí každého radaru této kategorie. Jeho úkolem je zpracovat data přicházející ze signálového procesoru do podoby vhodné pro uživatelské zobrazení na displeji letového dispečera. Základními funkcemi radarového datového procesoru jsou sestavení sledu souvisejících značek téhož cíle, jak jsou přijímány ze signálového procesoru v rytmu otáčení (skenování) antény, doplnění nahodilých výpadků značek cíle na základě vypočítané predikce polohy cíle, celkové vyhlazení zobrazované trajektorie cíle a řízení zobrazovací jednotky. V případě připojení dalších zdrojů radarových dat do systému pak ještě správné přiřazení těchto dat k existujícímu cíli a jejich sloučení do souhrnné datové zprávy o cíli. Časový pracovní cyklus radarového datového procesoru je určen periodou opakovaného ozařování cíle anténou čili dobou otáčky antény (skenu). V dalším textu budeme pro zjednodušení místo názvu radarový datový procesor již převážně používat zkratku RDP.

Kromě těchto běžných funkcí RDP musí tento procesor v případě navrhovaného řešení vykonávat ještě další funkce, a to sjednocení toků dat (značek cílů) přicházejících ze dvou samostatných kanálů zpracování do jednoho souhrnného toku dat a dále ze změřených hodnot dálky a úhlu sestavení 3D polohových souřadnic cíle. Proto je zde RDP kvůli odlišení nazýván „kombinovaný radarový datový procesor“, neboť jeho dalším a podstatným úkolem je na základě příbuzných znaků zkombinovat dva nezávislé, avšak související toky dat do jediného a vytvořit tak sled 3D poloh cíle pro zobrazení na displeji uživatele (letového dispečera). To je zcela nová funkce, která u známých RDP nebyla dosud požadována.

V případě použití zjednodušeného systému v provedení s jedním signálovým procesorem zůstává kombinovaný RDP beze změny s tím rozdílem, že má pouze jeden vstup, na který jsou postupně přiváděna data (zprávy o cílech) ze zpracovaných signálů zachycených střídavě jednou a druhou anténou. Proces zpracování přijímaných dat zůstává nezměněn. Organizování správného zařazení dat na vstupu kombinovaného RDP do dvou samostatných kanálů zpracování zajišťuje, kromě dalších obvyklých funkcí, řídicí jednotka.

Dalším předmětem vynálezu je přehledový 3D radar, který jednak zahrnuje výše popsané zařízení pro detekci polohy nekooperujícího objektu dle vynálezu, kombinovaný RDP dle tohoto vynálezu, displej připojený na tento kombinovaný RDP, a řídicí jednotku.

Zařízení pro detekci polohy nekooperujícího objektu popsané výše je využito k sestavení 3D radaru, který kromě již popsaných částí dále obsahuje řídicí jednotku a displej. Radar má všechny výhody stejné jako zařízení popsané výše. Tím, že se antény namontované společně na hřídel zády k sobě otáčejí rovnoměrnou rychlostí, je zajištěno trvalé celokruhové skenování vzdušného prostoru postupně dvěma anténními svazky. Každý z vysílačů vysílá na jiném kmitočtu, proto mohou oba kanály pracovat současně bez vzájemného rušení. Tímto způsobem lze vytvořit plnohodnotný 3D radar vhodný pro monitorování a řízení vzdušného prostoru v blízké zóně letiště. Provoz radaru, jako například jeho časování, lokální i dálkové ovládání (RCMS = Remote Control and Monitoring System) jsou řízeny připojenou řídicí jednotkou, která je propojena se všemi částmi radaru.

Z popisu funkce 3D radaru je zřejmé, že se v podstatě jedná o dva totožné 2D radary, s anténami umístěnými na společné hřídeli určitým definovaným způsobem, pracující v navzájem synchronizovaném režimu, jejichž výstupní data se dále zpracovávají kombinovaným RDP.

Zjednodušená verze 3D radaru v provedení s jedním signálovým procesorem přináší několik významných uživatelských předností v porovnání se známými systémy PAR (s mechanickým kýváním antén i elektronickým skenováním):

- 8 CZ 309924 B6

Navrhovaný 3D radar ve zjednodušené verzi je schopen pracovat ve velmi širokém úhlovém sektoru (teoreticky téměř 180°, omezení je dáno jen schopností anténního přepínače dostatečně rychle přepínat antény - tato činnost vyžaduje dva sektory nečinnosti s rozestupem 180° v průběhu jedné otáčky, z nichž každý je při rychlosti otáčení 30 ot./min. přibližně 30° široký. V každém případě lze navrhovaným systémem zajistit pokrytí v azimutu i elevaci výrazně přesahující požadavky normy ICAO Annex 10, které jsou 30° v azimutu a 7° v elevaci;

3D radar umožňuje velmi snadno a velmi rychle provádět změny zaměření pracovního sektoru do žádaného směru (pouze zadáním/výběrem příslušného směrového úhlu) a souvisejícím nastavením ovládání anténního přepínače bez nutnosti zdlouhavé mechanické manipulace s anténním systémem, spojené s kontrolou správného a přesného nastavení požadovaného směru a stabilizací anténního systému v nové poloze.

Předmětem vynálezu je také způsob zpracování signálu a získání radarových dat zařízení pro detekci polohy nekooperujícího objektu nebo 3D radarem dle vynálezu za využití výše popsaného kombinovaného RDP, který zahrnuje následující kroky:

a) vyslání a následný příjem signálu dvěma anténami a zpracování signálu signálovým/i procesorem/procesory,

b) zpracování naměřených dat do formy třírozměrné informace o poloze cíle,

c) zobrazení polohy cíle prostřednictvím vypočítaných hodnot azimutu, elevace a šikmé dálky na displeji uživateli, kde v kroku a) se detekovanému cíli přiřazuje v okamžiku jeho ozáření první anténou hodnota změřené šikmé dálky a úhlu α, který svírá rovina určená rotační osou a kolmá na rovinu aktivní části první antény a v okamžiku jeho ozáření druhou anténou hodnota změřené šikmé dálky a úhlu β, který svírá rovina určená rotační osou a kolmá na rovinu aktivní části druhé antény a tyto hodnoty jsou v signálovém procesoru/procesorech použity k sestavení zpráv o detekovaných cílech zachycených příslušnými anténami a následně předávány kombinovanému RDP k dalšímu zpracování takto získaných dat v kroku b), jenž zahrnuje:

i. ve dvou samostatných stejných datových kanálech zpracování datových zpráv přicházejících souběžně na dva vstupy kombinovaného RDP ze dvou samostatných signálových kanálů nebo přicházejících střídavě na jeden vstup kombinovaného datového procesoru z jednoho signálového kanálu postupně zpracovávajícího data ze signálů přijímaných střídavě dvěma anténami, ii. v každém datovém kanálu kombinovaného RDP sestavení dvou samostatných trajektorií cílů z přicházejících datových zpráv, obsahujících šikmou dálku a úhel α nebo šikmou dálku a úhel β, iii. v každém datovém kanálu kombinovaného RDP samostatně výpočet predikce polohy cíle, doplnění nahodile chybějící značky cíle a vyhlazení trajektorie cíle a, iv. na základě vyhodnocení společných charakteristik trajektorií cílů zpracovávaných samostatně dvěma kanály kombinovaného RDP rozhodnutí o jejich sjednocení do jediné společné trajektorie

v. výpočet polohy cíle v 3D souřadnicích šikmé dálky, azimutu a elevace.

- 9 CZ 309924 B6

Objasnění výkresů

Podstata vynálezu je dále objasněna na příkladech jeho uskutečnění, které jsou popsány s využitím připojených výkresů, kde na:

obr. 1 je schematicky znázorněno zařízení pro detekci polohy nekooperujícího objektu dle vynálezu s anténami 1a, 1b montovanými zadními částmi k sobě;

obr. 2 je schematicky naznačena základní geometrie antény;

obr. 3 je schematicky znázorněno zařízení pro detekci polohy nekooperujícího objektu dle vynálezu s anténami 1a, 1b zády k sobě s úhlem naklonění γ = +45°, η = -45°, s naznačeným vyzařovacím diagramem, pohled na zařízení zpředu;

obr. 4 je schematicky znázorněno zařízení pro detekci polohy nekooperujícího objektu dle vynálezu s anténami 1a, 1b zády k sobě s úhlem naklonění γ = +45°, η = -45°, s naznačeným vyzařovacím diagramem, pohled na zařízení zezadu;

obr. 5 je schematicky znázorněno zařízení pro detekci polohy nekooperujícího objektu dle vynálezu s anténami 1a, 1b zády k sobě s úhlem naklonění γ = +45°, η = -45°, s naznačeným vyzařovacím diagramem, boční pohled na zařízení zleva;

obr. 6 je schematicky znázorněno zařízení pro detekci polohy nekooperujícího objektu dle vynálezu s anténami 1a, 1b zády k sobě s úhlem naklonění γ = +45°, η = -45°, s naznačeným vyzařovacím diagramem, pohled na zařízení shora;

obr. 7 je blokové schéma zapojení 3D radaru dle vynálezu v konfiguraci s přehledovým celokruhovým pokrytím;

obr. 8 je blokové schéma zapojení zjednodušeného 3D radaru dle vynálezu v konfiguraci s pokrytím ve vymezeném úhlovém sektoru;

obr. 9 je graficky znázorněno zachycení polohy letadla letícího nad horizontální rovinou, procházející středem antény a systém výpočtu úhlových souřadnic;

obr. 10 je graficky znázorněno zachycení polohy letadla letícího pod horizontální rovinou, procházející středem antény a systém výpočtu úhlových souřadnic;

obr. 11 znázorňuje příklad letu letadla směřujícího od radaru po přímé trajektorii s konstantním elevačním úhlem;

obr. 12 znázorňuje proces zpracování dat kombinovaným radarovým datovým procesorem a výsledné polohy cíle, pohybujícího se vzhledem k radaru dle situace na obrázku 11.

Příklady uskutečnění vynálezu

Vynález bude dále objasněn na příkladech uskutečnění s odkazem na příslušné výkresy. Jedním příkladem uskutečnění je zařízení pro detekci polohy nekooperujícího objektu znázorněné na obr. 1 až 6.

Na obr. 1 je schematicky při pohledu zepředu znázorněno zařízení pro detekci polohy nekooperujícího objektu dle vynálezu s anténami 1a, 1b umístěnými zadními částmi k sobě s

- 10 CZ 309924 B6 nespecifikovanými úhly naklonění γ, η, vyznačeným referenčním směrem a směrem otáčení anténního systému.

Na obr. 2 je schematicky naznačena základní geometrie antény. Úhly η a γ jsou měřeny v rovině 21 aktivní části antény od průsečnice 22 této roviny s rovinou 20 určenou rotační osou 6 a kolmou na rovinu 21 aktivní části antény směrem k průsečnici 24 roviny 23 listu antény s rovinou 21 aktivní části antény.

Uspořádání antén je schematicky detailněji znázorněno na obrázcích obr. 3, 4, 5 a 6 a blíže popsáno v dalším textu. Směr vyzařování antén je na obrázcích pro větší názornost vyznačen symbolem letícího šípu.

Zařízení dle vynálezu zahrnuje dvě antény 1, 1a, 1b, každou připojenou na svůj vlastní vysílač 2, 2a, 2b a přijímač 3, 3a, 3b signálu, ve kterém jsou antény 1a, 1b připevněny zadními částmi k sobě a tato sestava antén se otáčí kolem rotační osy 6 svislé rotační hřídele 5, upevněné k pevné základně 4, kde antény 1a, 1b, vyzařují elektromagnetickou energii listovým vyzařovacím diagramem 7, 7a, 7b, definovaným rovinou listu 23a, 23b, a aktuální poloha aktivní části 8a, 8b antény 1a, 1b je vztažena vůči nulové poloze dané stanoveným pevným směrem 10, přičemž roviny listů jsou orientovány tak, že rovina 23a listu první antény 1a svírá se svislou rovinou 20a určenou rotační osou 6 a kolmou na rovinu 21a aktivní části antény orientovaný úhel γ, a rovina 23b listu druhé antény 1b svírá se svislou rovinou 20b určenou rotační osou 6 a kolmou na rovinu 21b aktivní části antény orientovaný úhel η, přičemž úhly η, γ mají stejnou a neměnnou absolutní hodnotu.

V dalším popisu již budeme uvádět pouze hodnotu jediného úhlu γ (totožnou s hodnotou úhlu η), vhodně vybranou s přihlédnutím k ostatním systémovým požadavkům, v rozmezí 20° až 70°.

Zařízení je postavené na základně 4, která se nachází ve vodorovné rovině a osa 6 rotace je na tuto rovinu kolmá. Použity jsou dvě stejné štěrbinové antény 1a, 1b připevněné ke svislé hřídeli 5 zadními částmi tak, že hřídel 5 prochází mezi nimi a jejich aktivní části 8a, 8b j sou orientovány opačnými směry od rotační osy 6 ve vzájemném odstupu 180° tak, aby jejich vyzařovací listové diagramy 7a, 7b se nacházely ve stejné rovině 23 a vysílaly signály v opačných směrech. Celá sestava se otáčí kontinuálně kolem osy rotace 6 směrem 11 ve smyslu otáčení hodinových ručiček.

Pro realizaci jsou vhodné dvě totožné štěrbinové antény 1a, 1b, jaké jsou používané v lodních radarech. Typické základní parametry takovéto antény použité v zařízení jsou následující:

- Šířka svazku anténního diagramu v rovině listu: 25°;

- Šířka svazku anténního diagramu v rovině kolmé na rovinu listu: 1°;

- Mechanická délka antény 255 cm;

- Zisk antény 30 dB.

Z hlediska maximálně dosažitelné přesnosti měření úhlových souřadnic cíle je nejlepší úhel sklonu anténních vyzařovacích diagramů 45°, přičemž přijatelné rozmezí úhlů je přibližně 20° až 70°.

Při realizaci přehledového radaru je dalším důležitým systémovým parametrem výškové pokrytí vzdušného prostoru anténním systémem. Při zvětšování úhlu náklonu anténních vyzařovacích diagramů se výškové krytí, tj. maximální elevační úhel, daný šířkou listu anténního diagramu snižuje podle pravidla kosinové funkce čili pro úhel 45° nastává snížení z původních 25° na 17,5°. Pro dosažení většího pokrytí ve výšce je nutno použít menší úhel sklonu anténních vyzařovacích diagramů. Při optimalizaci systémových parametrů, která zahrnuje zajištění vysoké přesnosti měření úhlů s přihlédnutím k dostatečně velkému výškovému pokrytí, se interval vhodných úhlů sklonu anténních vyzařovacích diagramů posune k nižším hodnotám a zúží na

- 11 CZ 309924 B6 rozsah přibližně 23° až 50°, přičemž nejlepší kompromisní hodnota je přibližně 37° (cos 37° = 0,8). Maximální hodnota pokrytí v elevaci při použití antény s šířkou svazku anténního diagramu 25° a při hodnotě úhlu γ = η = 37° činí 20° při současném teoretickém zhoršení přesnosti měření úhlů α, β o 6,5 % vůči optimální hodnotě při γ = 45°, což je přijatelný kompromis.

Základní systémové části radaru (vysílač, přijímač, celá mikrovlnná trasa včetně přepínače vysílání/příjem, signálový procesor) se nijak podstatně neliší od těchto částí ve známých impulsních radarech podobného určení, proto není třeba se jimi podrobněji zabývat a zde jsou zmíněny jen pro úplnost popisu systémového řešení.

Vhodné kmitočtové pásmo pro tento typ radaru (určeného pro monitorování blízkého okolí letiště a řízení manévru přiblížení letadel na přistání) je pásmo X (přibližně 9.1 GHz až 10 GHz). Požadovaná četnost obnovy zobrazované informace na displeji letového dispečera je 1x za sekundu. Jelikož vysílání a příjem dat probíhá současně ve dvou protilehlých směrech, postačí použít rychlost otáčení antény 30 ot./min. Požadovanému přístrojovému dosahu 40 km odpovídá opakovací perioda vysílání přibližně 300 μs. Tato hodnota opakovací periody při šířce anténního diagramu 1° a rychlosti otáčení antény 30 ot/min poskytne přibližně 15 impulsů odražených od cíle uvnitř šířky anténního diagramu, což je dostatečně vysoký počet pro zajištění spolehlivé detekce signálu.

Signálový procesor 12 pracuje obvyklým způsobem, jak bylo popsáno výše, následuje kombinovaný radarový datový procesor 13. Jak již bylo uvedeno, v popisovaném řešení dle vynálezu jsou na RDP kromě výkonu běžných funkcí také kladeny zcela nové nároky. V popisovaném řešení je použit kombinovaný RDP nového typu. Známé RDP provádějí korelační zpracování dat (značek cílů) přicházejících ze signálového procesoru s periodou obnovy rovné jedné otáčce antény přehledového radaru, nebo jednoho skenovacího cyklu v případě radaru PAR. Tato přicházející data (sledy datových zpráv cílů) jsou na základě analýzy jejich vlastností sdružována do tzv. treků, filtrována a dále zpracovávána do podoby finálních dat, která již slouží jako údaje pro zobrazení cílů na displeji letového dispečera.

Pro potřeby popisovaného systémového řešení je navržen kombinovaný RDP 13, který kromě popsaných funkcí provádí navíc ještě další, nové a ve známých systémech nepožadované činnosti. Jsou to zejména:

a) Nejprve v každém ze dvou kanálů kombinovaného RDP 13 probíhá nezávislé zpracování samostatných toků dat, přicházejících ze signálových procesorů 12a, 12b, podobně jako v běžném RDP. Výsledkem tohoto zpracování dat jsou samostatné treky cílů v každém ze dvou kanálů zpracování RDP.

b) Následuje prohledávání v reálném čase dvou rozsáhlých souborů dat, obsažených v těchto dvou kanálech zpracování RDP a vyhledání dat s příbuznými charakteristikami (poloha, směr pohybu, změny směru, rychlost a zrychlení pohybu...);

c) Sjednocení párů dat ze dvou kanálů na základě zvolených kritérií a sestavení jednoho 3D treku cíle;

d) V posledním kroku se provede výpočet souřadnic cíle. Vzhledem k tomu, že měření úhlové polohy anténního systému v radaru se provádí jedním optickým snímačem napojeným na hřídel anténního systému pro obě antény současně, je třeba zavést opravný koeficient 180° pro údaje úhlového snímače vztažené k anténě 1b. Čtení úhlového snímače má okamžitou hodnotu ψ, přičemž pro hodnoty úhlů α, β platí vtahy: α = ψ, β = ψ - 180°. Při totožných absolutních hodnotách úhlů η, γ se vzorce pro výpočet azimutu a elevace zjednoduší následovně:

- 12 CZ 309924 B6

Az = ς * (ff + β) výpočet hodnoty azimutu:

EI = I * (α — β) * C výpočet hodnoty elevace: ² kde a je směrový úhel antény la v okamžiku ozáření cíle;

kde β je směrový úhel antény 1b v okamžiku ozáření cíle;

kde koeficient C = |cotg η| = |cotg γ| při podmínce |γ| = |η|.

Kdyby sklon antén byl 45°, hodnota koeficientu C = cotg (45°) = 1 by se ve vzorci pro výpočet elevace neuplatnila. Při hodnotě úhlu γ = 37° je třeba použít koeficient C = cotg (37°) = 1,327.

Jelikož se jedná o náročné úlohy prováděné s velmi rozsáhlými soubory dat vysokou rychlostí, přičemž je vyžadována vysoká přesnost a spolehlivost výsledků, je třeba zvolit vhodný způsob zpracování těchto dat. Optimální způsob zpracování dat je součástí řešení kombinovaného radarového datového procesoru.

Jednotlivé komponenty zařízení pro detekci polohy nekooperujícího objektu dle vynálezu mohou být v jednom z výhodných provedení zapojeny následovně. Každá z antén la, 1b je připojena k vlastnímu signálovému kanálu 14a. 14b uzpůsobenému pro práci ve stejném kmitočtovém pásmu, avšak na odlišném kmitočtu, kde každý vlastní signálový kanál obsahuje:

přepínač 16a. 16b signálu pro zajištění přepínání funkce vysílání signálu vysílačem 2a. 2b a příjem signálu přijímačem 3a, 3b připojený na vlastní vysílač 2a, 2b signálu a odděleně připojený na vlastní přijímač 3a, 3b signálu, kde každý vlastní přijímač 3a, 3b ie pak připojen na vlastní signálový procesor 12a. 12b pro zpracování přijímaného signálu na výstupní data prostřednictvím funkcí:

• provádění detekce užitečného signálu na pozadí šumu, • potlačení nežádoucích rušivých signálů a nežádoucích odrazů od pozemních předmětů, mraků, dešťových a sněhových srážek, • rozhodnutí o existenci detekovaného cíle, • a v kladném případě sestavení datové zprávy obsahující informace o změřených hodnotách šikmé dálky a úhlu detekovaného cíle.

V každém signálovém kanálu probíhá samostatné a nezávislé generování vysílaných signálů a zpracování přijímaných signálů, přičemž každý signálový kanál je připojen na svoji anténu a pracuje na vlastním kmitočtu, což umožňuje současnou práci obou vysílačů a přijímačů bez vzájemného rušení. Přepínač vysílání/příjem 16a. 16b zajišťuje možnost využití stejné antény pro vysílání signálu a následující příjem odražených signálů. Zpracování přijímaných signálu probíhá v signálovém procesoru 12a. 12b. Signálový procesor je běžnou součástí každého radaru této kategorie, proto není třeba se jím zde podrobně zabývat.

-13 CZ 309924 B6

V průběhu celého zpracování signálu signálovým procesorem je informace o poloze cíle nesena časovým průběhem signálu. Posledním stupněm zpracování signálu v signálovém procesoru je tzv. extrakce dat, což je proces převodu digitálního signálu v reálném čase na datovou zprávu obsahující příznak existence cíle, čas detekce cíle a jeho dvě změřené souřadnice - šikmou dálku a úhel). Od tohoto okamžiku není nositelem informace o poloze cíle časový průběh signálu, ale datová zpráva, se kterou lze pracovat v počítači běžným způsobem stejně jako s libovolnými daty. Časový pracovní cyklus signálového procesoru je vymezen dobou ozáření cíle anténou v rámci šířky anténního diagramu. Poté se jeho paměť automaticky uvolňuje pro zpracování dalších cílů.

V některých případech není nutné sledovat vzdušný prostor celokruhově, jak bylo popsáno výše v případě přehledového 3D radaru. Radary PAR pracují pouze v úzkém úhlovém sektoru (typicky 30° v azimutu, 15° v elevaci). Radar dle navrhovaného řešení lze realizovat také ve zjednodušené konfiguraci typu PAR. Principiální schéma zapojení takového systému je znázorněno na obr. 8. V tomto případě postačí jeden vysílač, jeden přijímač a jeden signálový procesor. Navíc je třeba doplnit anténní přepínač, který bude signálový kanál postupně střídavě připojovat k anténám tak, aby obě antény postupně střídavě ozařovaly vždy požadovaný úhlový sektor. Řízení přepínání antén k signálovému kanálu zajišťuje, kromě dalších obvyklých funkcí, řídicí jednotka.

V alternativním provedení znázorněném na obr. 8 je tedy znázorněna druhá varianta využití vynálezu, a to v radaru typu PAR (Precision Approach Radar), který je realizován jako zjednodušená varianta výše popsaného 3D radaru. V tomto provedení mohou být jednotlivé komponenty zařízení pro detekci polohy nekooperujícího objektu dle vynálezu zapojeny následovně. Každá z antén 1a, 1b je připojena na anténní přepínač 18 dále připojený k signálovému kanálu 14, který obsahuje:

- přepínač 16 signálu pro zajištění přepínání funkce vysílání signálu vysílačem 2 a příjem signálu přijímačem 3 připojený na

- vysílač 2 signálu

- a odděleně připojený na přijímač 3 signálu, který je dále připojen na

- signálový procesor 12 pro zpracování přijímaného signálu na výstupní data prostřednictvím funkcí:

• provádění detekce užitečného signálu na pozadí šumu, • potlačení nežádoucích rušivých signálů a nežádoucích odrazů od pozemních předmětů, mraků, dešťových a sněhových srážek, • rozhodnutí o existenci detekovaného cíle, • a v kladném případě sestavení datové zprávy obsahující informace o změřených hodnotách šikmé dálky a úhlu detekovaného cíle, přičemž anténní přepínač 18 je uzpůsobený pro zajištění střídavého připojování první antény 1a a druhé antény 1b k přepínači funkce vysílání/příjem 16 a tím dále k vysílači 2 a přijímači 3, a to pro připojení první antény 1a v úhlovém sektoru určeném volitelnými, ale pevně nastavenými úhly 0, ζ vzhledem k nulové poloze, kde absolutní hodnota rozdílu úhlů 9 - ζ se nachází v rozsahu 30° až 150° a po pootočení hřídele 5 pro připojení druhé antény 1b ve stejném úhlovém sektoru určeném úhly 9, ζ.

- 14 CZ 309924 B6

V systému PAR je tedy použit pouze jeden vysílač 2, jeden přijímač 3 a jeden signálový procesor 12. Navíc je nutno použít anténní přepínač 18, který postupně připojuje antény 1a, 1b k signálovému kanálu 14 střídavě po půl otáčce anténního systému. Činnost kombinovaného datového procesoru 13, provádějícího finální zpracování dat, je totožná jako v případě 3D radaru s tím rozdílem, že na jeho jediný vstup jsou přiváděna data získaná ze signálů přijímaných postupně střídavě s periodou půl otáčky anténami 1a, 1b. Časově správné přepínání antén i zařazování toků dat do dvou kanálů zpracování v kombinovaném RDP, stejně jako v předcházejícím případě přehledového radaru, je ovládáno řídicí jednotkou 17.

Radar typu PAR může dle požadavků ICAO pracovat v relativně úzkém azimutálním i elevačním sektoru, konkrétně je požadovaná šířka sektoru 30° v azimutu a 7° v elevaci. Ve zde popisovaném konkrétním případě je zvolen azimutální sektor široký 90°, který lze během provozu libovolně podle potřeby přemisťovat. Použitý anténní systém se sklonem 45°, zajišťující pokrytí v elevaci 17,5° poskytuje dostatečnou rezervu a již není třeba měnit sklon antén. S použitou hodnotou 45° lze dosáhnout teoreticky nejvyšší přesnost a současně nejjednodušší zpracování při výpočtech souřadnic (koeficient C = 1).

Získání a zpracování signálu a radarových dat zařízení pro detekci polohy nekooperujícího objektu nebo 3D radarem dle vynálezu za využití výše popsaného kombinovaného datového procesoru probíhá, jak je naznačeno výše, následujícím způsobem, který zahrnuje následující kroky:

a) vyslání a následný příjem signálu dvěma anténami 1a, 1b a zpracování signálu signálovým/i procesorem/procesory,

b) zpracování naměřených dat do formy třírozměrné informace o poloze cíle,

c) zobrazení polohy cíle prostřednictvím vypočítaných hodnot azimutu, elevace a šikmé dálky na displeji 15 uživateli, kde v kroku a) se detekovanému cíli přiřazuje v okamžiku jeho ozáření první anténou 1a hodnota změřené šikmé dálky a úhlu α, který svírá rovina určená rotační osou 6 a kolmá na rovinu aktivní části první antény 1a a v okamžiku jeho ozáření druhou anténou 1b hodnota změřené šikmé dálky a úhlu β, který svírá rovina určená rotační osou 6 a kolmá na rovinu 21b aktivní části druhé antény 1b a tyto hodnoty jsou v signálovém procesoru/procesorech použity k sestavení zpráv o detekovaných cílech zachycených příslušnými anténami 1a, 1b a následně předávány kombinovanému RDP 13 k dalšímu zpracování takto získaných dat v kroku b), jenž zahrnuje:

i. ve dvou samostatných stejných datových kanálech zpracování datových zpráv přicházejících souběžně na dva vstupy kombinovaného RDP ze dvou samostatných signálových kanálů 14a, 14b nebo přicházejících střídavě na jeden vstup kombinovaného RDP z jednoho signálového kanálu 14 postupně zpracovávajícího data ze signálů přijímaných střídavě dvěma anténami 1a, 1b, ii. v každém datovém kanálu sestavení dvou samostatných 2D trajektorií cílů z přicházejících datových zpráv, obsahujících šikmou dálku a úhel α nebo šikmou dálku a úhel β, iii. v každém datovém kanálu kombinovaného RDP samostatně výpočet predikce polohy cíle, doplnění nahodile chybějící značky cíle a vyhlazení trajektorie cíle a, iv. na základě vyhodnocení společných charakteristik trajektorií cílů zpracovávaných samostatně dvěma datovými kanály kombinovaného RDP rozhodnutí o jejich sjednocení do jediné společné trajektorie,

- 15 CZ 309924 B6

v. výpočet polohy cíle v 3D souřadnicích šikmé dálky, azimutu a elevace.

Tím, že je cíl střídavě ozařován dvěma anténami, přičemž každá anténa a tím i její vyzařovací listový diagram má jiný sklon vzhledem k ose otáčení, a tedy i k horizontální rovině, procházející středem anténního systému, vznikají jako výsledek procesu příjmu a zpracování signálů odražených od téhož cíle v každé otáčce anténního systému dvě samostatné a nezávislé značky téhož cíle. Pokud se cíl nachází v horizontální rovině 29, procházející středem anténního systému, bude při ozáření cíle každou anténou změřen totožný směrový úhel α, resp. β a v ideálním případě budou značky cíle z obou kanálů obsahovat téměř totožné údaje (je třeba uvažovat změnu polohy cíle za dobu poloviny otáčky anténního systému, v našem konkrétním případě za 1 sekundu a nahodilé chyby měření). Při výskytu cíle nad (obr. 9) nebo pod (obr. 10) horizontální rovinou 29 budou hodnoty směrového úhlu α, resp. β změřeného při ozáření cíle každou z antén odlišné.

Právě tato vlastnost systému je použita pro výpočet elevace cíle, jak je znázorněno na obr. 9, 10. Data na výstupu extraktoru (značky cílů) se obnovují s periodou otáčení antény a jsou předávána do kombinovaného RDP. Příslušná část paměti extraktoru se okamžitě po předání dat uvolní, aby bylo možno zpracovávat další přicházející data.

Výhodně se v kroku ii. kombinovaným RDP provede sestavení předběžných trajektorií cílů odděleně pro dva samostatné toky dat, a následně se tyto samostatné toky dat sloučí do jediné výsledné 3D trajektorie.

Kombinovaný RDP tak nejprve pracuje s daty přicházejícími z každého signálového kanálu 14a, 14b samostatně, v podstatě zde běží současně dva stejné programy zpracování dat (značek cílů), přičemž každý ze dvou datových kanálů kombinovaného RDP zpracovává data z příslušného signálového kanálu 12a, 12b. Na základě informací obsažených ve zprávách o cíli (souřadnice dálka a úhel, přesný čas zjištění cíle), které vstupují do kombinovaného RDP s periodou otáčení antény, kombinovaný radarový datový procesor vyhodnocuje polohy značek cílů, vyhledává vzájemné souvislosti a sestavuje z nich sledy - treky, (z anglického slova „track“, mezi českými odborníky se běžně používá počeštěný výraz „trek“), které se dále upravují optimalizačními filtry.

Až potud probíhá dle výše uvedeného popisu činnost RDP obvyklým způsobem běžným v každém radaru, jehož výstupem jsou zprávy o cílech ve standardním datovém formátu (ASTERIX). Co je v rámci vynálezu nové, je potřeba analyzovat soubory dat obsažených ve dvou kanálech zpracování kombinovaného RDP a vyhledat souvislosti mezi treky, které se v těchto souborech dat vyskytují. Vyhodnocení probíhá na základě zjištěné podobnosti charakteristik treků (změny polohy značek, rychlost pohybu, zrychlení, případně další). Vzhledem k velkému objemu dat a nutnosti velmi rychlého zpracování (všechna data se obnovují každou sekundu) je třeba zvolit vhodný způsob třídění a vyhodnocování dat. Podaří-li se nalézt s dostatečně vysokou pravděpodobností dostatečný počet shodných charakteristik mezi dvěma soubory dat nacházejícími se ve dvou kanálech zpracování kombinovaného RDP, tento deklaruje příslušnost obou souborů dat k témuž cíli a provede jejich sjednocení.

Teprve po provedení korelace těchto dvou záznamových řad dat, tzv. treků, pokud je zjištěno, že mají určité shodné charakteristiky dálky, směru pohybu, rychlosti pohybu, zrychlení apod. je možné deklarovat, že jde o dva různé pohledy na tentýž cílový objekt, data sjednotit a spočítat reálné 3D souřadnice objektu.

Toto jsou zcela nové požadavky na práci RDP, související s podstatnou vlastností vynálezu, proto se tento nově vyvinutý radarový datový procesor nazývá kombinovaný RDP nebo kombinovaný tracker (v angličtině lze použít stručný a výstižný název „twin tracker“).

- 16 CZ 309924 B6

Způsob práce kombinovaného RDP ilustruje obrázek 12. S ním souvisí obrázek 11, naznačující pohyb letadla 19 vůči radaru, konkrétně v tomto příkladu let radiálním směrem 28 od radaru, kde přímá trajektorie letu svírá s vodorovnou rovinou konstantní úhel 26. Popsané situaci odpovídá schematické zobrazení aktuální konfigurace anténních diagramů při ozáření cíle dle obrázku 9.

Obrázek 12 schematicky (velmi zjednodušeně) naznačuje displej radaru typu PAR. Ten je typicky rozdělen na dvě základní části - horní, nazývanou „Sektor zobrazení elevace“ a dolní, nazývanou „Sektor zobrazení azimutu“. Při pohybu letadla směrem 28 od radaru po trajektorii s konstantním azimutem 25 a elevací 26, takovou rychlostí, že při otáčení antény konstantní rychlostí se letadlo vždy přemístí za dobu půl otáčky antény o určitou vzdálenost 31 ve směru od radaru, budou z každého signálového kanálu 14a, 14b střídavě s periodou jedné otáčky antény postupně přicházet značky cílů vždy, když příslušná anténa bude zaměřena směrem k letadlu.

Extraktory dat, které jsou součástí signálových procesorů 12a, 12b vydávají postupně s periodou otáčení antény sledy značek cílů (plots), kdy ze signálového procesoru 12a vycházejí data cílů s dálkou v každé otáčce vždy zvětšenou o dvojnásobek hodnoty 31 a s konstantním směrovým úhlem 37, který má hodnotu α a ze signálového procesoru 12b vycházejí data cílů s dálkou v každé otáčce vždy zvětšenou o dvojnásobek hodnoty 31 a s konstantním směrovým úhlem 36, který má hodnotu β. Přitom skutečný azimut cíle 25 má hodnotu (α+β)/2, což v tomto okamžiku není ještě známo.

Pro založení treku je zapotřebí přijmout několik značek cíle (nejméně 3 až 4), které mají některé společné charakteristiky, což představuje obvykle minimálně 3 až 4 otáčky antény. Značky cílů (vstupní data) nejsou v obrázku 12 kvůli přehlednosti zakresleny. V sektoru zobrazení azimutu jsou treky vytvořené ze značek cílů přicházejících z jednoho signálového kanálu znázorněny jako čtverečky, a treky vytvořené ze značek cílů přicházejících z druhého signálového kanálu jsou znázorněny jako kosočtverce.

Data (značky cílů) přicházející ze signálového kanálu 14a vytvářejí trek s posloupností pozic treku 321, 322, 323, 324 atd. a s konstantním směrovým úhlem 36. Obdobně data (značky cílů) přicházející ze signálového kanálu 14b vytvářejí trek s posloupností pozic treku 331, 332, 333, 334 atd. a s konstantním směrovým úhlem 37. Po založení a stabilizaci obou treků lze provádět porovnávání a vyhodnocování jejich charakteristik. Pokud je deklarována příslušnost obou treků k témuž cíli, lze je sloučit do jednoho reálného treku a provést výpočty azimutu a elevace cíle.

Výsledné hodnoty azimutu jsou znázorněny kroužky, které se zobrazují v azimutálním sektoru. Například na základě porovnání charakteristik treku určeného pozicemi 321 a 322 z jednoho kanálu zpracování s trekem určeným pozicemi 331, 332 z druhého kanálu zpracování lze v ideálním případě definovat reálnou pozici cíle 341 (a provést tak založení reálného treku). Jak přicházejí nová data specifikovaná pozicemi 323, 324 v jednom kanálu souběžně pozicemi 333, 334 ve druhém kanálu zpracování dat, vytvářejí se nové, již reálné, pozice cíle označované postupně jako 342, 343, 344, 345, atd. Data v jednotlivých kanálech zpracování RDP se obnovují s periodou otáčky anténního systému, avšak výsledné reálné treky se aktualizují s dvojnásobnou rychlostí. V praxi mohou v důsledku snížené kvality signálu nastat výpadky dat na výstupech extraktorů nebo může být přesnost měření ovlivněna, a tudíž může být spolehlivé založení treku složitější, to znamená může vyžadovat větší počet otáček antény. Po správném založení treku již je situace snazší a případné chyby ve vstupních datech lze poměrně snadno korigovat již známými způsoby.

Výsledné hodnoty elevace cíle jsou znázorněny trojúhelníky, které se zobrazují v elevačním sektoru. Výpočet poloh reálného treku v elevaci - postupně 351, 352, 353, 354, 355 atd. probíhá současně s výpočtem poloh v azimutu. Způsob výpočtu hodnot azimutu a elevace je popsán dále.

Přicházející značky cílů ani s nimi související značky treků 321, 322, 323, 324 a 331, 332, 333, 334 se na displeji uživatele nezobrazují, zde jsou zakresleny jen pro porozumění funkce systému.

- 17 CZ 309924 B6

Vzhledem k tomu, že k obnově dat dochází v každém kanálu střídavě vždy po jedné otáčce antény, nastává po inicializaci výsledného treku jeho aktualizace pravidelně 2x za otáčku, což při rychlosti otáčení antény 30 ot/min dává periodu aktualizace zobrazení 1 sekunda, v souladu s požadavky ICAO, Annex 10. Zde je vhodné připomenout, že technicky nic nebrání tomu, rychlost otáčení anténního systému v případě potřeby zvýšit.

V konkrétním provedení mohou být v kroku b), jak je popsán výše, po vyhodnocení dat získaných ze signálů přijímaných dvěma anténami a po jejich sloučení do výsledné trajektorie cíle vypočítávány opakovaně a postupně s periodou půl otáčky antény hodnoty azimutu Az a elevačního úhlu El cíle s použitím vzorců pro výpočet hodnoty azimutu a — B a — 8 — fí _|_ — ££

1+ t£í|y| * cot^hjl 1+ cot^lyl * ϊ^ΙηΙ hodnoty elevace

El = ícr - β) * ____^cotfl|J?l____= (_a-fíV* ____^cots^____ ^P 1+ t^lfl * rozliji ^P 1+cotfllyl *

Vzhledem k použitému systému detekce cíle pomocí dvou opačně naklopených rovin vyzařovacích diagramů úhlová hodnota žádné z těchto změřených pozic až na výjimky neodpovídá skutečnosti a pro zjištění skutečné pozice cíle je třeba změřené hodnoty přepočítat pomocí algoritmu implementovaného do kombinovaného RDP, který je nutné v souvislosti s tímto novým principem měření vyvinout.

Základní výpočet azimutu Az a elevace El je zřejmý z obrázků 9, 10. Na obrázku 9 je znázorněno letadlo 19 nacházející se nad úrovní vodorovné roviny 29, procházející středem anténního systému. Obrázek znázorňuje situaci, kdy je letadlo 19 postupně ozářené dvěma anténními svazky v odstupu přibližně půl otáčky (180°), přesná hodnota záleží na aktuální výšce letadla vzhledem k vodorovné rovině 29. Obdobná situace je znázorněna na obrázku 10, kde se letadlo nachází pod úrovní vodorovné roviny 29.

Az = Ý (α + βί hodnoty azimutu:

El = ί * (oc - β) * C, hodnoty elevace:

kde koeficient C = |cotg η| = |cotg γ| při podmínce |η| = |γ|.

Koeficient C se použije pro opravu elevačního úhlu v případě, že hodnoty úhlů γ = η jsou odlišné od 45°. Pokud by úhel sklonu antén γ = η měl hodnotu 45°, protínaly by se roviny 23a, 23b vyzařovacích diagramů 7 a, 7b antén pod pravým úhlem a koeficient C = cotg (45°) = 1.

Kombinovaný RDP zpracovává velké objemy dat v reálném čase. Zde se jedná o zcela nový požadavek, vyplývající ze systému dvou nezávislých kanálů a zkřížených anténních diagramů. Celková efektivnost procesu závisí na optimalizovaném způsobu zpracování dat, který je základním předpokladem pro dosažení požadovaných výsledků - správného vyhodnocení a spolehlivého sjednocení dat přicházejících ze signálových kanálů a následného přesného stanovení polohových souřadnic cíle.

-18 CZ 309924 B6

Největší výhodou zde popsaného systému 3D radaru (první příklad využití) je konstrukční i obvodová jednoduchost a z toho vyplývající nižší pořizovací a provozní náklady v porovnání se známými řešeními. Navíc zde popsaný 3D radar může současně se zajištěním celokruhového přehledu vzdušné situace vykonávat funkci PAR (řízení přistání letadel) z libovolného směru, bez jakýchkoliv dodatečných požadavků na změnu pracovního režimu, což známé 3D radary kvůli odlišnému způsobu skenování vzdušného prostoru obvykle neumožňují.

Výhoda zde popsaného systému PAR (druhý příklad využití) spočívá v konstrukční i obvodové jednoduchosti v porovnání se známými řešeními. Mechanismus ovládání kývavého pohybu dvou antén je technicky složitý, náročný na výrobu i zajištění provozu. Předložené řešení navíc přináší ještě výhodu velmi snadného a velmi rychlého (prakticky okamžitého, neboť se provádí pouhým výběrem směru přistání z menu na obrazovce letového dispečera) přizpůsobení provozním požadavkům na změnu směru přistání, což u klasických systémů PAR, které vyžadují mechanické přetočení antén do jiného směru a následnou stabilizaci polohy, může trvat minutu i déle.

Nové navrhované řešení je v porovnání se známými řešeními složitější pouze ve fázi finálního zpracování dat v kombinovaném RDP. To však není v současné době, kdy je běžně k dispozici cenově dostupná a dostatečně výkonná výpočetní technika, vážný problém.

Průmyslová využitelnost

Výše popsaný vynález by mohl sloužit k náhradě konvenčních systémů radarů typů PAR nebo GCA/SRA. Užitečný by mohl být zejména na malých tzv. regionálních letištích, kde je vítáno zvýšení bezpečnosti letového provozu za přijatelnou cenu. O tento výrobek očekáváme zájem zejména v zemích s rozsáhlými neobydlenými oblastmi a málo rozvinutou infrastrukturou, kde bývá místní letiště, většinou nedostatečně technicky vybavené, prakticky jednou z mála možností spojení s okolním světem.

Claims (11)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Zařízení pro detekci polohy nekooperujícího objektu zahrnující dvě antény (1a, 1b) mající na jedné straně zadní nevyzařující část a na protilehlé straně aktivní část (8a, 8b), která formuje listový vyzařovací diagram (7a, 7b) antény pro vysílání a příjem vysokofrekvenčního signálu, tyto antény jsou připevněny svými zadními nevyzařujícími částmi ke svislé hřídeli (5) rotačně uložené na pevné základně (4), kde se tato sestava dvou antén (1a, 1b) otáčí konstantní rychlostí v započatém směru (11) otáčení okolo rotační osy (6), kde vyzařovací listové diagramy (7a, 7b) formované aktivními částmi (8a, 8b) antén jsou definovány rovinami (23a, 23b) listů, které jsou kolmé na roviny (21a, 21b) aktivních částí antén a zároveň kolmé na podélné osy (9a, 9b) antén, vyznačující se tím, že roviny listů (23a, 23b) jsou orientovány tak, že rovina (23a) listu první antény (1a) svírá s rovinou (20a) určenou rotační osou (6) a kolmou na rovinu (21a) aktivní části antény první orientovaný úhel γ v rozsahu plus 20° až plus 70° a rovina (23b) listu druhé antény (1b) svírá s rovinou (20b) určenou rotační osou (6) a kolmou na rovinu (21b) aktivní části antény druhý orientovaný úhel η v rozsahu minus 20° až minus 70°.
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že absolutní hodnota prvního orientovaného úhlu γ je rovna absolutní hodnotě druhého orientovaného úhlu η.
3. 3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že antény (1a, 1b) jsou stejného konstrukčního provedení, rozměrů i elektrických parametrů a jsou umístěny ve vzájemném odstupu 180° tak, že jejich vyzařovací listové diagramy (7a, 7b) se nacházejí ve stejné rovině (23) a vysílají signály v opačných směrech.
4. 4. Zařízení podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že antény (1a,1b) jsou štěrbinové.
5. 5. Zařízení podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že každá z antén (1a,1b) je připojena k vlastnímu signálovému kanálu (14a, 14b) uzpůsobenému pro práci ve stejném kmitočtovém pásmu avšak na odlišném kmitočtu, kde každý vlastní signálový kanál obsahuje:

   - přepínač (16a, 16b) signálu pro zajištění přepínání funkce vysílání signálu vysílačem (2a, 2b) a příjem signálu přijímačem (3a, 3b) připojený na

   - vlastní vysílač (2a, 2b) signálu

   - a odděleně připojený na vlastní přijímač (3a, 3b) signálu, kde každý vlastní přijímač (3a, 3b) je pak připojen na

   - vlastní signálový procesor (12a, 12b) pro zpracování přijímaného signálu na výstupní data prostřednictvím funkcí:

   o provádění detekce užitečného signálu na pozadí šumu, o potlačení nežádoucích rušivých signálů a nežádoucích odrazů od pozemních předmětů, mraků, dešťových a sněhových srážek, o rozhodnutí o existenci detekovaného cíle, o a v případě potvrzení existence detekovaného cíle sestavení datové zprávy obsahující informace o změřených hodnotách šikmé dálky a úhlu detekovaného cíle.
6. 6. Zařízení podle kteréhokoliv z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že každá z antén (1a,1b) je připojena na anténní přepínač (18) dále připojený k signálovému kanálu (14), který obsahuje: - přepínač (16) signálu pro zajištění přepínání funkce vysílání signálu vysílačem (2) a příjem signálu přijímačem (3) připojený na

   - vysílač (2) signálu

   - a odděleně připojený na přijímač (3) signálu, který je dále připojen na

   - signálový procesor (12) pro zpracování přijímaného signálu na výstupní data prostřednictvím funkcí:

   o provádění detekce užitečného signálu na pozadí šumu, o potlačení nežádoucích rušivých signálů a nežádoucích odrazů od pozemních předmětů, mraků, dešťových a sněhových srážek,

   - 20 CZ 309924 B6 o rozhodnutí o existenci detekovaného cíle, o a v případě potvrzení existence detekovaného cíle, sestavení datové zprávy obsahující informace o změřených hodnotách šikmé dálky a úhlu detekovaného cíle, přičemž anténní přepínač (18) je uzpůsobený pro zajištění střídavého připojování první antény (1a) a druhé antény (1b) k přepínači (16) a tím dále k vysílači (2) a přijímači (3), a to pro připojení první antény (1a) v úhlovém sektoru určeném volitelnými ale pevně nastavenými úhly θ, ζ vzhledem k nulové poloze, kde absolutní hodnota rozdílu úhlů Ιθ - ζΙ se nachází v rozsahu 30° až 150° a po pootočení hřídele (5) pro připojení druhé antény (1b) ve stejném úhlovém sektoru určeném úhly θ, ζ.
7. 7. Kombinovaný radarový datový procesor (13) pro zpracování výstupních dat o cíli získávaných ze signálových procesorů (12, 12a, 12b) zařízení podle nároku 5 nebo 6, vyznačující se tím, že je proveden pro příjem dvou samostatných a nezávislých toků dat o témže cíli střídavě ozařovaném anténami (1a, 1b), pro sloučení těchto dvou samostatných a nezávislých toků dat příslušejících k témuž cíli do jednoho společného toku dat, přičemž kombinovaný radarový datový procesor (13) je dále uzpůsobený pro následné provádění výpočtu 3D souřadnic polohy takto detekovaného cíle, kde tyto souřadnice zahrnují hodnoty šikmé dálky, azimutu a elevace, a pro vytvoření 3D záznamu polohy detekovaného cíle.
8. 8. Přehledový 3D radar, vyznačující se tím, že zahrnuje zařízení podle nároku 5 a kombinovaný radarový datový procesor (13) podle nároku 7, dále zahrnuje displej (15), který je připojený na tento kombinovaný radarový datový procesor (13), a řídicí jednotku (17).
9. 9. Přesný přibližovací radar (PAR), vyznačující se tím, že zahrnuje zařízení podle nároku 6 a kombinovaný radarový datový procesor (13) podle nároku 7, dále zahrnuje displej (15), který je připojený na tento kombinovaný radarový datový procesor (13), a řídicí jednotku (17).
10. 10. Způsob zpracování signálu a získání radarových dat zařízením podle nároku 8 nebo 9 za využití kombinovaného radarového datového procesoru (13) podle nároku 7, který zahrnuje následující kroky:

    a) vyslání a následný příjem signálu anténami (1a, 1b) a zpracování signálu dvěma signálovými kanály (14a, b) podle nároku 5 nebo jediným signálovým kanálem (14) podle nároku 6, b) zpracování naměřených dat do formy třírozměrné informace (3D) o poloze cíle, c) zobrazení polohy cíle prostřednictvím vypočítaných hodnot azimutu, elevace a šikmé dálky na displeji (15) uživateli, vyznačující se tím, že v kroku a) se detekovanému cíli přiřazuje v okamžiku jeho ozáření první anténou (1a) hodnota změřené šikmé dálky a úhlu α, který svírá rovina určená osou otáčení (6) a kolmá na rovinu (21a) aktivní části první antény (1a) a v okamžiku jeho ozáření druhou anténou (1b) hodnota změřené šikmé dálky a úhlu β, který svírá rovina určená osou otáčení (6) a kolmá na rovinu (21b) aktivní části druhé antény (1b) a tyto hodnoty jsou v signálovém procesoru/procesorech použity k sestavení zpráv o detekovaných cílech zachycených příslušnými anténami (1a, 1b) a následně předávány kombinovanému radarovému datovému procesoru (13) podle nároku 7 k dalšímu zpracování takto získaných dat v kroku b), jenž zahrnuje:

    i. ve dvou samostatných stejných datových kanálech zpracování datových zpráv přicházejících souběžně na dva oddělené vstupy kombinovaného radarového datového procesoru ze dvou samostatných signálových kanálů (14a, 14b) podle nároku 5 nebo přicházejících střídavě na jeden vstup kombinovaného radarového datového procesoru z jednoho signálového kanálu (14) postupně zpracovávajícího data ze signálů přijímaných střídavě anténami (1a), (1b) podle nároku 6, ii. v každém datovém kanálu sestavení dvou samostatných 2D trajektorií cílů z přicházejících datových zpráv, obsahujících šikmou dálku a úhel α nebo β, iii. v každém datovém kanálu samostatně výpočet predikce polohy cíle, doplnění nahodile chybějící značky cíle a vyhlazení trajektorie cíle a, iv. na základě vyhodnocení společných charakteristik 2D trajektorií cílů zpracovávaných samostatně dvěma kanály kombinovaného radarového datového procesoru rozhodnutí o jejich příslušnosti k témuž cíli a v kladném případě sjednocení do jediné společné 3D trajektorie,

    v. výpočet polohy cíle v 3D souřadnicích šikmé dálky, azimutu a elevace.

    - 21 CZ 309924 B6
11. 11. Způsob zpracování signálu a získání radarových dat podle nároku 10, vyznačující se tím, že se v krocích ii., iii. kombinovaným radarovým datovým procesorem (13) provede sestavení předběžných 2D trajektorií cílů odděleně pro dva samostatné toky dat, a následně se tyto samostatné toky dat sloučí v kroku iv. do jediné výsledné 3D trajektorie.

    5 12. Způsob zpracování signálu a získání radarových dat podle nároku 10, vyznačující se tím, že v kroku v. jsou po vyhodnocení dat získaných ze signálů přijímaných dvěma anténami (la, 1b) a po jejich sloučení do výsledné trajektorie cíle vypočítávány opakovaně a postupně s periodou půl otáčky antény hodnoty azimutu Az a elevačního úhlu El cíle s použitím vzorců pro výpočet hodnoty azimutu a — B a — G

    Az ⁼ 3 -----------------⁼ ít-7 + t£|y| * cot#|íj| 7+ cotgjyl * t^|^| hodnoty elevace

    El = (α — β) * cotglql

    7 + * cotg|jj| cotglrl______

    1 + cotglrl * tglv|

    12 výkresů

    Seznam vztahových značek:

    1, la, 1b 2, 2a, 2b 3, 3a, 3b 4 5 6 7, 7a, 7b 8, 8a, 8b 9, 9a, 9b 10 11 12a, 12b 13 14, 14a, 14b 15 16, 16a, 16b 17 18 19 20 21, 21a, 21b 22, 22a, 22b 23, 23a, 23b Anténa Vysílač Přijímač Základna Hřídel Rotační osa Vyzařovací diagram antény Aktivní část antény Podélná osa antény Referenční směr (nulový úhel) Směr otáčení antény Signálový procesor Kombinovaný datový procesor Kanál zpracování signálu, signálový kanál Displej Přepínač vysílání/příjem Řídicí jednotka Anténní přepínač Cíl (letadlo) Rovina určená rotační osou (6) a je kolmá na rovinu (21) aktivní části antény Rovina aktivní části (8) antény Průsečnice roviny (20) s rovinou (21), rovnoběžná s rotační osou (6) Rovina listu (vyzařovacího diagramu) antény kolmá na podélnou osu (9) antény a rovinu (21) aktivní části antény

    24 25 26 27, 27a, 27b 28 Průsečnice roviny (21) aktivní části antény a roviny (23) listu antény Vypočítaný azimut cíle Vypočítaný elevační úhel cíle Směr vyzařování antény Směr pohybu letadla (vektor rychlosti)

    -22CZ 309924 B6

    29 Vodorovná rovina procházející středem anténního systému

    30 Přímka procházející středem aktivní části antény a zaměřeným cílem

    31 Vzdálenost, kterou letadlo uletí za dobu půl otáčky antény

    321, 322, 323, 324 Polohová značka treku cíle zachyceného anténou (1a)

    331, 332, 333, 334 Polohová značka treku cíle zachyceného anténou (1b)

    341, 342, 343, 344, 345 Polohová značka výsledného treku cíle - souřadnice dálka, azimut

    351, 352, 353, 354, 355 Polohová značka výsledného treku cíle - souřadnice dálka, elevace

    36 Úhel (α) mezi referenčním směrem (10) a rovinou, v níž leží rotační osa (6) a je kolmá na rovinu aktivní části antény (1a)

    37 Úhel (β) mezi referenčním směrem (10) a rovinou v níž leží rotační osa (6) a je kolmá na rovinu aktivní části antény (1b