Методы контроля характеристик радиолокационных средств УВД в автоматизированных системах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат технических наук Миролюбов, Александр Маркович

• Миролюбов, Александр Маркович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Миролюбов, Александр Маркович

Список условных обозначений и сокращений.

ВВЕДЕНИЕ.

1. Методы обработки радиолокационных данных, основанные на алгоритмах вероятностного объединения.

1.1. Введение.

1.2. Рекуррентный алгоритм оценки апостериорных вероятностей.

1.3. Обнаружение неподвижных объектов.

1.4. Обнаружение появляющихся (исчезающих) объектов.

1.5. Отождествление радиолокационных данных методом вероятностного объединения.

1.6. Сброс с сопровождения ложных трасс.

1.7. Оценка качества траекторией обработки по результатам математического моделирования.

1.8. Сглаживание координат при траекторией обработки с помощью процедуры калмановской фильтрации.

Выводы.

2. Применение алгоритма траекторией обработки радиолокационной информации для целей автоматизированного контроля тактических характеристик РЛС.

2.1. Введение. Обзор существующих методик летных проверок радиолокационных средств УВД.

2.2.Расчет потенциальной зоны видимости PJIC.

2.3. Автоматизированный контроль вероятности обнаружения и зоны видимости РЛС.

2.4. Расчет доверительного интервала оценки вероятности обнаружения.

2.5. Оценка интенсивности ложных тревог на выходе РЛС.

2.6. Контроль точностных характеристик и разрешающей способности РЛС.

2.7. Контроль вероятности получения и искажения дополнительной информации по вторичному каналу.

Выводы:.

3. Комплексная оценка радиолокатора.

3.1. Задача оценки характеристик РЛС с точки зрения теории информации.

3.2. Воздушная обстановка.

3.3. Зависимость информационного параметра РЛС от тактических характеристик.

3.3.1. Влияние точностных характеристик PJ1C на информационный параметр.

3.3.2. Влияние периода обновления информации на информационный параметр.

3.3.3. Влияние вероятности обнаружения на информационный параметр.

3.3.4. Влияние вероятности ложных тревог, вероятности прохождения и искажения дополнительной информации на информационный параметр.

3.4. Сравнительные характеристики РЛК.

Выводы.

4. Контроль тактических характеристик и комплексная оценка радиолокационных средств в реальном масштабе времени.

4.1. Автоматизированная система контроля радиолокационных средств (АСК-РЛС).

4.2. Контроль зоны видимости и вероятности обнаружения.

4.3. Контроль интенсивности потока ложных отметок.

4.4. Контроль точностных характеристик и разрешающей способности РЛС.

4.5. Контроль вероятности получения и искажения дополнительной информации.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы контроля характеристик радиолокационных средств УВД в автоматизированных системах»

На сегодняшний день в качестве основных средств управления воздушным движением используются аэродромные и трассовые радиолокационные средства, которые предназначены для радиолокационного обзора воздушного пространства и выдачи информации о воздушной обстановке в целях обеспечения контроля за движением воздушных судов в районе аэродромного и районного центров.

К тактическим характеристикам радиолокационных средств предъявляются высокие требования [20, 59, 60, 74] поскольку от их стабильности и надежности функционирования зависит безопасность полетов воздушных судов. Поэтому необходим постоянный контроль за работоспособностью радиолокационных станций, их тактическими и техническими характеристиками, достоверностью оценки текущей воздушной обстановки.

Под тактическими понимают характеристики, описывающие возможности практического использования PJIC [56]. Основными из них являются зона видимости PJIC, вероятность обнаружения ВС, точность получения координатной информации, вероятность ложных тревог, разрешающая способность, вероятность получения и искажения дополнительной информации.

Технические характеристики станции выбираются так, чтобы реализовать заданные тактические характеристики. К техническим характеристикам относятся длина волны, длительность зондирующего импульса, мощность передатчика, шумы приемника, ширина диаграммы направленности антенны и т.п.

Для контроля воздушной обстановки при управлении воздушным движением используют обзорные первичные и вторичные (обеспечивающие запрос, получение, декодирование и выдачу на аппаратуру отображения координатной и дополнительной информации от ВС, оборудованных ответчиками) радиолокационные станции. Тактико-технические характеристики этих PJ1C регламентированы нормативными документами [74], [14].

Жизненный цикл современной радиолокационной станции состоит из этапов, связанных с ее проектированием, изготовлением и эксплуатацией. Во время каждого этапа жизненного цикла встает задача контроля тактико-технических характеристик как отдельных блоков и узлов, так и станции в целом [18,19,31].

Для оценки характеристик PJIC, как правило, используют два основных метода: расчетный (аналитический) и метод натурных испытаний (летных проверок). Суть расчетного метода состоит в расчетах характеристик PJIC с использованием аналитических соотношений и математических зависимостей, основанных на положениях теоретических основ радиолокации [6, 8, 26, 27, 30, 32, 34, 53]. Данный метод базируется на строгих математических выкладках и широко применяется при проектировании PJIC. Однако этот метод имеет ограниченное применение при эксплуатации PJIC, поскольку он не позволяет учесть всего многообразия факторов, влияющих на характеристики PJIC в реальных условиях функционирования.

Основным методом, с помощью которого можно получить наиболее достоверную информацию о функционировании PJIC и её характеристиках, является метод натурных испытаний [23, 45, 68]. Натурные испытания дают возможность оценить характеристики конкретной станции в реальных условиях эксплуатации.

В состав средств проведения натурных испытаний входят специальные наземные средства (котировочные антенны, измерительные вышки), летные средства (самолеты-лаборатории, различные мишени), средства внешнетраекторных измерений, а также средства регистрации, обработки и отображения результатов испытаний.

Наземные средства обеспечения натурных испытаний PJIC применяют для настройки и измерения параметров антенн [11,21, 29], характеристик передающего и приемного устройств [32], оценки помехозащищенности, контроля юстировки и ряда других характеристик.

С помощью летных средств проводят оценку зоны видимости PJ1C, у У вероятности обнаружения, точностньгё характеристики, помехозащищен / ' ность, а также характеристики вторичных каналов PJ1C, работающих по ответному сигналу. Для решения этих задач самолеты-лаборатории оборудуют аппаратурой измерений координат и их регистрации [23], ответчиками различного назначения и т.п.

Наиболее часто применяемым методом оценки характеристик PJ1C является метод натурных измерений с помощью эталонных вышек и внеземных источников излучения [11].

Измерения с помощью эталонных антенн проводятся на антенных полигонах с ровной подстилающей поверхностью, освобожденной от посторонних предметов и сооружений, что делает этот метод наиболее дорогостоящим и неприемлемым для оценок характеристик PJ1C в период их штатной эксплуатации. Внеземные источники излучения не всегда могут быть использованы. В частности, с помощью шумового радиоизлучения Солнца и Луны невозможно реализовать измерения параметров антенн, применяемых при управлении воздушным движением, так как угловые размеры этих источников соизмеримы с шириной диаграммы направленности антенн. Например, Солнце имеет угловые размеры порядка 32 угловых минут. Кроме того, положение центра излучения внеземных источников не всегда известно с необходимой точностью.

Приведенные выше методы контроля тактико-технических характеристик PJ1C отличает высокая трудоемкость и большие материальные затраты, необходимые для обеспечения их проведения. Эти факторы практически исключают возможность использования отмеченных методов при серийном производстве радиолокаторов и их эксплуатации. Однако, именно на этапе эксплуатации задача контроля тактико-технических характеристик является наиболее актуальной, поскольку от качества радиолокационной информации зависит гарантированный уровень безопасности воздушного движения. Низкие тактические характеристики приводят к потерям и искажениям на выходе PJIC достоверной информации о текущей воздушной обстановки. Это в свою очередь приводит к неполному или искаженному восприятию воздушной обстановки диспетчером воздушного движения.

В 1989 году Министерством гражданской авиации СССР были утверждены программы и методики проверок радиолокационных средств, используемых при управлении воздушным движением [56]. Эти методики были разработаны на основе следующих нормативных документов [14, 15, 16, 17, 46-49], а также инструкции по организации летных проверок наземных средств радиотехнического обеспечения полетов и связи [60] с учетом рекомендаций, изложенных в [55].

Данные методики проведения летных проверок предусматривают ручную статистическую обработку радиолокационной информации, построение таблиц и графиков, что делает ее крайне трудоемкой. Так, например, для того, чтобы подтвердить вероятность искажения дополнительной информации по вторичному каналу на уровне 10"3 (согласно [15]) необходимо провести ручную обработку нескольких тысяч (в зависимости от доверительной вероятности результата) измерений.

Высокая трудоемкость методик летных проверок радиолокационных средств позволяет проводить их в период эксплуатации в полном объеме не чаще одного, двух раз в год, что не согласуется с показателями надежности радиолокационных средств, поскольку среднее время наработки на отказ существующих PJIC составляет от несколько сотен до тысячи часов. Однако, указанные методики летных проверок предусматривают ежесменную комплексную оценку готовности радиолокационного средства для использования в целях УВД [56 п7.11] по результатам контроля (во всех режимах работы PJIC) таких тактических характеристик как зона видимости PJIC, вероятность обнаружения ВС, вероятность прохождения и искажения дополнительной информации, точностные характеристики PJIC.

Необходимость ручного контроля характеристик РЛС предъявляет высокие требования к квалификации и опыту обслуживающего персонала и приводит к высоким эксплуатационным расходам. На основании выше сказанного можно сделать вывод об актуальности задачи автоматизации контроля характеристик радиолокационных средств УВД.

Согласно указанным выше методикам определение тактических характеристик РЛС при летных проверках проводят путем обработки истинных данных о воздушной обстановке и данных, полученных с помощью РЛС. При штатной эксплуатации РЛС отсутствует возможность получения информации о параметрах движения ВС в зоне действия РЛС от внешнетраекторных систем измерения. Поэтому наиболее доступным способом контроля тактических характеристик радиолокационных средств является использование информации, полученной в результате вторичной (траекторной) обработки, которая включает классификацию поступающих радиолокационных отметок на принадлежность конкретным ВС, или ложным сигналам, а также восстановления параметров движения ВС по радиолокационным данным контролируемой РЛС. Методы траекторной обработки были разработаны в исследованиях [3-5,24,27,28, 33, 35-37, 44, 52, 54, 62-66, 70-73, 77-79] для целей непосредственного управления воздушным движением.

Целью диссертационной работы является разработка алгоритмов, функционирующих в реальном масштабе времени и предназначенных для оценки тактических характеристик радиолокационных средств. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать алгоритм траекторной обработки радиолокационной информации, предназначенный для оценки параметров контролируемого радиолокационного средства.

2. Разработать методы контроля в реальном масштабе времени тактических характеристик радиолокационных систем и определить доверительные интервалы полученных оценок.

3. Провести формирование комплексной оценки радиолокационного средства на основе результатов контроля его тактических характеристик.

5. На основе синтезированных алгоритмов разработать программно-аппаратные средства, предназначенные для объективной комплексной оценки характеристик радиолокационных систем.

Основные методы исследования.

При синтезе алгоритмов траекторией обработки р/л информации для целей контроля тактических характеристик PJIC в настоящей работе были использованы теоретические основы радиолокации, методы теории вероятности и математической статистики, методы линейного программирования, методы оптимальной фильтрации. Анализ существующих и синтезированных алгоритмов проводился методом математического моделирования. Комплексная оценка PJIC как информационной системы проводилась на основе анализа остаточной неопределенности состояния (энтропии) воздушной обстановки при получении информации от контролируемой PJIC. Для этой цели были использованы методы теории информации.

Анализ синтезированных алгоритмов и методов проводился методами математического моделирования, а также натурных испытаний в условиях обработки радиолокационной информации, получаемой от локаторов, находящихся в штатной эксплуатации.

Результаты работы.

В результате проведенного исследования были получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

1. Оценка эволюции воздушной обстановки по данным радиолокационного наблюдения с помощью построенной матрицы правдоподобия сведена к задаче о назначении и решена стандартными методами линейного программирования.

2. Определены характеристики алгоритмов оценки тактических характеристик радиолокационных систем УВД, базирующихся на методах траекторией обработки радиолокационных данных.

3. Получена аналитическая зависимость количества радиолокационной информации от тактических характеристик локатора.

Практическая значимость работы определяется прикладной направленностью основных задач и результатов диссертации и состоит в следующем:

- использование разработанных алгоритмов и методов позволяет получать оценку тактических характеристик радиолокационных систем УВД в реальном масштабе времени;

- разработанный в диссертации метод комплексной оценки PJIC позволяет учитывать влияние различных тактических характеристик PJIC на качество радиолокационной информации;

- разработанные алгоритмы и методы могут быть реализованы на средствах вычислительной техники и использоваться в автоматизированных системах.

В результате проведенного исследования разработаны структура, математическое и программное обеспечение программно-аппаратного комплекса «Автоматизированная система контроля радиолокационных средств ИЛЮБ.468213.001», обеспечивающие контроль тактических характеристик радиолокационных средств. Применение разработанных алгоритмов и методов позволяет проводить постоянную объективную оценку характеристик радиолокационных средств.

На основе выполненных исследований и полученных результатов в ходе диссертационной работы сформулированы следующие положения, выносимые на защиту:

1. Синтезированный алгоритм траекторной обработки, основанный на методах вероятностного объединения данных, методах линейного программирования и процедуре калмановской фильтрации, обеспечивает точность восстановления траекторий ВС, необходимую для проведения оценки тактических характеристик PJIC УВД в реальном масштабе времени с заданными показателями качества.

2. Разработанные методы оценки зоны видимости, вероятности обнаружения, интенсивности потока ложных отметок, точностных характеристик, вероятности получения и искажения дополнительной информации по вторичному каналу обеспечивают необходимое качество контроля тактических характеристик радиолокационных средств УВД.

3. Информационный показатель качества радиолокационных систем позволяет формировать комплексную оценку PJIC УВД, которая учитывает влияние различных тактических характеристик на качество радиолокационной информации.

4. Синтезированные алгоритмы оценки характеристик радиолокационных систем могут быть реализованы на современных средствах вычислительной техники и обеспечивают постоянный контроль характеристик радиолокаторов УВД в реальном масштабе времени.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка использованной литературы.

Заключение диссертации по теме «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения», Миролюбов, Александр Маркович

Основные результаты проведенного исследования состоят в следующем.

1. Синтезирован алгоритм траекторной обработки, основанный на методе вероятностного объединения данных, методах линейного программирования и процедуре калмановской фильтрации. Характеристики синтезированного алгоритма позволяют использовать его в качестве метода объективной оценки параметров текущей воздушной обстановки и реализовывать на современных средствах вычислительной техники.

2. Разработан автоматизированный метод оценки тактических характеристик РЛС, основанный на синтезированном алгоритме траекторной обработке и функционирующий в реальном масштабе времени.

3. Проведенный анализ границ доверительных интервалов полученных оценок показал, что полученная точность оценок позволяет использовать синтезированные алгоритмы и методы в системах объективной оценки характеристик радиолокационных средств.

4. Предложен метод комплексной оценки радиолокационных средств на базе информационной модели, учитывающий влияние, вносимое различными тактическими характеристиками, на качество радиолокационной информации.

5. На базе предложенных алгоритмов и методов разработаны, запатентованы и внедрены в серийное производство программно-аппаратные средства, позволяющие решить проблему обеспечения объективной оценки характеристик радиолокационных средств и их комплексной оценки в реальном масштабе времени.

Алгоритмы и методы контроля характеристик РЛС, разработанные в настоящем диссертационном исследований положены в основу серийной аппаратуры автоматизированного контроля РЛС «АСК-РЛС

ИЛЮБ.468213.001». Объективность методов контроля, лежащих в основе автоматизированной системы контроля радиолокационных средств «АСК-PJTC», была подтверждена сравнением полученных результатов с результатами летных проверок, проведенных традиционным неавтоматизированным способом во время приемочных и эксплуатационных испытаний, а также более чем двухлетним опытом эксплуатации этой системы предприятиями аэронавигационного обеспечения на более чем 30 радиолокационных позициях предприятий гражданской авиации Российской Федерации и стран СНГ.

В настоящее время в Российской Федерации и в странах СНГ наметилась тенденция создания укрупненных центров управления воздушным движением [25], в состав которых входит аппаратура мультирадарной и мультисенсорной обработки, обеспечивающая объединение информации от нескольких территориально-разнесенных РЛС, а также информации о положении ВС, полученной с помощью глобальных космических навигационных систем. Включение указанных систем обработки информации в контур УВД и предъявляемые высокие требования к их тактическим характеристикам и показателям надежности выдвигают задачу контроля и оценки характеристик мультирадарных и мультисенсорных систем. Создание алгоритмов и методов, решающих поставленную задачу, может являться дальнейшим развитием результатов, полученных в рамках настоящего исследования.

Заключение.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Миролюбов, Александр Маркович, 2004 год

1. Абрамов J1.M., Капустин В.Ф. Математическое программирование. Л., Изд. ЛГУ, 1981.

2. Автоматизация обработки, передачи и отображения радиолокационной информации/Под ред. В.Г.Корякова. М.: Сов. радио, 1975.

3. Бакут П.А. и др. Обнаружение движущихся объектов. М.: Сов. радио. 1980.

4. Бакут П.А. О теоретико-информационном подходе к задачам статистических решений//Проблемы передачи информации. 1971. № 1. С. 17-32.

5. Вопросы статистической теории радиолокации/П.А. Бакут, И.А. Большаков. М.: Сов. радио, 1963.

6. Бартон Д., Вард Г. Справочник по радиолокационным измерениямЛЛер. с англ. М.: Сов. Радио, 1976.

7. К. Браммер, Г. Зиффлинг. Фильтр Калмана-Бьюси/Пер. с нем. В.Б.Колмановский. М.: Наука, 1982.

8. Таблицы планов эксперимента для факторных и полиномиальных мо-делей/В.З. Бродский, Л.И. Бродский, Т.П. Голикова и др. М.: Металургия. 1982.

9. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Высш. школа, 1999.

10. И. Воронин Е.Н., Нечаев Е.Е. Современные методы антенных измерение/Зарубежная радиоэлектроника. 1984. № 1. С.26-42.

11. Ворочилин В.В., Слукин Г.П., Федоров И.Б. Синтез алгоритмов совместного обнаружения-оценивания траекторий движущихся объектов на основе теории случайных потоков//Сб. тр. МВТУ. 1989. № 540.

12. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Высш. школа, 1977.

13. ГОСТ 21800-81. Системы вторичной радиолокации для управления воздушным движением. М.: Изд-во стандартов, 1981.

14. ГОСТ 25623-83. Аппаратура первичной обработки радиолокационной информации. М.: Изд-во стандартов, 1983.

15. ГОСТ 25653-83. Комплексы радиолокационные для управления воздушным движением. М.: Изд-во стандартов, 1983.

16. ГОСТ 25658-83. Станции радиолокационные обзорные для управления воздушным движением. М.: Изд-во стандартов, 1983.

17. Дмитриевский Е.С., Смирнов O.JI., Федоров И.В. Обеспечение эксплуатационной надежности АРЭО//Надежность и эксплуатация сложных систем: Межвуз. сб. науч. тр./ЛИАП. JI., 1985. Вып. 175.

18. Дмитриевский Е.С. Конструкторско-технологическое обеспечение эксплуатационной надежности авиационного радиоэлектронного оборудования: Учеб. Пособие/ГУАП. СПб., 2001.

19. Добавление В к «Проекту руководства по требуемым навигационным характеристикам для выполнения заходов на посадку, посадок и выле-тов»//Материалы AWOP/16-DP/3./Монреаль. 1997.

20. Зимин Д.Б., Седелков Е.Г. Об ошибках определения характеристик антенн путем измерения распределения поля в раскрыве//Антенны. 1976. Вып. 23. С.72-80.

21. Ильчук А.Р. и др. Алгоритмы автоматического радиолокационного сопровождения целей в режиме обзора//Радиотехника. 1999. № 20, С.3-21.

22. Испытания РЛС (оценка характеристик)/Под. ред. А.И. Леонова. М.: Радио и связь. 1990.

23. Концепция модернизации и развития Единой Системы организации воздушного движения Российской Федерации (Постановление Правительства РФ от 22.02.00 №144)//Собрание законодательства РФ. 2000. №9. Ст. 1034.

24. Справочник по теории вероятностей и математической статистике/ B.C. Королюк, Н.И. Портенко, А.В. Скороход и др. Киев: Наук. Думка, 1978.

25. Кузьмин С.З. Цифровая обработка радиолокационной информации. М.: Сов. Радио, 1967.

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

27. Курочкин А.П. Состояние перспективы развития методов измерений внешних параметров антенн//Антенны. 1982. Вып.30. С. 46-64.

28. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. М.: Радио и связь, 1989.

29. Левин Б.Р. Теория надежности радиотехнических систем. М.: Сов. радио, 1978.

30. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. М.: Радио и связь, 1984.

31. Льюинг Л. Идентификация систем. Теория для пользователей. М.: Наука, 1991.

32. Майзельс Е.Н., Торгаванов В.А. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей. М.: Сов. радио, 1972.

33. Меркулов В.И., Бирюков П.А. Алгоритмы вторичной обработки радиолокационных сигналов в информационно-вычислительных системах. М.: ВВИА им. Н.Е.Жуковского, 1998.

34. Меркулов В.И., Халимов Н.Р. Обнаружение маневров цели с коррекцией алгоритмов функционирования систем автосопровожде-ния//Радиолокационное сопровождение интенсивно маневрирующих воздушных объектов: науч.-техн. серии ИПРЖР. М.:, 1999. Вып.1.

35. Миролюбов A.M. Автоматизированные системы контроля радиолокационных средств: Методические материалы/ ГУАП, ИЭТГА. СПб., 2002.

36. Миролюбов A.M. Влияние тактических характеристик РЛС на количество радиолокационной информации//Труды VIII международной науч.-техн. конф. «Радиолокация, навигация, связь», г. Воронеж, 2002. Т.З. С. 1609- 1615.

37. Миролюбов A.M. Метод вероятностного объединения данных с апостериорной коррекцией трасс//Повышение эффективности радиоэлектронных средств РВиА СВ: сб. докл. НТС, Михайловский артиллерийский университет, СПб., 2002. №21.

38. Миролюбов A.M. Методы фильтрации и обработки радиолокационных данных, основанные на алгоритмах вероятностного объедине-ния/'/Материалы VI науч. сессии аспирантов. ГУАП: СПб. 2003. Ч. I, техн. науки, С.110-111.

39. Миролюбов A.M. Информационные характеристики радиолокационных систем//Материалы VI науч. сессии аспирантов. ГУАП: СПб. 2003. Ч. I, техн. науки, С. 112-114.

40. Миролюбов A.M., Монаков А.А. Траекторная обработка на основе метода вероятностного объединения данных/Юборонная техника. 2003. №9. С.38-41.

41. Морозов В.Г., Усков В.А. Характеристики обнаружения квантовых сигналов//Радиотехника и электроника. 1971. № 1. С.45-53.

42. Натурный эксперимент/Н.И. Баклашов, А.Н. Белюков, Г.Н. Солодихин и др. М.: Радио и связь, 1982.

43. НГЭА СССР-87. М.: Изд-во стандартов, 1987.

44. НГЭО-81. М.: Изд-во стандартов, 1981.

45. НТЭРТОС ГА-86. М.: Изд-во стандартов, 1986.

46. НСД ГА-81. М.: Изд-во стандартов, 1981.

47. Первачев С.В., Перов А.И. Адаптивная фильтрация сообщений. М.: Радио и связь, 1991.

48. Перельман И.И. Оперативная идентификация объектов управления. М.: Энергоатомиздат, 1982.

49. Перов А.И. Оптимальная оценка дискретных процессов с идентификацией измерений//Радиотехника. 1978. № 7. С.39-47.