Содержание к диссертации
Введение 4
Глава 1. Синтез алгоритмов проверки гипотез об угрозе столкнове
ния воздушных судов 10
Вводные замечания 10
Постановка задачи 11
Оптимальный алгоритм ранжирования гипотез 19
Упрощенные алгоритмы ранжирования гипотез о пересечении траекторий объектов 39
Выводы 43
Глава 2. Количественная оценка уровней опасности столкновения 46
ВС
Вводные замечания 46
Количественные показатели уровня опасности столкновения ВС... 47
Определение прогнозируемых точек и моментов максимального сближения траекторий ВС 53
Совместная реализация операций ранжирования ВС и определения уровня опасности их столкновения 61
Выводы 65
Глава 3. Анализ эффективности алгоритмов определения опасно
сти столкновения ВС методом имитационного моделирования 69
3.1. Постановка задачи имитационного моделирования 69
Общая характеристика моделируемого сценария 69
Характеристика РЛС предупреждения 71
Характеристика алгоритма работы РЛС при решении задачи определения объекта угрозы 75
3.1.4. Характеристика защищаемых объектов и проверяемого объ-
екта 78
3.1.5. Требования к имитационной модели 19
3.2. Алгоритм работы модели 80
Основные этапы работы модели 80
Работа модели на расчетном этапе 84
Результаты модельного эксперимента 98
Выводы 102
Заключение 104
Библиографический список 107
Введение к работе
В настоящее время и на перспективу в современной авиации актуальна проблема обеспечения безопасности полетов воздушных судов (ВС). Одна из главных задач, решаемых современными системами управления воздушным движением (УВД), заключается в предотвращении столкновений ВС. Опасность столкновений для ВС, находящихся в воздушном пространстве, может исходить от других ВС или от различных объектов, движущихся в воздушном пространстве (воздушных объектов (ВО)), Для обеспечения безопасности ВС могут применяться различные меры и средства защиты. Обычно первоочередной мерой защиты является своевременное предупреждение защищаемых ВС об опасности столкновения с другими ВС или ВО. Для обеспечения такого информирования защищаемые ВС должны располагать специальными техническими или иными средствами наблюдения (мониторинга) воздушного пространства. На практике широко применяются радиоэлектронные средства наблюдения, использующие различные участки общего диапазона электромагнитных волн (радиодиапазон, инфракрасный, видимый и др. диапазоны). Наибольшее распространение получили средства радиолокационного, радиотехнического, оптикоэлектронного (в инфракрасном, видимом, ультрафиолетовом диапазонах) мониторинга контролируемого пространства. Выбор тех или иных средств определяется спецификой решаемых задач мониторинга и защиты.
В диссертационной работе рассматривается задача защиты ВС от столкновения с другими ВС или ВО, решаемая указанным выше методом своевременного предупреждения об опасности с помощью радиолокационных средств мониторинга воздушного пространства. В составе средств защиты используется наземная радиолокационная станция (РЛС) обнаружения воздушных объектов. Задача РЛС заключается в обнаружении воздушных объектов на достаточно большом расстоянии от защищаемых ВС и в выявлении
траекторий их движения, включая экстраполяцию и сглаживание траекторий на основе полученной совокупности первичных радиолокационных измерений координат и параметров движения. С использованием результатов экстраполяции могут быть получены оценки уровня опасности столкновения защищаемых ВС с другими обнаруженными ВС и ВО. При наличии таких оценок может быть вынесено решение о тех защищаемых ВС (или об одном ВС), которые подвергаются угрозе столкновения со стороны других обнаруженных ВС и ВО. Выявленные таким образом ВС - объекты угрозы могут быть своевременно предупреждены об опасности с тем, чтобы задействовать имеющиеся в их распоряжении средства защиты, например, изменение маршрута полета, маневрирование и т.п.
При решении задачи защиты ВС обсуждаемым методом радиолокационного предупреждения важное значение имеют технические характеристики используемой РЛС, влияющие на достоверность обнаружения, измерения координат и траєкторного сопровождения воздушных объектов. Эти характеристики определяются типом и параметрами антенны, передатчика, приемника, средств первичной и вторичной обработки радиолокационной информации и др. Важны также типы и параметры зондирующих сигналов, энергетика, параметры и режимы обзора пространства.
Однако наряду с указанными характеристиками особо важное значение имеют применяемые в составе решающей подсистемы РЛС алгоритмы обработки радиолокационной информации, получаемой в процессе обзора пространства. Получаемая радиолокационная информация может быть обработана различным образом, при этом применяемые алгоритмы обработки определяют качество принимаемых итоговых решений. В случае обсуждаемой задачи итоговым решением РЛС предупреждения являются выявленные ВС -объекты угрозы со стороны других ВС или ВО, а также количественные оценки уровней опасности. Качество решения характеризуется вероятностями правильного и ложного предупреждения. Возникает задача отыскания та-
кнх алгоритмов обработки радиолокационной информации, которые обеспечивают вынесение решений о наличии опасности столкновения наилучшим образом, т.е., задача оптимизации алгоритмов оценки опасности столкновений ВС. Также актуальна задача анализа эффективности различных алгоритмов и их сравнения по техническим характеристикам.
Указанные задачи относятся к классу задач статистического синтеза и анализа. Общая теория статистического синтеза и анализа алгоритмов разработана в последние десятилетия усилиями большого числа исследователей в интересах решения ряда прикладных задач. Основные результаты этой теории изложены, например в монографиях [1-6]. Вопросы обработки радиолокационной информации подробно рассмотрены в монографиях [7-17], а также в большом числе других научно-технических публикаций. В частности, в работах [18-21] даны систематизированные обзоры методов и алгоритмов вторичной обработки РЛИ, а также приведены сравнительные характеристики различных алгоритмов. Рассматриваются как методы и результаты оптимизации алгоритмов различного назначения, так и эвристические подходы, позволяющие во многих случаях получить практически полезные результаты. При решении задач анализа эффективности алгоритмов важное значение имеют методы имитационного моделирования. Разработке и изложению этих методов посвящены такие публикации, как [22, 23]. В частности, вопросы имитационного моделирования радиолокационных задач рассмотрены в [24, 25]. Подходы к решению задач оптимизации алгоритмов обработки РЛИ и анализа их эффективности, изложенные в перечисленных работах, дают методологическую основу для решения задачи разработки алгоритмов определения объектов угрозы и анализа эффективности этих алгоритмов применительно к задаче, рассматриваемой в диссертации.
Целью диссертационной работы является разработка оптимизированных алгоритмов оценки опасности столкновения ВС по результатам радиолокационного наблюдения, пригодных для практического применения и анализ
рабочих характеристик разработанных алгоритмов.
В соответствии с целью работы основными задачами, решаемыми в диссертации, являются следующие:
Математический синтез оптимального алгоритма ранжирования защищаемых ВС по вероятности их столкновения с проверяемым ВС.
Разработка приближенно оптимальных алгоритмов ранжирования защищаемых ВС по уровню опасности их столкновения с проверяемым ВС.
Разработка алгоритмов получения количественных оценок уровней опасности столкновения ВС.
Анализ эффективности разработанных алгоритмов методами имитационного моделирования.
Материалы диссертации состоят из введения, трех разделов и заключения. Во введении рассмотрена общая проблема, к которой относится задача, решаемая в диссертации, дана общая постановка решаемой задачи, обоснована ее актуальность, указан перечень литературных источников по теме диссертации, а также сформулированы цели диссертации, решаемые частные задачи и основные положения, выносимые на защиту.
В первом разделе выполнен математический синтез оптимального и приближенно оптимальных алгоритмов ранжирования защищаемых ВС по уровню опасности их столкновения с некоторым проверяемым ВС, по данным радиолокационных наблюдений.
Во втором разделе разработана система количественных показателей уровней опасности столкновения защищаемых ВС с проверяемым и алгоритмы расчета этих показателей по результатам радиолокационных наблюдений. Выполнено сопоставление разработанных алгоритмов по их сложности и условиям применимости.
В третьем разделе выполнен анализ основных рабочих характеристик разработанных алгоритмов вынесения решения об объекте воздушной угрозы.
Оценки рабочих характеристик алгоритмов получены с помощью компьютерной имитационной модели, разработанной в диссертации.
На защиту выносятся следующие основные положения.
1. Первичным признаком наличия опасности столкновения ВС следует считать наличие пересечения траекторий этих ВС, при этом оптимальный алгоритм оценки уровня опасности столкновения ВС по результатам радиолокационных наблюдений предписывает ранжирование гипотез о пересечении траекторий объектов по величине нормированного расстояния между истинными точками пересечения (максимального сближения) траекторий объектов, и точками пересечения (максимального сближения), оцениваемыми по результатам наблюдений.
2.Приближенно оптимальные алгоритмы оценки уровня опасности столкновения ВС по данным радиолокационных наблюдений предполагают ранжирование защищаемых ВС по величине прогнозируемых сближений их траекторий с траекторией проверяемого ВС, а также по величине прогнозируемых расстояний между защищаемыми ВС и проверяемым объектом на моменты времени, когда защищаемые объекты достигают точек максимального сближения их траекторий с траекторией проверяемого объекта.
3. Количественные оценки уровней опасности столкновения ВС целесообразно получать на основе системы показателей, включающей прогнозируемое кратчайшее расстояние между траекториями ВС («прогнозируемое сближение траекторий ВС»), прогнозируемое кратчайшее расстояние между ВС («прогнозируемое сближение ВС»), прогнозируемое время, оставшееся до момента, когда рассматриваемое ВС достигнет точки максимального сближения его траектории с траекторией другого ВС («прогнозируемое время до максимального сближения ВС» или «прогнозируемое время до возможного столкновения ВС»), прогнозируемое расстояние между ВС на заданный момент времени.
4. Приближенно оптимальный алгоритм ранжирования гипотез о пересечении траекторий защищаемых ВС с траекторией проверяемого ВС целесообразно строить с учетом того факта, что для ВС - истинных объектов угрозы сближение их траекторий с траекторией проверяемого ВС (кратчайшее расстояние между траекториями) совпадает с кратчайшим расстоянием между этими объектами, а ранжирование гипотез об угрозе столкновения ВС выполнять по величине прогнозируемого сближения ВС, при этом операции ранжирования ВС по уровню опасности столкновения и определения количественных показателей опасности совмещаются в рамках единого алгоритма, что обеспечивает сокращение вычислительной трудоемкости процедуры оценки опасности столкновения ВС.
