Содержание к диссертации
Введение
1. Разработка алгоритмов обработки информации в разностно-дальномерных системах произвольной конфигурации 15
1.1. Разработка алгоритмов координатометрии источников радиоизлучения разностно-дальномерными системами произвольной конфигурации 16
1.2. Оценка и анализ точностных характеристик измерения плоскостных и пространственных координат источников радиоизлучения разностно-дальномерными системами произвольной конфигурации 21
1.3. Оценка точностных характеристик многопозиционной системы координатометрии при прерывании работы выносных приемных пунктов 29
2. Синтез адаптивных систем координатометрии и радиотехнического контроля 35
2.1. Методический подход к решению задачи статистического синтеза адаптивных систем координатометрии и радиотехнического контроля 36
2.2. Общая характеристика бортовых источников радиоизлучения и анализ возможных условий функционирования многопозиционных систем координатометрии и радиотехнического контроля 38
2.3. Формирование основных технических требований, предъявляемых к многопозиционным системам координатометрии и радиотехнического контроля 41
2.4. Анализ научно-технических достижений в стране и за рубежом в области создания средств многопозиционных систем координатометрии и радиотехнического контроля 47
2.5. Синтез общей структуры адаптивной многопозиционной системы координатометрии и радиотехнического контроля на основе комбинации известных методов координатометрии 49
2.6. Формирование множества альтернативных вариантов построения адаптивной многопозиционной системы координатометрии и радиотехнического контроля 58
2.7. Выбор рационального варианта структуры адаптивной многопозиционной системы координатометрии и радиотехнического контроля на основе интегрального критерия 61
3. Совершенствование алгоритмов обработки информации в средствах адаптивных угломерно-разностно-дальномерных систем 66
3.1. Особенности обработки сигналов при априорной неопределенности их частотно-временной структуры 66
3.2. Исследование приемного канала с быстрым спектральным анализом на основе имитационного математического моделирования 72
3.3. Анализ особенностей обработки информации в базово-корреляционном модуле 83
3.4. Разработка имитационной математической модели системы первичной обработки информации в базово-корреляционном модуле „ 86
3.4.1. Состав и обобщенная структура имитационной математической модели первичной обработки информации в базово-корреляционном модуле 86
3.4.2. Состав и структура имитатора первичных измерений и признаков источников радиоизлучения 89
3.4.3. Состав и структура блока адаптивных алгоритмов определения координат в базово-корреляционном модуле 90
3.5. Анализ функционирования базово-корреляционного модуля с использованием имитационной математической модели 97
3.6. Многоэтапная обработка информации с учетом траекторных признаков 102
3.6.1. Оптимальное обнаружение источников радиоизлучения с учетом траекторных и сигнальных признаков 102
3.6.2. Алгоритм двухэтапного обнаружения движущихся объектов 110
Заключение 121
Список литературы 127
- Разработка алгоритмов координатометрии источников радиоизлучения разностно-дальномерными системами произвольной конфигурации
- Общая характеристика бортовых источников радиоизлучения и анализ возможных условий функционирования многопозиционных систем координатометрии и радиотехнического контроля
- Формирование множества альтернативных вариантов построения адаптивной многопозиционной системы координатометрии и радиотехнического контроля
- Особенности обработки сигналов при априорной неопределенности их частотно-временной структуры
Введение к работе
Широкое использование радиотехнических устройств в различных областях деятельности создаёт разнообразное по конфигурации и интенсивности электромагнитное поле в каждой точке околоземного пространства. Излучение радиоэлектронных средств может являться мощным информационным источником для функционирования пассивных систем. Кроме того, снижение радиозаметности летательных аппаратов, сложная помеховая обстановка, ужесточение требований к темпу обзора, помехозащищенности, точностным характеристикам и качеству распознавания приводит к необходимости применения, наряду с активными, пассивных информационные системы контроля пространства [1-5].
Такие системы позволяют решать задачи по управлению воздушным движением, обнаружению воздушных объектов, контролю воздушного пространства и выдаче координатной информации активным средствам ПВО. В последнем случае особенно важно отсутствие у системы демаскирующих признаков, по которым могут быть оперативно обнаружены места их дислокации.
Проведенные исследования показали, что в настоящее время разработке и созданию пассивных информационных систем контроля воздушного пространства уделяется большое внимание. В последнее десятилетие прошлого века были разработаны и приняты на вооружение различные пассивные радиосистемы: в США - комплекс "Тимпэк", в Германии - "Хелас", в Израиле - CR-2740A, во Франции - DR-3000, DR-4000, "Алтесс", "Саламандрэ", в Украине - "Кольчуга", в Чехии - "Рамона", "Тамара". В России, так же были проведены большие теоретические исследования в этой области [6-12] и все больше внимания уделяется созданию и внедрению современных средств радио- и радиотехнического контроля.
В России разработана и создана угломерная система (УС) координатометрии и радиотехнического контроля (РТК) 85В6-А «Вега», и ряд других систем. В то же время вопросам создания разностно-дальномерных систем (РДС) в России уделяется крайне мало внимания. РДС определения координат источников радиоизлучения (ИРИ) позволяют даже при небольших базах (в несколько километров) в большинстве случаев определять координаты ИРИ с относительно небольшими ошибками не только по дальности, но и по азимуту. При этом выполненные теоретические исследования посвящены РДС симметричной конфигурации [7,8,13]. В то же время при внедрении многопозиционных систем координатометрии (МСК) в существующие системы и средства контроля воздушного пространства конфигурация РДС будет определяться их дислокацией, а не теоретическими соображениями. Кроме того, при размещении мобильных МСК на местности трудно обеспечить симметричную конфигурацию РДС из-за особенностей ландшафта поверхности, в связи с этим актуальной является задача развития аналитических методов исследования РДС произвольной конфигурации.
Каждый из методов координатометрии (УС, РДС) обладает своими достоинствами и недостатками и ни один из них не позволяет преодолеть противоречия при реализации технических требований к многопозиционным средствам контроля воздушного пространства. Одно из ограничений автономной УС состоит в увеличении необходимых размеров баз при относительно больших СКО
Еще одной особенностью функционирования рассматриваемых МСК является то, что параметры принимаемых радиосигналов априори неизвестны и решение задачи координатометрии ИРИ возможно только после точной оценки параметров сигналов и установления факта обнаружения источника излучения.
В связи с этим целесообразным является рассмотрение возможности построения комбинированной системы, которая позволит реализовать достоинства различных методов определения координат ИРИ и тем самым обеспечить возможность создания адаптивных высокоточных МСК с использование средств радиотехнического контроля с требуемыми техническими характеристиками.
Таким образом, актуальной является задача совершенствования алгоритмов обработки информации в многопозиционных системах и средствах координатометрии и РТК, адаптивных к спектрально-временной и пространственной неопределенности сигналов ИРИ.
Объектом исследования являются многопозиционные системы координатометрии и радиотехнического контроля.
Предметом исследования является адаптивная угломерно-разностно-дальномерная система контроля воздушного пространства с произвольной конфигурацией, методы и алгоритмы ее функционирования.
Целью диссертационного исследования является совершенствование алгоритмов обработки информации в адаптивных системах координатометрии и радиотехнического контроля.
Для достижения поставленной цели сформулирована научная задача, а именно: разработка алгоритмов обработки информации в адаптивных угломерно-разностно-дальномерных системах.
Декомпозиция поставленной задачи в диссертационной работе свелась к рассмотрению совокупности следующих частных логически взаимосвязанных задач:
Разработка алгоритмов координатометрии источников радиоизлучения разностно-дальномерными системами произвольной конфигурации
В пассивных информационных системах контроля воздушного пространства нашли применение триангуляционный (угломерный) и разностно-дальномерный (гиперболический) методы определения местоположения источников радиоизлучения. Идея триангуляции совершенно прозрачна: направление на ИРИ определяется из разных точек пространства, а затем по результатам измеренных пеленгов и известным расстояниям между выносными приемными пунктами определяется дальность до объекта. Принципиальное отличие разностно-дальномерного метода от триангуляции заключается в синхронном приеме сигналов от ИРИ на разнесенных позициях, а определение координат ИРИ осуществляется по разности прихода сигналов на каждую из позиций. Построение и анализ характеристик систем координатомет-рии с симметричным расположением приемных пунктов (симметричной конфигурацией) довольно хорошо изучен [7,8,13]. В то же время с практической точки зрения надо ориентироваться не только на симметричные, но и на несимметричные системы, поскольку в реальных условиях построение симметричной системы не всегда возможно. В этом случае потребуется адаптация пространственной структуры системы к геометрии местности. В связи с этим оценку точностных характеристик различных методов необходимо проводить для произвольных и разноуровневых конфигураций МСК. В связи с тем, что координатометрия и точностные характеристики УС достаточно полно рассмотрены в работах [14,15], сосредоточимся на развитии методов получения и обработки информации в РДС произвольной конфигурации.
Установлено, что РДС определения координат ИРИ позволяют даже при небольших базах (в несколько километров) в большинстве случаев определять координаты ИРИ с относительно небольшими ошибками не только по дальности, но и по азимуту [16]. При этом величина ошибок измерения при фиксированных размерах баз в основном определяется точностью измерения разностей расстояний Rit на независимых базах, точностью привязки приемных пунктов и их числом [16-18].
При выборе числа пунктов ограничивающим фактором является конструктивное усложнение РДС. В этой связи возможное число пунктов в ней колеблется в пределах 3-5. При выборе конфигурации РДС учитывается возможный вид обзора: секторный или круговой. В последнем случае целесообразно использовать симметричную конфигурацию РДС относительно центрального (опорного) пункта. Кроме того, в строго симметричной конфигурации РДС более простым оказывается и алгоритм определения координат ИРИ. Последнее объясняется тем, что уравнения для оценки дальности г и азимута {3 в такой РДС разделяются между собой. Именно для таких систем получено большинство научных результатов, опубликованных в печати [7,8,13]. Вместе с тем, в реальных условиях размещения РДС на местности строгую симметрию обеспечить не представляется возможным. В этом случае уравнения для оценки дальности и угловых координат, как показали выполненные исследования [16-18], оказываются нелинейными, что затрудняет их решение, особенно при числе пунктов приема п 3. Как будет показано ниже, систему нелинейных уравнений в несимметричной РДС можно заменить линейной, если общее число уравнений в такой системе по независимым базам на единицу превышает число неизвестных координат. При этом решение указанных уравнений можно находить применительно как к прямоугольным, так и к полярным координатам. Переход от нелинейной системы уравнений к линейной позволяет относительно просто решать задачи определения координат ИРИ для произвольной конфигурации несимметричной РДС, при неодинаковых базах и их взаимных угловых положениях друг относительно друга. В дальнейшем переход от системы нелинейных к системе линейных уравнений производится применительно к прямоугольным координатам х, у, z, что несколько проще по сравнению с аналогичным переходом применительно к полярным координатам.
Исходной информацией для вычисления координат ИРИ с помощью РДС при этом являются: оценки разности расстояний Rt на независимых базах, а также координаты приемных пунктов хи у,-, г,. Процедуры определения координат ИРИ для типовых симметричных конфигураций РДС рассмотрены в печати [8,13]. Задача заключается в развитии известных методов на РДС произвольной конфигурации с произвольным числом приемных пунктов (рис. 1.1).
Общая характеристика бортовых источников радиоизлучения и анализ возможных условий функционирования многопозиционных систем координатометрии и радиотехнического контроля
Основными характеристиками возможных условий функционирования МСК и РТК VfSiJj, во многом определяющими качество функционирования всей системы, являются характеристики радиоизлучений бортовых ИРИ летательных аппаратов (ЛА) [29-31]. Именно эти характеристики должны быть положены в основу типовых условий функционирования МСК и РТК VofsmJoi}, знание которых требуется в соответствии с первым этапом принятой методики синтеза адаптивной МСК и РТК.
Одним из основных элементов ведения электронной войны и завоевания информационного превосходства являются бортовые радиоэлектронные средства, в том числе средства РЭБ [1,21-26]. В то же время они являются самым уязвимым элементом для пассивных информационных систем. Среди многих видов РЭС наибольший интерес, безусловно, представляют бортовые радиолокационные станции (БРЛС).
Многообразие решаемых БРЛС задач (обзор земной поверхности и воздушного пространства, прицеливания и сопровождения наземных и воздушных целей, решение навигационных задач в течение всего полета) позволяет отнести этот вид РЛС к классу постоянно действующих и перехватываемых средствами радиотехнического контроля. На рис, 2.1 приведена классификация современных РЛС воздушного базирования.
РЛС воздушного базирования подразделяются на бортовые РЛС летательных аппаратов и подъемно-аэростатные. К бортовым РЛС ЛА относятся различные типы РЛС обнаружения воздушных, надводных и наземных объектов, РЛС обеспечения полета на малых высотах (ОПМВ), обзорные РЛС, РЛС управления оружием (УО), многофункциональные РЛС (МФ РЛС), радиовысотомеры (РВ) и допплеровские измерители скорости и сноса (ДИСС) самолета. Обзорные РЛС, в свою очередь, подразделяются на панорамные РЛС обзора земной поверхности (ОЗП) и РЛС бокового обзора (БО).
В процессе полета и скрытного выполнения боевой задачи РЛС могут включаться кратковременно, однако некоторые РЛС работают постоянно. К их числу относятся, например, ДИСС, которые устанавливают на все типы самолетов и вертолетов, и которые работают на излучение в течение всего полета. Радиовысотомеры также устанавливаются практически на все типы самолетов и вертолетов, а также на БПЛА и КР и используются в течение всего времени полета. РВ относятся к слабо потенциальным (по энергетике) РЭС, вследствие чего обнаружение их излучения происходит на относительно близких рубежах. Однако РВ на некоторых СВН (КР, вертолетах) являются едва ли ни единственным источником радиоизлучения. Например, БРЛС ракеты ALKM работает практически на всем протяжении полёта в режиме высотометрии с целью обеспечения полета на малых высотах. МФ РЛС обеспечивают выполнение широкого круга задач и так же значительное время вынуждены работать на излучение. МФ РЛС могут решать задачи обзора воздушного пространства и земной поверхности, управления бортовым оружием и полета на малых высотах. Наиболее используемый диапазон МФ РЛС составляет от 8 до 18 ГГц, причем эти станции имеют довольно высокий энергетический потенциал вплоть до 1,4 109 Вт. Так, например, РЭС Сирано IV-109, устанавливаемая на самолетах Мираж F-1, имеет следующие характеристики: диапазон частот 9,2...9,4 ГГц, энергетический потенциал 1,4 10 Вт. МФ РЛС AN/APQ-164 (В-1В) использует диапазон 8...10 ГГц, а энергетический потенциал станции 1,5 107 Вт.
Практически все самолеты стратегической и тактической авиации оснащены комплексами РЭП индивидуальной или коллективной защиты [25,26]. Причем средства РЭП коллективной и групповой защиты применяются, начиная от рубежа радиолокационного обнаружения, а средства индивидуальной защиты включаются при оценке прямой угрозы конкретному самолету.
Наиболее распространенными средствами РЭП являются станции ALQ-184, ALQ -165 и ALQ-135. Станция ALQ-184 самая распространенная в ВВС США. Она перекрывает частоты от 2 до 20 ГГц и обнаруживает РЛС простого импульсного, импульсно-допплеровского и непрерывного излучения. Станция ALQ-165 перекрывает полосу частот от 1 до 17,5 ГГц, а время ее реакции 0,1...0,25 с. Станция ALQ-135 (V) осуществляет одновременную постановку как непрерывных шумовых, так и дезинформирующих помех большому количеству РЛС с фиксированной и переменной частотами в пределах от 2 до 18 ГГц.
Формирование множества альтернативных вариантов построения адаптивной многопозиционной системы координатометрии и радиотехнического контроля
В синтезированной многопозиционной ситемеме применен многоуровневый принцип уточнения координат ИРИ [36],
Первый уровень основан на триангуляционном параметрическом методе определения координат ИРИ угломерной системой, где производится измерение координат и параметров излучаемых сигналов всех ИРИ, а затем параметрическое их распознавание. В качестве приемных пунктов предложено использовать станции 85В6 «Орион», разнесенные на местности на дальность 30-50 км. Высокая точность (12-15 мин. по угловым координатам и 2-3% от дальности) определения координат ИРИ достигается за счет остронаправленных антенн станции «Орион» и моноимпульсного метода пеленгации сигналов.
Второй уровень высокоточного определения координат ИРИ по углам (3-6 мин) достигается угломерно-разностно-дальномерной системой (УРДС), построенной на БКМ. БКМ представляет собой систему, состоящую из центрального приемного пункта (станции «Орион») и 3-4 вынесенных на 5-6 км более простых приемных пунктов с всенаправленными антеннами (станция «Охота»), Точностные характеристики по дальности несколько хуже, чем в УС, особенно на больших дальностях до излучающего объекта. Алгоритмы работы УРДС зависят от измеренного вида сигнала и закона его модуляции. Такая система хорошо работает по маловысотным и по приоритетным ИРИ, координаты, которых получены от угломерной системы.
Третий уровень представляет собой МСК, построенную на основе УС с вынесенными БКМ в качестве пеленгаторов, где осуществляется высокоточное определение координат ИРИ (1-2 мин. по угловым координатам и 1-2% от дальности). В процессе обнаружения принимаемых колебаний обе системы могут работать автономно или совместно. В последнем случае появляется возможность заметного повышения точностных характеристик по дальности за счет использования более точных пеленгов УРДС по сравнению с СОП. Кроме того, даже относительно грубая информация о дальности, полученная от БКМ, используется при параметрическом координатном отождествлении отметок от ИРИ по "кусочным" пеленгам на этапе их трассовой обработки в УС, что фактически исключает ложные цели.
Структура построения такой системы представлена на рис. 2.2. Такая объединенная система обладает свойствами устойчивости, живучести и гибкости, в зависимости от требуемых характеристик можно менять облик системы, используя тот или иной состав многопозиционной системы. При этом МСК и РТК является адаптивной к различным видам сигналов и решаемым задачам за счет УС и РДС. Выводы: 1. Неопределенность структуры и характеристик излучения ИРИ вызывает необходимость адаптации МСК и РТК как с точки зрения обработки потока сигналов произвольного вида для извлечения координатной и признаковой информации об ИРИ, так и структуры и параметров такой системы в зависимости от требований потребителя. Для решения задачи статистического синтеза адаптивных систем координатометрии и РТК предложен методический подход на основе решения оптимизационной задачи. Физический смысл принятого критерия отбора заключается в максимизации наименьшего на множестве заданных условий функционирования значения вероятности выполнения задачи МСК и РТК по информационному обеспечению потребителя и нахождении минимальной стоимости технической реализации соответствующего варианта построения адаптивной системы. 2. Проведенные исследования показали, что для решения множества задач, ставящихся перед современными ЛА с целью завоевания информационного и технического превосходства, ЛА оснащаются различными видами БРЭС, которые большую часть времени функционируют в широком диапазоне радиочастот со сложной и многообразной структурой зондирующих сигналов. При этом создают широкое информационное разведывательное поле для МСК и РТК. Анализ характеристик конкретных типов БРЭС и обобщенных характеристик бортовых РЛС самолетов зарубежных стран позволил сформировать основные технические требования к МСК и РТК. 3. Выделяются два основных метода получения координатной информации: угломерный и разностно-дальномерный. Проведенное исследование ясно показало достоинства и недостатки каждого из рассматриваемых методов, из чего следует целесообразность разработки комбинированного угло-мерно-разностно-дальномерного метода получения координатной информации о воздушных объектах. 4. Анализ целесообразных способов построения комбинированных МСК и РТК высокой точности, адаптивных к типам и характеристикам при нимаемых радиоизлучений, показал, что наиболее рационально комбиниро 65 вать принципы координатометрии малобазовых УС и РДС и среднебазовой УС, работающей по их пеленгам. При этом адаптивность достигается тем, что в зависимости от ширины спектра принимаемых радиоизлучений в УС используются либо пеленги РДС, либо обычные амплитудные пеленги входящих в РДС СОП. 5. В результате проведенного исследования установлена оптимальная структура построения адаптивной МСК и РТК. В этой системе используется два вида обработки: разностно-дальномерная и угломерная. Разностно-дальномерная обработка производится на основе СОП и трех-четырех ВПМ, которые образуют УРДС. При этом УС строится на основе совокупности разнесенных на местности УРДС. В процессе обнаружения принимаемых колебаний обе системы могут работать автономно или совместно. В последнем случае появляется возможность заметного повышения точностных характеристик по дальности за счет использования более точных пеленгов УРДС по сравнению с СОП. Кроме того, даже относительно грубая информация о дальности, полученная на основе УРДС, в дальнейшем может быть использована на этапе параметрического отождествления на этапе обработки в УС, За счёт принятой комбинации методов координатометрии возможна адаптация МСК и РТК к типам, частотно-временной и пространственной неопределенности принимаемых радиоизлучений.
Особенности обработки сигналов при априорной неопределенности их частотно-временной структуры
Это обеспечивает одновременность появления отметок на всех измерительных базах комплекса при нахождении ИРИ в главном луче антенны ЦГТП БКМ, что существенно снижает вероятность ложных измерений, исключает необходимость проведения дополнительных операций отождествления. Так, например, измерение разности хода шумовых сигналов при превышении выходного сигнала пеленгуемого источника над шумами на 20 дБ при весовой обработке обеспечивается точность измерения ARj не более 3 метров.
Возможности корреляционного измерителя при времени когерентного накопления (до 1 мс) позволяют получить необходимые точности оценки ARi при нахождении в луче СОП до 4-8 помехопостановщиков одинаковой мощности с вероятностью обнаружения не хуже 0,915 [8]. При обработке сигналов импульсных источников излучения предполагается, что в выделенном частотном канале с полосой 20 МГц в луче СОП находится только один ИРИ (условие ЭМС) и отношение сигнал/шум на входах спектрального коррелятора как по каналу ЦПП, так и ВПП составляет не менее 20 дБ на дальности до объекта 300 км. В этом случае структура сигналов на выходе спектрального коррелятора импульсных сигналов аналогична структуре сигналов на выходе знакового коррелятора и при длительности фронтов импульсов до 1 мкс при соответствующем отношении сигнал/шум также можно обеспечить точность оценки запаздывания в единичном измерении не менее трех - пяти метров.
Третий блок модели (3.1) "Предварительная обработка входных данных. Распределение корреляционных измерителей в процессе программного обзора пространства" определяет порядок использования априорной информации от СОП для организации программного обзора пространства и рацио 91
пального выбора измерительных баз для оценки координат: дальности, азимута и угла места выбранного ИРИ, обеспечивающих при круговом обзоре точности, близкие к потенциальным. Так как в БКМ используется универсальный угломерно-разностно-дальномерный метод измерения координат источников излучений, то использование априорной информации о положении луча антенны позволяет выделить относительно линии каждой базы секторы преимущественного использования измерений для оценок дальности, азимута и угла места (рис. 3.15).
Выбор границы секторов зависит от количества измерительных баз и определяется заданной точностью измерения дальности в зоне обзора на границе сектора. Минимизация ошибок измерения пространственного положения ИРИ в нелинейной (не ортогональной) угломерно-гиперболической системе координат может быть достигнута итерационной процедурой. Для ускорения сходимости критерием выбора границ сектора является максимальное приближение поверхностей положения гиперболоидов вращения, проходящих через излучающий объект, к соответствующим поверхностям положения угломерно-дальномерной системы координат (лучи антенн ЦПП и ВПП в азимутальной и угломестной плоскостях). Для обеспечения одинаковости максимально допустимой ошибки измерения дальности при круговом обзоре границы сектора и оценки координат для однобазового модуля выбирается ±45 градусов относительно нормали к базе, проходящей через ЦПП. В двухбазовом БКМ сектор измерения угла места выбирается ±45 градусов относительно линий базы (в предположении, что базы расположены под углом 90 градусов).
В трехбазовом БКМ секторы измерения азимута и дальности выбираются в пределах ±60 градусов относительно нормали к каждой базе, а секторы измерения угла места ±30 градусов относительно линии каждой базы соответственно. Для оценки трех координат принципиальным является измерение косинусов углов в плоскостях линий баз и линии визирования ИРИ (рис. 3.16).
Похожие диссертации на Разработка алгоритмов обработки информации в адаптивных угломерно-разностно-дальномерных системах
