Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ разработок по исследованию систем наземных испытаний многодиапазонных космических РСА 12
1.1 Космическая радиолокация в России и за рубежом 12
1.2 Анализ современных подходов к задаче наземных испытаний космических РСА 19
1.3 Концепции математического моделирования 23
1.4 Выводы по разделу 27
2 Обоснование и разработка системы наземных испытаний 28
2.1 Теория сложных систем как инструмент создания модели комплекса наземной отработки РСА 29
2.2 Модель комплекса наземной отработки космического РСА как сложной системы 50
2.3 Модель РСА в свете теории сложных систем 59
2.4 Описание моделей элементов РСА как составных частей сложной системы 63
2.5 Алгоритм реализации математической модели на ЭВМ 71
2.6 Выводы по разделу 75
3 Методика применения моделей комплекса наземной отработки 76
3.1 Методики применения моделей КНО для решения конкретных задач 76
3.2 Возможности и достоинства системного подхода к построению моделей КНО 83
3.3 Модель комплекса наземной отработки для обращенного эксперимента 87
3.4 Принципы адаптации математической модели КНО для стендов полунатурного моделирования 94
3.5 Модель комплекса наземной отработки для стендов полунатурного моделирования 99
3.6 Применение принципа декомпозиции к системе формирования радиолокационного изображения для обоснования методик наземной проверки сквозных характеристик космического РСА 104
3.7 Приведение ширины аппаратной функции отклика к пространственному разрешению РСА 108
3.8 Выводы по разделу 110
4 Экспериментальные исследования и моделирование макета космического РСА, анализ результатов 111
4.1 Описание экспериментального стенда 111
4.2 Результаты моделирования и испытаний 129
4.3 Выводы по разделу 146
Заключение 147
Перечень сокращений 148
Литература 150
- Анализ современных подходов к задаче наземных испытаний космических РСА
- Модель комплекса наземной отработки космического РСА как сложной системы
- Применение принципа декомпозиции к системе формирования радиолокационного изображения для обоснования методик наземной проверки сквозных характеристик космического РСА
- Результаты моделирования и испытаний
Введение к работе
Актуальность темы.
Расширение круга задач, решаемых с помощью космических радиолокаторов с синтезированной апертурой (РСА), влечёт за собой предъявление к ним более высоких требований, усложнение аппаратуры и систем обработки. Возрастает количество стран, в том числе развивающихся, которые становятся операторами собственных систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) с радиолокаторами на борту, способными обеспечить разрешающую способность не хуже 1 м. К сожалению, среди них нет ни одного российского. С чем связано такое положение дел, трудно трактовать однозначно, особенно если учесть выдающиеся успехи советской и российской космической радиолокации конца прошлого века. Например, когда возникла угроза гибели зажатого льдами в проливе Лонга каравана из 22 судов, РСА космического аппарата «Космос 1500» стал единственным средством, позволившим в условиях полярной ночи найти проход в многолетних льдах, по которому караван был выведен из района бедствия. Учитывая, что на тот момент одно судно уже было потеряно и каравану грозила неминуемая гибель с большими человеческими жертвами, значение возможностей имевшегося у страны радиолокационного спутника трудно переоценить. Триумфом советской космической радиолокации стало также успешное картографирование Венеры в 1983 г., оптическое наблюдение поверхности которой практически невозможно из-за особенностей атмосферы. Благодаря этому эксперименту человечество впервые увидело поверхность другой планеты. Последними успешными российскими проектами космических РСА были «Меч-К» и «Меч-КУ» в составе «Космос-1870» (1987-89 гг.) и «Ал-маз-1» (1991-92 гг.) с разрешением 15-20 м.
Успехи советской и российской космонавтики в значительной мере были обусловлены ответственным подходом к разработке системы наземных испытаний, так как результаты запусков были вопросом престижа страны. Несмотря на то, что уже в конце XX в. западные страны превосходили СССР по развитию вычислительной техники, советские инженеры и программисты компенсировали это применением более прогрессивных методов численного и статистического моделирования на отечественных ЭВМ, в том числе БЭСМ-6. Широко практиковались испытания на стендах натурного и полунатурного моделирования, в том числе с использованием аналого-цифровых вычислительных комплексов. Изготавливались технологические комплекты космических аппаратов в нескольких экземплярах («Венера», «Буран») и имитаторы различного назна-
чения. Помимо исчерпывающего объема проверок на составных частях, проводились испытания на полных комплектах аппаратуры в расширенных режимах. Значительная часть средств и времени выделялась для создания полигонов, комплексов для проведения тщательной наземной отработки.
Проблема создания современного комплекса наземной отработки (КНО) для проверки космического РСА и его составных частей, соответствующего возросшим требованиям, обусловлена высокой степенью сложности изделия и наличием большого числа факторов, влияющих на качество радиолокационного изображения (РЛИ). В настоящее время, наряду с совершенствованием технологий разработки космических РСА, развиваются и широко применяются методы математического и полунатурного моделирования на всех стадиях жизненного цикла изделия - от разработки принципов построения аппаратуры и определения требований технического задания (ТЗ) до экспериментальной отработки, разработки методик измерений параметров и проведения всех видов испытаний, включая комплексные испытания в составе космического аппарата, а также сопровождения эксплуатации космического РСА с целью определения деградации параметров и диагностики отказов. Таким образом, значительные интеллектуальные и материальные затраты по созданию стендов математического и полунатурного моделирования в составе КНО вполне оправданы и являются необходимыми мерами для успешной реализации требований, предъявляемых к современному РСА.
В опубликованных в последние годы зарубежных материалах большое внимание уделяется вопросам наземных испытаний, математического моделирования, внутренней и внешней калибровки с целью обеспечения требуемых параметров РСА. Приводятся результаты измерения сквозных параметров тракта космического РСА, влияющих на качество изображения, полученные в процессе эксплуатации аппаратов Radarsat-1, Envisat-1, TerraSAR-X и других.
Несмотря на высокую стоимость, затраты на проведение тщательной наземной отработки локаторов TerraSAR-X и SAR-Lupe оказались вполне оправданными: предварительная стадия подготовки аппаратуры РСА к штатной эксплуатации после её вывода на орбиту оказалась существенно меньше ожидаемой. Уже первые полученные изображения полностью соответствовали требованиям, предъявляемым к качеству РЛИ.
В докладах европейских исследователей, сделанных на последних конференциях EUSAR, значительное внимание уделяется совершенствованию подходов к калибровке и наземной отработке, связанному с анализом результатов многолетней эксплуатации аппаратов, в числе которых RADARSAT-1,
ENVISAT ASAR, и усложнением режимов съёмки в новых РСА Sentinel-1, COSMO-SkyMed, Tandem-X. Следует отметить, что эти исследования уже много лет ведутся одними и теми же коллективами специалистов.
В последнее время из-за отсутствия у России космических РСА высокого разрешения складывается тенденция к ориентированию отечественных заказчиков на использование радиолокационных данных иностранных спутников, что может поставить страну в зависимость от зарубежных космических средств наблюдения. В сложившейся ситуации тщательное проведение полного цикла наземных испытаний космического РСА, к которому, несмотря на новизну отечественной разработки, предъявляются требования на уровне лучших мировых стандартов, приобретает особую роль.
Учитывая ряд неудач в работе спутников дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и анализируя успешный опыт зарубежных коллег, можно сделать вывод, что разработка математических моделей аппаратуры, создание стендов полунатурного моделирования, моделирование обработки сигналов в РСА, обеспечение внутренней и внешней калибровки, проведение полного объёма наземных испытаний и, следовательно, повышение эффективности КНО являются необходимыми условиями успешной работы космических РСА на орбите и реализации предъявляемых к ним современных требований.
Актуальность темы диссертационной работы обусловлена тем, что исследование, разработка и построение эффективного и информативного КНО является важным шагом разработки, изготовления и эксплуатации космического РСА. От структуры, качества и продуманности технических решений КНО зависит степень выполнения РСА возложенных на него задач. При проведении испытаний только на составных частях радиолокатора, без проверки их связей и взаимного влияния, принципиальные системные характеристики могут быть потеряны, поэтому разработка КНО и исследование его как целостной сложной системы является актуальной задачей. Работы об исследовании КНО неизвестны или недоступны, однако известно, что такие комплексы имеются.
Объектом исследования являются космические радиолокационные комплексы дистанционного зондирования Земли.
Предметом исследования является комплекс наземной отработки космического радиолокатора с синтезированной апертурой и его составных частей.
Цель работы и задачи исследований. Цель работы - повышение информативности и эффективности комплекса наземной отработки космического РСА. Для достижения указанной цели в работе проводилось исследование комплекса наземной отработки космического РСА как сложной системы.
Решение поставленной задачи включает следующие шаги.
-
Разработка в свете теории сложных систем (ТСС) универсальной модели КНО, которая может быть адаптирована для различных типов РСА; выбор структуры объектно-ориентированной математической модели применительно к поставленной задаче.
-
Определение системного критерия, проверка КНО и его подсистем на соответствие системному критерию на всех этапах жизненного цикла.
-
Математическое описание структуры моделей КНО и его составных частей, достаточное для исследования основных характеристик РСА.
-
Декомпозиция действующих элементов КНО для их дополнительного исследования как самостоятельных сложных систем (СС).
-
Создание методик применения моделей КНО для решения конкретных задач и доказательство корректности их применения.
-
Адаптация математической модели КНО для обращенного эксперимента и стендов полунатурного моделирования.
-
Тестирование предложенных моделей и системы формирования радиолокационного изображения (РЛИ) путем сравнения с результатами, полученными при испытаниях самолетного РСА с бинарной фазовой манипуляцией зондирующего сигнала кодом Баркера.
-
Разработка и создание макета приемо-передающей аппаратуры с бинарной фазовой манипуляцией зондирующего сигнала М-последовательностью.
-
Обоснование структуры, разработка и создание стенда полунатурного моделирования для наземной отработки сквозных характеристик РСА.
10) Проведение испытаний макета на стенде полунатурного моделирования.
И) Анализ результатов испытаний макета фрагмента космического РСА на
стенде полунатурного моделирования.
Для решения поставленных задач применены: математический аппарат описания моделей сложных систем, теория радиолокационных сигналов, теория радиолокаторов с синтезированной апертурой, а также методы имитационного и полунатурного моделирования.
В данной работе получены следующие новые научные результаты.
-
Предложено математическое описание структуры модели КНО и его составных частей в свете ТСС, разработаны алгоритмы, удобные для реализации на ЭВМ.
-
Обосновано применение декомпозиции к составным частям КНО и разработаны их математические модели.
-
Разработаны методики применения математической модели КНО для
решения конкретных задач, в том числе обращенного и самолётного эксперимента, полунатурного моделирования.
Достоверность основных положений и выводов диссертации подтверждается корректным использованием математического аппарата, результатами математического моделирования, а также сравнением радиолокационных изображений, полученных при двух способах формирования входных данных, имитирующих съёмку одиночной точечной цели: имитационном (программном) и полунатурном (с использованием макета аппаратуры и стенда). Проведенный сравнительный анализ РЛИ с результатами обработки экспериментальных радиолокационных данных, полученных в ОАО «Корпорация «Фазотрон НИИР»» при наземных испытаниях РСА авиационного базирования с фазовой манипуляцией зондирующего сигнала кодом Баркера, подтверждает корректность предложенных методик.
Предложенные методики использования моделей КНО и его составных частей могут применяться при проведении наземных испытаний и штатной работе различных видов РСА, независимо от типа антенной системы, состава приемо-передающей аппаратуры и вида модуляции зондирующего сигнала.
Стенд полунатурного моделирования имеет набор регулируемых аппаратных средств (шлейфов) для подачи зондирующего сигнала с выхода передатчика на вход приёмника по единственному каналу, что имитирует его отражение от одиночной точечной цели (ОТЦ). В результате синтеза РЛИ по данным такого сеанса съёмки получаем аппаратную функцию отклика (АФО). Аппаратура стенда позволяет моделировать и имитировать параметры, оказывающие влияние на вид АФО, такие как уровень отражённого сигнала, уровень шума, доплеровское изменение фазы, соответствующее смещению ОТЦ по азимуту.
Анализ АФО, полученных на стенде полунатурного моделирования в ГУП НПЦ «СПУРТ», дает возможность оценить ожидаемые сквозные характеристики космического РСА - ширину и уровень боковых лепестков изображения ОТЦ, по которым определяется его пространственное разрешение.
Предложенные математические модели применяются на практике в ГУП НПЦ «СПУРТ» при разработке штатной аппаратуры, проведении её испытаний, а также могут быть использованы для диагностики состояния аппаратуры, моделирования внешних воздействий, изучения причин деградации параметров космического РСА в течение штатной эксплуатации.
На защиту выносятся
-
Способ представления и математического описания модели КНО как сложной системы.
-
Методики применения математической модели КНО для решения конкретных задач: обращенного эксперимента, полунатурного моделирования, самолётного эксперимента и сопровождения эксплуатации.
-
Математическое описание структур общей модели КНО и адаптации этой модели для задач обращенного эксперимента и полунатурного моделирования.
-
Модифицированная математическая модель синтеза РЛИ для испытаний на стенде, построенная на основе декомпозиции системы формирования РЛИ как элемента модели КНО.
-
Стенд полунатурного моделирования для испытаний макета фрагмента космического РСА с использованием зондирующего сигнала, манипулиро-ванного по фазе М-последовательностью, на котором реализована имитация одиночной точечной цели, получены цифровые радиоголограммы, синтезированы аппаратные функции отклика.
-
Экспериментальные результаты испытаний макета фрагмента космического РСА и их сравнение с результатами математического моделирования и обработки экспериментальных радиолокационных данных, полученных при наземных испытаниях самолётного РСА.
Апробация работы. По материалам диссертации сделаны доклады на XXIV, XXV Симпозиумах «Радиолокационное исследование природных сред» (г. Санкт-Петербург, 2006, 2007 гг.), XVII-XIX Международных Крымских конференциях МНТОРЭС им. А.С.Попова «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (Крым, г.Севастополь, 2007 2009 гг.), II-VII научно-технических конференциях «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли» (Краснодарский край, г. Адлер, 2005-2010 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 научных работы, включая научную статью, опубликованную в издании, входящем в Перечень ВАК.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов с выводами по каждому из них, заключения, списка литературы. Основной текст диссертации изложен на 156 листах, содержит 43 рисунка, 13 таблиц и список литературы из 81 наименования.
Анализ современных подходов к задаче наземных испытаний космических РСА
Необходимость проведения наземных испытаний космических радиолокаторов обусловлена высокой степенью сложности системы и наличием большого числа факторов, влияющих на качество радиолокационного изображения.
Если в ходе испытаний будет выявлено несоответствие выходного радиолокационного изображения (РЛИ) заданным требованиям качества, возникнет необходимость выяснить и, по возможности, устранить причину этого явления. Это представляет весьма непростую задачу, учитывая многообразие влияющих факторов, сложность их контроля при отсутствии доступа к космическому аппарату, находящемуся на орбите, и ограниченность информации, получаемой из телеметрии.
Частично указанная проблема решается с помощью встроенных средств телеметрического контроля параметров бортовой аппаратуры, частично — с помощью дополнительных приборов. Например, точность работы системы поддержания ориентации КА контролируется астронавигационными приборами; реальная чувствительность радиолокационного приемника проверяется с помощью встроенного контрольного генератора шума.
Большинство разработчиков [22], кроме проверки составных частей РСА, проводят частичную или полную проверку подсистем, например: антенной системы и ее подрешеток, приемных и передающих трактов аппаратуры. Учитывая дороговизну и сложность изготавливаемой аппаратуры, проводится математическое моделирование работы блоков, подсистем и системы в целом, причем такое моделирование может проводиться до изготовления, а затем модели отдельных частей могут корректироваться по результатам испытаний изготовленной аппаратуры.
Испытания и калибровка космических радиолокаторов включают мероприятия следующих типов:
- автономная проверка отдельных составных частей;
- частичная или полная проверка отдельных подсистем на стендах полунатурного моделирования, позволяющих проводить расширенное исследование выявляемых эффектов;
- комплексные испытания с использованием математической модели всей системы наземной отработки для анализа;
- обращенный эксперимент;
- внутренняя калибровка трактов на всех этапах наземных испытаний, опытной и штатной эксплуатации;
- внешняя калибровка.
Применяемый разработчиком план испытаний космического аппарата, предусматривающий приведенные выше мероприятия в определённых объёмах, зависит от новизны технических решений, применяемых в системе, серийности образца, а также имеющихся материальных средств.
Объем испытаний, ограниченный проверками только составных частей на наземном этапе, привлекателен для менеджеров проекта с точки зрения его дешевизны, минимизации трудовых и временных затрат. Такой подход может быть оправдан при серийном производстве аппаратов, если опытный образец уже прошел испытания и показал результаты при эксплуатации, а характеристики серийных аппаратов идентичны опытному образцу. При этом работа РСА как сложной системы проверяется путем внутренней [16, 24, 25] и внешней [19] калибровки уже после запуска аппарата. Внутренняя калибровка с помощью аппаратных шлейфов, телеметрического (ТМ) контроля и дополнительных приборов может проводиться достаточно часто как при наземных испытаниях, так и после развертывания системы на орбите [26]. Опыт же разработки большинства как выполнивших свои миссии, так и успешно эксплуатируемых в настоящее время систем [16, 19, 21, 23, 25, 27] показывает, что все они прошли полный цикл наземных испытаний, в том числе проверки сквозных характеристик в полной конфигурации системы.
С расширением круга задач, для решения которых применяются РЛИ, все большее число потребителей предъявляет к современным РСА требования как к измерительным системам. Потребителю необходимо не только высокое разрешение и качество изображения, но и возможность получить из снимка геометрические характеристики элементов на земной поверхности, данные о взаимном расположении объектов, электродинамическую и радиометрическую информацию о подстилающей поверхности. Поэтому одной из первоочередных задач, возлагаемых на КНО, становится задача аттестации РСА как измерительной системы.
В имеющихся зарубежных разработках большое внимание, как свидетельствуют имеющиеся описания, уделяется внутренней калибровке, встроенному контролю и математическим моделям.
Внутренняя калибровка обеспечивает проверку радиотехнических параметров тракта бортового радиолокационного комплекса (БРЛК) - спектральные, амплитудные энергетические и временные характеристики. Калибровочный тракт должен охватывать, как минимум, все активные элементы трактов передачи и приёма, параметры которых могут изменяться и деградировать за время эксплуатации. Системы внутренней калибровки и встроенного контроля (ВК) являются важным объектом наземных испытаний космических РСА, их тестированию и проверкам уделяется значительное внимание.
В настоящее время основными техническими решениями внутренней калибровки, закладываемыми в аппаратуру современных РСА [16, 23, 25], являются:
- введение блоков встроенного контроля (ВК), осуществляющих измерение и отвод мощности на выходе приемо-передающих модулей (ППМ) активной фазированной антенной решетки (АФАР) в канал калибровки;
- организация шлейфового контроля;
- включение в состав приемо-передающей аппаратуры устройства формирования контрольных сигналов.
При разработке европейских спутников РСА серии ERS в 1990-х годах также было уделено особенное внимание проблемам калибровки. На начальном этапе этой разработки в Дании была разработана экспериментальная самолетная система РСА KRAS [21], одной из задач которой была проверка всех возможных средств и отработка методик калибровки.
В частности, были отработаны циклограммы съёмки с записью калибровочных импульсов в начале и конце каждого сеанса и калибровка коэффициента шума с использованием встроенного эталонного генератора. Аналогичные системы встроенной калибровки были использованы в космических системах ERS и ENVISAT ASAR [19, 23]. Основные принципы внутренней калибровки сохранились и в новых РСА Sentinel-1, COSMO-SkyMed [24, 25]. Однако, как отмечают специалисты, разрабатывавшие ERS и ENVISAT, описывая свою более позднюю разработку Sentinel-1 [28], переход к многорежимным РСА требует новой концепции калибровки, направленной на минимальные затраты лётного времени для калибровки каждого режима. С учётом опыта эксплуатации ENVISAT ASAR, центральное место в этой концепции отводится математической модели АФАР, построенной на основе наземных испытаний и периодически уточняемой по результатам лётной внешней калибровки.
При массовости производства и эксплуатации систем, идентичных по основным принципам построения и характеристикам, накапливаемый опыт используется разработчиками для совершенствования следующих моделей. Учитывая же, что в России успешные запуски космических РСА исчисляются единицами, эти системы значительно различались между собой по технической реализации и характеристикам, их разработки проводились 20...40 лет назад, а доступные данные о зарубежных аналогах недостаточно подробны, необходимо признать, что залогом работоспособности и надёжности новой космической системы, отвечающей современным требованиям, может явиться только информация, накопленная на этапе моделирования и наземных испытаний опытных образцов.
В работе [5] приведен обзор работ по периодической калибровке РСА RADARSAT-1 в течение 9 лет эксплуатации. В результате моделирования на наземных стендах был усовершенствован режим Скансар, что обеспечило улучшение качества РЛИ. Описаны методики и приведены результаты радиометрической калибровки в однолучевом режиме и режиме Скансар, а также внутренней калибровки. Благодаря ежегодно проводимой внутренней калибровке удалось избежать ухудшения характеристик системы из-за деградации характеристик аппаратуры. Сквозные характеристики РСА продолжают оставаться лучше заданных требований в течение 10 лет после запуска. По итогам проведенных мероприятий и анализу их результатов можно сделать вывод, что многолетние усилия по разработке методик и опыт проведения калибровок оказались очень полезными для проектирования и создания будущих космических РСА ДЗЗ, включая RADARSAT-2.
Модель комплекса наземной отработки космического РСА как сложной системы
Пользуясь математическим аппаратом, предложенным выше, рассмотрим КНО как сложную систему и дадим описания основным элементам, влияющим на решение поставленной задачи. Согласно принципу моделируемости, КНО может быть представлен различными моделями, каждая из которых отражает определенную группу его свойств и имеет свой системный критерий. Несмотря на то, что КНО представляет собой СС, состоящую из элементов различной природы, включая административно-технический персонал, можно построить модели, в которых все его элементы связаны одним системным критерием и нацелены на решение задач одного типа. Можно построить управленческую, информационную модели, модель, нацеленную на оптимизацию алгоритмов обработки [40], модель КНО как большой системы управления [46]. В данной работе будут рассмотрены варианты радиотехнических моделей КНО и его составных частей.
Представленная на рисунке 2.1 модель КНО для проверки сквозных характеристик является универсальной и, при необходимости, может быть адаптирована для решения большого круга задач, в том числе обращенного эксперимента и испытаний на стенде полунатурного моделирования.
Для действующих элементов приняты следующие обозначения и сокращения:
Е1 - наземный комплекс управления (НКУ). В соответствии с задачей съёмки, поставленной заказчиком (оператором), осуществляет выбор снимаемого объекта, сбор информации о движении выбранного объекта и носителя БРЛК, в ряде случаев может управлять движением носителей, выполняет пересчёт движения цели в систему координат БРЛК, формирует для БРЛК исходные данные на сеанс съёмки, а для наземного СФРЛИ (а также для БРЛК, если он содержит СФРЛИ) — исходные данные для синтеза РЛИ. Задаёт БРЛК привязку его бортовой шкалы времени к астрономическому или иному системному времени для синхронизации сеанса съёмки с движением носителей. Формирует для САРЛИ исходные данные для анализа тестовых изображений.
E2 — система носителей и ориентации (СНО): объекты, к которым механически привязаны БРЛК и цель - их взаимное расположение и движение определяют закон преобразования зондирующих сигналов. Объекты-носители могут управляться от НКУ и/или контролироваться НКУ (опорно-поворотное устройство при испытаниях БРЛК на полигоне, космический или летательный аппарат — носитель цели при обращенном эксперименте).
ЕЗ — формирователь отраженных сигналов (ФОС). Преобразует серию зондирующих сигналов в серию отражённых сигналов по закону, определяемому видом снимаемого объекта как поля радиояркости (в общем случае, зависящего от ракурса съёмки), траекторией и ориентацией снимаемого объекта в системе координат БРЛК. Для задачи обращенного эксперимента в качестве поля радиояркости моделируется снимаемый космический аппарат как геометрическая фигура - множество элементарных отражателей с заданными ЭПР, с учетом их зависимости от ракурса съемки.
Е4 - испытываемый бортовой радиолокационный комплекс, его макет или модель. Осуществляет формирование и передачу серии зондирующих импульсов, приём серии отражённых импульсов, их предварительную обработку и преобразование в массив цифровой радиоголограммы. Все перечисленные операции выполняются в соответствии с выбранным режимом съёмки, исходными данными параметров сеанса съёмки и траектории цели в системе координат БРЛК, поступающими от НКУ, с синхронизацией времени по соответствующим сигналам.
Е5 — система формирования исходных данных (СФИД), содержащая БЗУ для временного хранения ЦРГ, принятой от БРЛК, и компьютер со специальным программным обеспечением или специализированное вычислительное устройство для преобразования записанной ЦРГ в адаптированные для проверки СФРЛИ в штатных режимах. Этот элемент осуществляет: - распаковку кадра цифровой информации, поступающей от БРЛК, и выделение данных ЦРГ; - преобразование ЦРГ в файл с форматом, соответствующим ПО СФРЛИ; - формирование адаптированных ЦРГ, получаемых путём построчной коррекции начальной фазы, и их хранение.
Е6 - система формирования РЛИ (СФРЛИ). Из поступающих от БРЛК массивов радиоголограммы и оперативной информации сопровождения по опорным функциям, формируемым в соответствии с режимом съемки и законом изменения наклонной дальности и азимута (исходные данные о параметрах траектории поступают от НКУ), выполняет сжатие радиоголограммы по дальности и азимуту, в результате которого получается радиолокационное изображение цели (при испытаниях на стенде — аппаратная функция отклика). Е7 - система анализа РЛИ (САРЛИ). Полученное радиолокационное изображение радиомишени или её модели (при обращенном эксперименте - космического аппарата) сравнивается с образцовым (полученным расчетным путем или путем съемки с помощью какого-либо другого РСА) изображением этой же радиомишени. При испытаниях на стенде анализируются параметры аппаратной функции отклика.
Как видим, способ действия системы зависит как от матрицы способов действия элементов Т, так и от матрицы структуры системы S. Для определения способа действия системы необходимо знать матрицу структуры системы S (2.32), выражающую сеть связей между элементами системы, а также способы действия элементов системы, математическим выражением которых является матрица Т. Это полное описание КНО как сложной системы и его модель.
Таким образом, описанная выше объектно-ориентированная модель КНО позволяет:
1) математически корректно и достаточно компактно описать работу сложной системы, включая процесс формирования системных свойств;
2) наглядно в виде элементов и связей между ними графически представить модель сложной системы;
3) в случае необходимости путём замены элементов и связей переориентировать систему на отражение иных нужных для конкретной задачи характеристик и свойств;
4) создать аналог математической модели сложной системы в виде программы для ЭВМ;
5) с помощью программной модели исследовать системные свойства и сквозные характеристики реальной системы;
6) в любой момент включить в модель, реализованную на ЭВМ, вместо программных моделей элементов, построенных на основании расчётных характеристик, их модели, уточненные по результатам эксперимента;
7) исследовать системные свойства реальных устройств на стендах полунатурного моделирования.
Алгоритмы реализации математической модели сложной системы на ЭВМ будут представлены в параграфе 2.5, модификации моделей КНО для обращенного эксперимента и для стенда полунатурного моделирования - в разделе 3.
Применение принципа декомпозиции к системе формирования радиолокационного изображения для обоснования методик наземной проверки сквозных характеристик космического РСА
Отличие условий получения ЦРГ при испытаниях на стенде полунатурного моделирования (при отсутствии движения носителя) и во время реального полета может быть учтено соответствующей обработкой полученных результатов в СФРЛИ [64]. Для этого путем декомпозиции из математической модели РСА выделяется элемент СФРЛИ и рассматривается как самостоятельная сложная система при сохранении неизменными входов и выходов, как описано в параграфе 2.4.3. На рис. 2.9 в разделе 2 СФРЛИ представлена следующими действующими элементами: «Сжатие по дальности» и «Сжатие по азимуту», состоящему из ДЭ «Фокусировка» и «БПФ». Возможность замены ДЭ «Сжатие по дальности» для обработки ЦРГ с различными видами модуляции зондирующего сигнала (Баркер, М-последовательность, ЛЧМ) рассмотрена в параграфе 2.4.3. Возможность рассмотрения ДЭ «Сжатие по азимуту» как СС подтверждается постулатом дополнительности ТСС, так как СС в рамках данной ориентированной модели можно делить до тех пор, пока сохраняется системный критерий, в нашем случае, вид АФО. Этого постулата достаточно, чтобы реализовать алгоритм, описанный в параграфе 3.3, но так как процедура сжатия по азимуту при отсутствии движения не кажется очевидной, докажем постулат дополнительности для радиотехнической модели РСА в рамках теории синтезирования апертуры. Структура фрагмента математической модели процесса съёмки ЦРГ и синтеза РЛИ в условиях полёта и её декомпозиция для испытаний на стенде приведена на рисунке 3.4.
Фазовые множители в формуле (3.7) при сжатии по азимуту несут различные функции: exp{jg 0(x,y)} — постоянная составляющая начальной фазы, которая в опорной функции сжатия по азимуту может быть опущена; ехруа2( )-х12} - фазовая составляющая, обеспечивающая фокусировку РЛИ; ехрІУа, )- - ]} _ фазовая составляющая, обеспечивающая построение РЛИ точки с координатой (х, у). Вид этого фазового множителя наилучшим образом подходит для реализации сжатия по азимуту методом гармонического анализа.
Воспользовавшись тем, что «фокусирующая» фазовая составляющая не зависит от координат х снимаемых точечных целей, можно представить сжатие по азимуту в виде двух последовательно выполняемых операций:
- каждый столбец равной дальности матрицы траєкторного сигнала, соответствующий координате у, почленно умножается на «фокусирующий» коэффициент, где «строчный» номер элемента в столбце соответствует координате КА хі, в которой произведена съёмка данной строки;
- матрица «сфокусированного» траєкторного сигнала, содержащая линейную фазовую составляющую, обрабатывается методом гармонического анализа.
При испытаниях на стенде (имитация съёмки ОТЦ путём замыкания сигнала через шлейф) фаза принимаемого сигнала постоянна в течение всего сеанса, т.е. а2(у) = 0 и а1(у) = 0. Это означает, что первый этап сжатия по азимуту (фокусировка) является вырожденным, т.е. матрица траєкторного сигнала умножается на тождественно-единичную «фокусирующую» матрицу. Дальнейший же синтез изображения методом гармонического анализа ничем не отличается от штатного. При этом нулевой линейный член показателя в (3.7) как функции от .х/ соответствует тому, что траекторный сигнал при съёмке ЦРГ через шлейф имеет такой же вид, как при съёмке с орбиты имеет траекторный сигнал ОТЦ с нулевой координатой д: (азимутом). Результатом синтеза РЛИ по шлейфовой ЦРГ с постоянной в течение всего сеанса фазовой и временной задержкой должно быть изображение ОТЦ на нулевой азимутальной координате в системе координат синтезированного изображения.
Возможность применения принципа декомпозиции к действующему элементу «СФРЛИ» следует из теории сложных систем. Тем не менее, приведенный в данном параграфе анализ на основе теории РСА подтверждает правомерность описанного выше подхода и корректность методики синтеза изображения на стенде полунатурного моделирования при отсутствии движения носителя.
Результаты моделирования и испытаний
В практике космических РСА традиционно используется зондирующий сигнал с ЛЧМ модуляцией; известен один пример применения двухпозиционной ФМ-модуляции зондирующего сигнала М-последовательностью (дистанционное зондирование Венеры в 1983-84 гг., разрешение 1...2 км). Так как в качестве системного критерия была выбрана функция отклика на ОТЦ, была разработана программа для формирования функции отклика по модели цифровой радиоголограммы. Параллельно была исследована зависимости вида АФО от закона чередования модулирующих последовательностей [63, 78]. Проводилось моделирование радиоголограмм с генерацией М-последовательностей длиной от 255 до 8191 (порядок образующего полинома соответственно 8... 13).
На рис. 4.4 приведен вид моделей ЦРГ с модуляцией М-последовательностью длиной 255 элементов: (а) - без чередования полиномов, (б) - с циклическим чередованием (всего 16 возможных). Показана действительная часть комплекснозначной матрицы ЦРГ: уровни яркости серого соответствуют значениям отсчётов синфазного канала. На рис. 4.4 (в) показана модель ЦРГ с чередованием полиномов по закону случайных чисел.
На рис. 4.4 (г) показана модель ЦРГ с циклическим чередованием полиномов, соответствующая смещению ОТЦ по азимуту на 4,2 элемента разрешения. Способ полунатурного моделирования смещения ОТЦ по азимуту описан в [58, 70].
На рис.4.5 показан вид матриц, полученных после сжатия ЦРГ (рис.4.4) по дальности. Отдельно на рис. 4.6 показан вид боковых лепестков (столбец, соответствующим главному максимуму по дальности, вырезан). На рис. 4.6 (а, б) наблюдается соответственно постоянный в течение всего сеанса (вертикальные полосы) и периодически повторяющийся вид боковых лепестков сжатых по дальности импульсов. На рис. 4.5 (г) видно периодическое изменение действительной составляющей элементов в столбце главного максимума дальности в течение сеанса, что соответствует линейному изменению начальной фазы принятых импульсов.
Вид двумерных функций отклика для ЦРГ, соответствующих рис.4.4 (а - в), представлен на рис. 4.7 (а — в), их боковых лепестков - на рис. 4.7 (г - е).
На графиках рис. 4.8 (а - в) представлены гистограммы амплитуд боковых лепестков двумерной АФО, находящихся вне столбца главного максимума по дальности, для ЦРГ с модуляцией одним полиномом порядка 8 (а), 16 полиномами с периодическим чередованием (б) и случайным чередованием (в). Для каждого случая штрихпунктирной линией показан график плотности распределения Рэлея для амплитуды вектора двумерного гауссовского шума, имеющего СКО, равное СКО боковых лепестков. По горизонтали отображено отношение амплитуды элемента РЛИ в зоне БЛ к СКО боковых лепестков.
Таким образом, математическое моделирование ФЗС позволило провести исследование зависимости вида функции отклика и распределения относительных уровней её боковых лепестков от закона чередования модулирующих последовательностей. Результаты могут быть использованы для предварительного определения шумового эквивалента PC А [63].
На рис. 4.9, 4.10 представлены изображения окрестности главного лепестка АФО, синтезированных по моделям радиоголограмм соответственно с постоянной и линейно изменяющейся в течение сеанса фазой принятых импульсов, в виде трёхмерной поверхности (а), а также их сечения по дальности и азимуту (б, в). Величина имитируемого доплеровского смещения частоты соответствует изменению фазы в течение сеанса на 4,2 периода в сторону опережения, что соответствует смещению имитируемой ОТЦ на 4,2 расчётных элемента разрешения вперёд по направлению движения носителя, и подобрана равной отстройке частоты при проведении эксперимента, описанного ниже (рис. 4.20, а) для удобства сравнения результатов. При моделировании ЦРГ формирование закона изменения фазы осуществлялось путём задания параметров элемента «ФОС». Для более точного определения ширины сечения АФО в программе синтеза применена интерполяция с коэффициентом 4 по дальности (при 2 отсчётах па элемент разрешения в исходной ЦРГ) и коэффициентом 8 по азимуту. Как показывают результаты синтеза, алгоритм сжатия по дальности и азимуту инвариантен относительно расположения имитируемой ОТЦ в системе координат синтезируемого изображения, вид двумерной функции отклика не изменяется при смещении цели по азимуту, расположение максимума соответствует расчётному.
