Алгоритмы оценки угрозы столкновения воздушных судов по данным радиолокационного наблюдения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.14, кандидат технических наук Хоанг Хай Шон

• Хоанг Хай Шон
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Хоанг Хай Шон

Введение.

Глава 1. Синтез алгоритмов проверки гипотез об угрозе столкновения воздушных судов.

1.1 Вводные замечания.

1.2 Постановка задачи.

1.3. Оптимальный алгоритм ранжирования гипотез.

1.4. Упрощенные алгоритмы ранжирования гипотез о пересечении траекторий объектов.

1.5. Выводы.

Глава 2. Количественная оценка уровней опасности столкновения

2.1. Вводные замечания.

2.2. Количественные показатели уровня опасности столкновения ВС.

2.3. Определение прогнозируемых точек и моментов максимального сближения траекторий ВС.

2.4. Совместная реализация операций ранжирования ВС и определения уровня опасности их столкновения.

2.5. Выводы.

Глава 3. Анализ эффективности алгоритмов определения опасности столкновения ВС методом имитационного моделирования.

3.1. Постановка задачи имитационного моделирования.

3.1.1. Общая характеристика моделируемого сценария.

3.1.2. Характеристика РЛС предупреждения.

3.1.3. Характеристика алгоритма работы РЛС при решении задачи определения объекта угрозы.

3.1.4. Характеристика защищаемых объектов и проверяемого объекта.

3.1.5. Требования к имитационной модели.

3.2. Алгоритм работы модели.

3.2.1. Основные этапы работы модели.

3.2.2. Работа модели на расчетном этапе.

3.3. Результаты модельного эксперимента.

3.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Алгоритмы оценки угрозы столкновения воздушных судов по данным радиолокационного наблюдения»

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 траекторного сопровождения воздущных 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 таких алгоритмов обработки радиолокационной информации, которые обеспечивают вынесение решений о наличии опасности столкновения наилучшим образом, т.е., задача оптимизации алгоритмов оценки онасности 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 онасности столкновения ВС но 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: 1. Математический синтез оптимального алгоритма ранжирования защищаемых ВС по вероятности их столкновения с проверяемым ВС, 2. Разработка приближенно оптимальных алгоритмов ранжирования защищаемых ВС по уровню опасности их столкновения с проверяемым ВС. 3. Разработка алгоритмов получения количественных оценок уровней опасности столкновения ВС. 4. Анализ эффективности разработанных алгоритмов методами имитационного моделирования. Материалы диссертации состоят из введения, трех

Заключение диссертации по теме «Радиолокация и радионавигация», Хоанг Хай Шон

3.4. Выводы

1. Эффективным инструментом изучения свойств разработанных алгоритмов определения объекта воздушной угрозы является компьютерная имитационная модель. Характеристики алгоритмов могут быть оценены моделированием сценария, включающего два защищаемых объекта. При таком сценарии имеется возможность оценить вероятности как правильных, так и ложных предупреждений защищаемых объектов. Начальным этапом работы модели является этап задания исходных данных. Задаваемыми параметрами являются координаты защищаемых объектов, траектория ВО и его путевая скорость, общие параметры и параметры ФАР РЛС, параметры эксперимента. Предусмотрена подробная наглядная визуализация результатов эксперимента.

2. Оценки вероятностей правильного и ложного предупреждения могут быть получены методом статистических испытаний (метод Монте-Карло).

При этом одиночное испытание представляет собой однократный «прогон» ВО по траектории задаваемого профиля. Ракурс угрозы (угол между плоскостью траектории ВО и прямой, соединяющей защищаемые объекты) выбирается для каждого испытания равновероятно из задаваемого углового сектора (сектора угрозы).

3. Выполненные экспериментальные исследования на компьютерной имитационной модели показали, что разработанные алгоритмы определения объекта угрозы работоспособны и имеют высокую эффективность при реально достижимых точностях первичных измерений РЛС предупреждения, а также при приемлемых значениях времени предупреждения, расстояния между защищаемыми объектами и при произвольном ракурсе угрозы.

4. Достигаемые уровни вероятности правильного предупреждения Рпп и значения времени предупреждения тпр существенно зависят от точности первичных угловых измерений, и от установленного расстояния гдоп. Так, при изменении величины среднеквадратической ошибки аугл от 0,32° до 0,9° значение времени предупреждения с вероятностью 0,9 уменьшается от 160 сек до 130 сек (при г^,, = 800 м).

5. Величина допустимого расстояния гдоп оказывает существенное влияние на достигаемое время предупреждения об опасности при любом значении точности первичных угловых измерений. Так, при изменении гдоп от 200 м до 800 м и значении <тугл = 0,45° достигаемое значение времени правильного предупреждения с вероятностью (0,9.0,95) изменяется в пределах (122.160) сек.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие основные результаты.

1. Показано, что первичным признаком наличия опасности столкновения защищаемых ВС с проверяемым ВС является пересечение траекторий этих ВС на их экстраполированных или сглаженных участках.

2. С использованием аппарата теории многоальтернативной проверки гипотез и принципа максимального правдоподобия выполнен математический синтез оптимального алгоритма ранжирования гипотез о пересечении траекторий защищаемых ВС с траекторией проверяемого ВС по величине апостериорных вероятностей этих гипотез. Оптимальный алгоритм предписывает выполнение ранжирования защищаемых ВС по нормированной величине прогнозируемого кратчайшего расстояния между траекториями защищаемых и проверяемого ВС (прогнозируемого сближения траекторий). Наибольшей опасности подвергается то ВС, которому соответствует минимальное по сравнению с другими ВС прогнозируемое нормированное сближение его траектории с траекторией проверяемого объекта.

3. В предположении равной точности первичных радиолокационных измерений по координатам на основе синтезированного оптимального алгоритма получен приближенно оптимальный алгоритм, предполагающий ранжирование рассматриваемых защищаемых ВС по уровню опасности их столкновения с проверяемым ВС по величине прогнозируемого кратчайшего расстояния между траекториями защищаемых и проверяемого ВС (расстояния сближения траекторий ВС), оцененного по результатам РЛ наблюдения.

4. Предложена совокупность показателей количественного оценивания уровней опасности столкновения защищаемых ВС с проверяемым ВС, включающая в себя:

- прогнозируемое кратчайшее расстояние между траекториями ВС («прогнозируемое сближение траекторий ВС»;

- прогнозируемое расстояние между ВС на момент времени, когда одно из этих ВС достигнет точки максимального сближения их траекторий («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». Иначе данный показатель можно назвать «прогнозируемое время до возможного столкновения ВС»;

- прогнозируемое расстояние между ВС на заданный момент времени.

5. Разработана процедура определения показателей количественного оценивания уровней опасности столкновения ВС по результатам РЛ первичных и вторичных РЛ измерений, основанная на применении алгоритмов линейной фильтрации (сглаживания) и экстраполяции Калмана.

6. С использованием предположения о том, что для истинных объектов угрозы сближения траекторий ВС совпадают с кратчайшими расстояниями между этими ВС, разработан алгоритм ранжирования защищаемых ВС по уровню опасности их столкновения с проверяемым ВС, предполагающий выполнение ранжирования защищаемых ВС по величине их сближения с поверяемым ВС. Отличительной особенностью алгоритма является то, что при его использовании совмещаются операции ранжирования и получения количественных оценок уровней опасности столкновения ВС. Алгоритм обеспечивает экономию вычислительных затрат.

7. Разработана компьютерная имитационная модель сценария защиты ВС от угрозы столкновения, исходящей от проверяемого объекта.

8. Выполнен анализ эффективности разработанных алгоритмов определения объекта воздушной угрозы со стороны проверяемого воздушного объекта методом компьютерного имитационного моделирования. Получены количественные оценки вероятностей правильного и ложного предупреждения об угрозе со стороны проверяемого воздушного объекта в виде зависимостей этих вероятностей от точности первичных радиолокационных измерений, расстояний между защищаемыми объектами и других параметров.

9. В результате проведенного модельного эксперимента показано, что разработанные алгоритмы определения объекта угрозы работоспособны и имеют высокую эффективность при реально достижимых точностях первичных измерений РЛС предупреждения, а также при приемлемых значениях времени предупреждения, расстояния между защищаемыми объектами и при произвольном ракурсе угрозы.

10. Алгоритмы, разработанные в диссертационной работе, могут быть использованы в РЛС, решающих задачи предупреждения наземных объектов об угрозе со стороны воздушных объектов. Результаты анализа эффективности разработанных алгоритмов могут быть использованы для обоснования требуемых уровней точности первичных радиолокационных измерений.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Хоанг Хай Шон, 2007 год

1. Ван Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции: В 3-х т. Пер. с англ./Под ред. В.Т. Горяинова. М.: Сов. Радио, 1977.

2. Сосулин Ю.Г. Теория обнаружения и оценивания стохастических сигналов.- М.: Сов. Радио, 1978.

3. Репин В.Г., Тартаковский Г.П. Статистический синтез при априорной неопределенности и адаптация информационных систем.-М.: Сов. Радио, 1977.

4. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники: В 3-х т. Сов. Радио, 1976.

5. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника.-2-е изд., перераб. и доп. -М.:Радио и связь, 1982.

6. Тихонов В.И., Харисов В.Н. Статистический анализ и синтез ради-технических устройств и систем: Учеб. Пособие для вузов.-М.:Радио и связь, 1991.

7. Бакут П.А., Большаков И.А. и др. Вопросы статистической теории радиолокации. В 3 т. /Под.ред. Г.П. Тартаковского.-М.:Сов. Радио, 1963,1964.

8. Сколник Р. Справочник по радиолокации: Пер с англ. В 4-х т./Под ред.К.Н. Трофимова.-М.: Сов радио, 1976-1979.

9. Лезин Ю.С. Введение в теорию и технику радиотехнических систем: Учебное пособие для вузов.- М.: Радио и связь, 1986.

10. Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех.- М.:Радио и связь, 1981.

11. Бакулев П.А. Радиолокация движущихся целей.-М.: Сов. радио,1964.

12. Н.Т. Василенко. Радиолокационные системы селекции движущихся целей //Итоги науки и техники. Радиотехника, т. 23.-М.: ВИНИТИ, 1980.

13. Свистов В.М.Радиолокационные сигналы и их обработка.- М.: Сов. Радио, 1977.

14. Сосулин Ю.Г. Теоретические основы радиолокации и радионавигации: Учебное пособие для вузов.-М.: Радио и связь, 1992.

15. Обработка сигналов в многоканальных PJIC/ А.П. Лукошкин, С.С. Каринский, A.A. Шаталов и др./ Под ред. А.П. Лукошкина.-М.:Радио и связь, 1983.

16. Защита радиолокационных систем от помех. Состояние и тенденции развития./ Под ред. А.И. Канащенкова и В.И. Меркулова.- М.: Радиотехника, 2003.

17. Информационные технологии в радиотехнических системах: Учебное пособие/В.А. Васин, И.Б. Власов, Ю.М. Егоров и др.; Под ред. И.Б. Федорова,- м.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003.

18. Кузьмин С.З. Цифровая обработка радиолокационной информации.-М.: Советское радио, 1967.

19. Кузьмин С.З. Основы теории цифровой обработки радиолокационной информации.- М.: Советское радио, 1974.

20. Кузьмин С.З. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информации. -М.: Радио и связь, 1986.

21. Фарина А., Студер Ф. Цифровая обработка радиолокационной информации. Сопровождение целей: Пер с англ. М.: Радио и связь, 1993.

22. Быков В.В. Цифровое моделирование в статистической радиотехнике.- М.: Сов. Радио, 1971.

23. Лихарев В.А. Цифровые методы и устройства в радиолокации,- М.: Сов. Радио, 1973.

24. Моделирование в радиолокации/ А.И. Леонов, В.Н. Васенев, Ю.И. Гайдуков и др.; Под ред. А.И. Леонова.- М.: Сов радио, 1979.

25. Ю.А. Евсиков, В.В. Чапурский. Преобразование случайных процессов в радиотехнических устрой ствах.- М.: Высшая школа, 1977.

26. Сейдж Э, Меле Дж. Теория оценивания и ее применение в связи и в управлении: Пер. с англ./ Под ред. Б.Р. Левина.- М.: Связь, 1976.

27. Дж. Медич. Статистически оптимальные линейные оценки и управление: Пер. с англ. / Под ред. A.C. Шаталова.- М.: Энергия, 1973.

28. Теоретические основы радиолокации. Под ред. Я.Д. Ширмана. Учебное пособие для вузов.- М.: Сов. радио, 1970.

29. М.И. Финкельштейн. Основы радиолокации: Учебник для вузов.- 2-е изд., перераб. и доп.- М.- Радио и связь, 1983.

30. П.А. Бакулев, A.A. Сосновский. Радиолокационные системы.- М.: Радио и связь, 1989.

31. Д. Бартон, Г. Вард. Справочник по радиолокационным измерениям: Пер. с англ./ Под ред.М.М. Вейсбейна.- М.: Сов. радио, 1976.

32. Юдин В.Н., Хоанг Хай Шон. Алгоритмы оценки угрозы столкновения ЛА по данным радиолокационного наблюдения «Информационно-измерительные и управляющие системы», 2007г., №

33. Юдин В.Н., Хоанг Хай Шон. Процедура оценки опасности столкновения ЛА по данным радиолокационного наблюдения. // Тезисы докладов 5 Международной конференции «Авиция и космонавтика-2006», Москва, МАИ, 23-26 октября 2006 г., стр. 71.