Повышение эффективности использования радиолокационных средств в системах УВД тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.13, кандидат технических наук Власов, Андрей Юрьевич

• Власов, Андрей Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Власов, Андрей Юрьевич

Введение.

1. Радиолокационный комплекс УВД - как объект эксплуатации.

1.1. Место и назначение радиолокационных комплексов в автоматизированных системах УВД.

1.2. Функциональное применение радиолокационных комплексов УВД в изменяющихся условиях эксплуатации.

1.3. Информативность поляризационных параметров радиоволны.

1.4. Основные характеристики поляризации радиоволн.

Выводы.

2. Влияние мешающих отражений на параметры функционального применения радиолокационных комплексов УВД.

2.1. Изменение поляризационного коэффициента приема при детерминированном изменении угла ориентации (5.

2.2. Изменение радиолокационных характеристик при флюктуирующем угле ориентации эллипса поляризации.

2.3. Радиолокационные характеристики при флюктуирующей высокочастотной фазе и УО.

2.4. Методы анализа помеховой обстановки в процессе использования по назначению радиолокационных комплексов УВД.

Выводы.

3. Оптимизация режима работы радиолокационного комплекса УВД при эксплуатации.

3.1. Оптимизация режима работы РЖ в изменяющихся условиях эксплуатации.

3.2. Расчет эффективности и использования РЖ УВД при наличии мешающих отражений.

3.3. Эффективность использования по назначению радиолокационного комплекса УВД при оптимизации его режима работы.

Выводы.

4. Адаптивные алгоритмы обработки радиолокационных сигналов.

4.1. Постановка задачи.

4.2. Оптимальная фильтрация информационных и сопутствующих параметров сигналов.

4.3. Применение алгоритма "разделения".

4.4. Учет корреляционных связей при оптимальной фильтрации поляризованных сигналов.

4.5. Построение адаптивных приемников в РЖ УВД на основе применения рекурсивных или итеративных процедур.

4.6. Распознавание радиолокационных целей в РЖ УВД с помощью адаптивных методов.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности использования радиолокационных средств в системах УВД»

При непрерывном росте объема авиаперевозок во всем мире увеличивается интенсивность и плотность воздушного движения, что приводит к увеличению числа опасных сближений воздушных судов (ВС), предупреждение которых является составной частью важнейшей задачи гражданской авиации (ГА) - обеспечение безопасности полетов (БП). Для ее решения существует Единая система организации воздушного движения РФ (ЕС ОрВД), которая представляет совокупность взаимосвязанных между собой организационных, технических и технологических элементов. При современных требованиях к регулярности и безопасности полетов задачи, стоящие перед службами управления воздушным движением (УВД), входящими в состав ЕС ОрВД, могут быть успешно решены лишь при широкой автоматизации процессов УВД, что потребовало внедрения в эксплуатацию автоматизированных систем (АС) УВД. При этом процесс управления воздушным движением обеспечивается сложным комплексом различных радиотехнических средств (бортовых и наземных). Весь комплекс радиотехнических средств обеспечения полетов образует информационную подсистему в общей системе УВД. В эту информационную подсистему АС УВД, как составная часть, входят радиолокационные средства, к которым относятся трассовые, аэродромные и посадочные радиолокаторы, включая радиолокаторы обзора летного поля, предназначенные для получения информации о координатах ВС. Различают две основные группы радиолокационных станций (PJIC): первичные и вторичные. Кроме первичных и вторичных PJIC в ГА применяются дополнительно еще и метеорологические PJIC.

Так как PJIC и радиолокационные комплексы (РЖ) УВД являются основным источником информации о воздушной обстановке в системах УВД, качество их работы в решающей степени влияет на показатели функционирования всей АС УВД в целом. Среди указанных выше радиолокационных средств особо выделим трассовые РЖ, которые представляют собой сложные и дорогостоящие технические системы. Сложность трассовых РЖ определяется тем, что в их состав входят следующие функционально связанные подсистемы: собственно радиолокатор, аппаратура первичной обработки информации (АПОИ), подсистема передачи информации (СПИ), вычислительный комплекс (ВК), подсистема отображения информации (СОИ). Каждая из перечисленных подсистем, в свою очередь, представляет достаточно сложную техническую систему. Вследствие этого остро встает проблема повышения эффективности функционального применения трассовых РЖ по назначению. Эта проблема вытекает из объективно существующего противоречия между ограниченностью типажа РЖ и многообразием условий их применения, которые в общем случае изменяются по составу и во времени.

Прежде всего, многообразие условий применения трассовых РЖ определяется наличием большого числа мешающих отражений от местных предметов, подстилающих поверхностей, гидрометеоров и т.д., а также наличием разного рода непреднамеренных помех. В различных регионах страны в разное время года для конкретных метео- и географических условий вид и интенсивность мешающих отражений от указанных объектов изменяется. Также меняются условия возникновения непреднамеренных помех, определяющих их структурные свойства. В то же время расширение типажа РЖ для применения в различных условиях эксплуатации представляется экономически нецелесообразным, поэтому необходимо изыскивать пути их рационального использования в конкретных условиях эксплуатации, и используя дополнительные ресурсы, заложенные в РЖ, но не используемые по тем или иным причинам.

Проблема повышения эффективности использования радиолокационных средств УВД относится и к другим, указанным выше, радиолокаторам, однако наиболее остро она стоит перед трассовыми РЖ. Поэтому в данной работе основное внимание уделяется именно этим РЖ, среди которых на эксплуатации в ГА находятся трассовые РЖ «Утес» (с модификациями), «Скала» (с модификациями). ATCR-22 и т.д. Во всех указанных трассовых РЖ из-за наличия интенсивных отражений от подстилающей поверхности и местных предметов на экране индикатора возникают ложные засветы, ограничивающие возможности использования РЛК. Зона засветов простирается на дальности до 40-90 км в зависимости от типа РЛК. ВС, находящиеся в этой зоне на дальностях до 40-50 км, практически не различаются на экранах индикаторов, а управление ВС на больших расстояниях значительно затруднено.

Среди перечисленных радиолокационных средств УВД был упомянут радиолокатор обзора летного поля (ОЛП), предназначенный для наблюдения за ВС с высоты ниже 50 м, их движением по взлетно-посадочным полосам (ВПП) и рулежным дорожкам, а также для контроля за перемещением в зоне движения ВС на земле в условиях видимости по III категории ИКАО. Однако PJIC ОЛП работает в миллиметровом (мм) диапазоне длин волн, что делает их резко уязвимыми в случае наличия интенсивных метеообразований на трассе распространения радиоволн. При определенных метеоусловиях (интенсивный дождь, град и т.д.) РЛС ОЛП становятся практически неработоспособными, что ограничивает их применение.

Таким образом, возникает серьезная научная задача повышения эффективности использования действующих РЖ УВД и РЛС ОЛП на основе использования имеющихся в этих радиосредствах ресурсов. К таким ресурсам можно отнести, так называемые поляризационные ресурсы используемых в указанных средствах радиоволн. Использование этих ресурсов может быть наиболее целесообразным именно в борьбе с мешающими отражениями как от подстилающих поверхностей, так и от гидрометеоров.

Целью представленной работы является повышение эффективности функционального применения радиолокационных средств в системах УВД на основе использования поляризационных ресурсов радиоволн.

Поставленная цель достигается путем решения следующих основных задач:

1. Нахождение взаимосвязи между показателями качества процесса УВД и показателями качества функционирования РЛК;

2. Проведение оценки информативности поляризационных параметров принимаемых радиолокационных сигналов с точки зрения решения задач УВД;

3. Разработка методов анализа помеховой обстановки при функциональном использовании РЖ УВД;

4. Разработка методов оптимизации режимов работы РЖ УВД при наличии мешающих отражений от подстилающей поверхности и от гидрометеоров;

5. Разработка адаптивных приемников для РЖ УВД с целью устранения имеющейся априорной неопределенности принимаемой радиолокационной информации.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней:

1. Определена взаимосвязь между показателями качества процесса УВД и показателями качества функционирования РЖ;

2. Дана оценка информативности поляризационных параметров принимаемых радиолокационных сигналов с точки зрения решения задач УВД;

3. Предложены методы анализа помеховой обстановки при функциональном использовании РЖ УВД;

4. Предложены методы оптимизации режимов работы РЖ УВД при наличии мешающих отражений от подстилающих поверхностей и от гидрометеоров;

5. Определена структура построения адаптивных приемников для РЖ УВД с целью устранения априорной неопределенности принимаемой радиолокационной информации.

Практическая значимость работы состоит в том, что результаты позволяют:

1. Анализировать имеющуюся помеховую обстановку при функциональном использовании РЖ УВД;

2. Оптимизировать режимы работы РЖ УВД при наличии мешающих отражений от подстилающей поверхности и от гидрометеоров;

3. Вводить адаптивные методы приема радиолокационной информации при наличии априорной неопределенности;

4. Проводить количественную оценку эффективности использования по назначению РЖ УВД.

На защиту выносятся методы повышения эффективности функционального использования РЖ УВД на основе использования поляризационных ресурсов радиолокационных сигналов.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались на Международной НТК «Гражданская авиация на современном этапе науки, техники и общества» (2006г.) и на межкафедральных семинарах в Московском государственном техническом университете гражданской авиации (2004-2006г.г.).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано шесть работ, из них четыре работы в изданиях, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК для опубликования основных научных результатов диссертаций.

Структура и объем диссертационной работы.

Работа состоит из Введения, четырех разделов, Заключения и списка используемой литературы. Общий объем диссертации составляет 158 стр., включает 30 рис., 2 табл. Список используемой литературы содержит 62 наименования.

Заключение диссертации по теме «Навигация и управление воздушным движением», Власов, Андрей Юрьевич

Основные результаты, полученные в 4-ой главе, следующие:

1. Рассмотрена постановка задачи разработки адаптивных алгоритмов приема радиолокационных поляризованных сигналов для повышения эффективности функционального использования РЖ для систем УВД.

2. Описаны алгоритмы адаптивного приема сигналом, основанные на применении методов фильтрации и процедуры «разделения».

3. Показано влияние наличия корреляционной связи между шумовыми составляющими в каналах поляризационного разнесения, на построение адаптивного приемника.

4. Рассмотрено построение адаптивных приемников в РЖ УВД на основе применения рекуррентных или итеративных процедур.

5. Описан процесс распознавания радиолокационных целей в РЖ УВД на основе применения адаптивных методов.

Полученные результаты позволяют сформулировать следующие выводы:

1. Поляризационные параметры принимаемого сигнала могут быть информационными параметрами, если по их значениям определяются какие-либо характеристики наблюдаемых целей. В другом случае поляризационные параметры могут быть дополнительными (сопутствующими) параметрами, если их определение влияет только на качество приема отраженных радиолокационных сигналов.

2. Для любых видов сигналов, содержащих информационные и сопутствующие параметры, всегда получаем структурную схему приемника, которая содержит оптимальную схему приема для выделения информационных параметров и блок оценки сопутствующих параметров.

3. При учете корреляционных связей между каналами приема разнесенных поляризационных сигналов в структуре оптимального приема изменяются коэффициенты усиления в усилителях, а на вход обработки поступают входные реализации с весами, определяемыми значением коэффициента корреляции, но построение самой структуры не изменяется.

4. В случае невозможности применения адаптивного приема на основе методов фильтрации и «разделения» (по объективным причинам), целесообразно использовать рекуррентные или итеративные процедуры на основе использования отсчетов приходящих реализаций.

5. В случае неизвестности поляризационных параметров при решении задачи обнаружения сигнала или распознавания сигналов, необходимо сначала произвести оценку этих параметров и далее значения этих оценок использовать для решения основных задач.

151

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В представленной работе рассматривались вопросы повышения эффективности функционального использования радиолокационных средств систем УВД, где главное внимание уделялось трассовым РЖ УВД и РЛС ОЛП. Собственно вопросы повышения эффективности рассматривались с точки зрения возможностей использования поляризационного ресурса принимаемых радиолокационных сигналов. Поляризационные характеристики радиоволн являются объективной реальностью и они изменяются в процессе использования РЛС и РЖ по назначению. Однако в большинстве реально функционирующих РЖ эти изменения поляризационных характеристик не фиксируются и не учитываются, хотя такие возможности были проанализированы в работе.

Было отмечено, что проблема повышения эффективности функционального применения трассовых РЖ по назначению объективно вытекает из существующего противоречия между ограниченностью типажа РЖ и многообразием их условий применения, которые в общем случае изменяются по составу и во времени. Проблема повышения эффективности функционального применения РЛС ОЛП по назначению связана с их работой в мм диапазоне длин волн, где важное значение в процессе работы РЛС приобретает наличие гидрометеообразований, существенно ухудшающих характеристики РЛС ОЛП.

Поэтому было показано, что для достижения максимальной эффективности функционального применения как РЖ УВД, так и РЛС ОЛП в изменяющихся условиях эксплуатации (т.е. при изменении помеховой обстановки) должны обеспечиваться условия получения полного соответствия между у jj J-J векторами YPJIKi Yрлс и YPMf YPJ1C. Под этим соответствием понимается знание составляющих векторов YPM и YPJ1C, что можно обеспечить с помощью применения методов поляризационного анализа отраженных радиоволн, и определение составляющих векторов УРЛК и YРлс • Эти составляющие также ищутся с помощью методов поляризационного анализа.

Были получены численные результаты, связанные с ухудшением выходных характеристик РЖ и РЛС при условии изменения поляризационного состояния радиоволны по отношению к исходному. Потери могут достигать до 20 дБ, что недопустимо при эксплуатации. При этом особо важной задачей с точки зрения повышения эффективности функционирования РЖ УВД и РЛС ОЛП является анализ помеховой обстановки, создаваемой гидрометеорами. В этом случае следует задействовать организационный ресурс РЖ, т.к. в современных РЖ предусмотрены возможности получения произвольных видов поляризации получаемых сигналов и это можно использовать для получения полного анализа состояния гидрометеоров.

Было показано, что радиолокационный контраст между ВС и подстилающей поверхностью определяется поляризационной анизотропностью и зависит от вида поляризации облучающей волны. Подбирая соответствующий вид поляризации можно добиться максимального значения радиолокационного контраста. При этом динамический диапазон изменения поляризационного контраста составляет 17 дБ.

Если проводить оптимизацию выбора режима работы РЖ, используя поляризационные свойства радиоволны, то эффективность использования РЖ может вырасти на 20 дБ по отношению к случаю, когда такая оптимизация не проводиться. Кроме того, одновременно при выборе оптимальных режимов работы РЖ УВД размер зоны засвета на индикаторе РЖ уменьшится от 40-50 км до 18-20 км.

Если в РЖ УВД использовать следящую систему за изменением поляризационных параметров приходящей радиоволны и соответствующие поляризационные рассогласования устранить, то эффективность функционирования РЛК УВД увеличится более, чем в 2 раза.

В заключение работы были рассмотрены методы построения адаптивных схем приема радиолокационных сигналов в РЖ УВД в условиях наличия априорной неопределенности, которая присутствует всегда при реальном функционировании РЖ УВД и РЛС ОЛП.

Таким образом, можно сделать вывод, что цель работы, сформулированная во Введении, и заключающаяся в повышении эффективности функционального применения радиолокационных средств УВД по назначению на основе использования поляризационных ресурсов радиоволн, достигнута.

154

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Власов, Андрей Юрьевич, 2007 год

1. Концепция и системы CNS/ATM в ГА. Под ред. Г.А. Крыжановского. -М.: ИКЦ «Академкнига», 2003.

2. Анцев Г.В., Сарычев В.А. Режимы работы авиационных РЛС. Радиоэлектроника и связь, 1993, №4.

3. Аэронавигационная система России- проблемы и пути решения. Сб. трудов 2-го Международного симпозиума «Авиа-2000». М.: ФГУП «Госкорпорация по ОрВД в РФ», 2000.

4. Бочкарев В.В., Крыжановский Г.А., Сухих И.Н. Автоматизированное управление движением авиационного транспорта. Под ред. Г.А. Крыжановского. -М.: Транспорт, 1999.

5. Галабурда В.Г. Единая транспортная система. -М.: Транспорт, 1999.

6. Анодина Т.Г., Кузнецов А.А., Маркович Е.Д. Автоматизация УВД. -М.:Транспорт, 1992.

7. Бакулев П.А., Сосновский А.А. Радиоэлектронные и радионавигационные системы. М.: Радио и связь, 1994.

8. Верещака А.И., Олянюк П.В., Авиационное радиооборудование. М.: Транспорт, 1996.

9. Громов Г.Н., Иванов Ю.В., Савельев Т.Г. Адаптивная пространственно-доплеровская обработка сигналов в РЛС УВД. СПб.: ФГУП ВНИИРА, 2002.

10. Козлов А.И., Сарычев В.А. Поляризация сигналов в сложных транспортных радиоэлектронных комплексах. СПб.: Академия транспорта, 1994.

11. Ноздрин В.И. Прогресс в развитии АС УВД. Сб. «Проблемы безопасности полетов», 1995, №1.

12. Сухонин Е.В. К вопросу о прогнозировании потерь радиоволн в дожде. Радиотехника и электроника. Т.43,1998, №8.

13. Тучков Н.Т. Автоматизированные системы и радиоэлектронные средства УВД. -М.: Транспорт, 1994.

14. Крыжановский Г.А. Организация управления воздушным движением. -М.: Транспорт, 1988.

15. Воробьев В.Г., Константинов В.Д. Надежность и эффективность авиационного оборудования. М.: Транспорт, 1995.

16. Константинов В.Д. Основы технической эксплуатации авиационной техники. М.: РИО МГТУ ГА, 2004.

17. Цукович А.А., Смирнов Н.Н. Управление эффективностью процесса технической эксплуатации гражданской авиации. М.:МИИГА, 1993.

18. Смирнов Н.Н. Основы теории технической эксплуатации JIA. Учебное пособие. - М.: МГТУ ГА, 2001.

19. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.:Наука, 1967.

20. Кузнецов А.А., Дубровский В.И., Уланов А.С. Эксплуатация средств УВД. Справочник. -М.: Транспорт, 1983.

21. Давыдов П.С., Иванов П.А. Экспуатация авиационного радиоэлектронного оборудования. Справочник. М.: Транспорт, 1990.

22. Автоматизированные системы УВД. Справочник. Под ред В.И. Савицкого. -М.: Транспорт, 1986.

23. Новиков B.C. Техническая эксплуатация авиационного радиоэлектронного оборудования. -М.: Транспорт, 1987.

24. Финкелыптейн М.И. Основы радиолокации. М.: Радио и связь, 1983.

25. Ярлыков М.С. Применение Марковской теории нелинейной фильтрации в радиотехнике. -М.: Сов. радио, 1980.

26. Стратанович P.JI. Условные Марковские процессы и их применение в теории оптимального управления. -М.: МГУ, 1966.

27. Тихонов В.И., Кульман Н.К. Нелинейная фильтрация и квазикогерентный прием сигналов. -М.: Сов. радио, 1975.

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

29. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. М.: Радио и связь, 1983.

30. Репин В.Г., Тартановский Г.П. Статистический синтез при априорной неопределенности и адаптации информационных систем. М.: Сов. радио, 1977.

31. Страттанович P.JI. Принципы адаптивного приема. М.: Сов. радио, 1973.

32. Лайниотис Д.Г. Разделение единый метод построения адаптивных систем. -ТИИЭР, 1976, т.64, №8

33. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. -М.: Сов. радио, 1982.

34. Козлов А.И., Логвин А.И., Сарычев В.А. Поляризация радиоволн. М.: Радиотехника, 2005.

35. Акиншин А.Е., Румянцев В.Л., Процюк С.В. Поляризационная селекция и распознование радиолокационных сигналов. Тула., Лидар, 2000.

36. Богородский В.В., Козлов А.И., Канарейкин Д.Б. Поляризация рассеянного и собственного радиоизлучения земных покровов. Л.: Гидрометеоиз-дат, 1981.

37. Богородский В.В., Козлов А.И., Логвин А.И. Микроволновая радиометрия земных покровов. М.: Гидрометеоиздат, 1985.

38. Быстров А.В. Байесовские процедуры при обработке информации от источников различной физической природы в задачах радиолокационного опознавания. Радиотехника, 1998, №1.

39. Гнеденко Б.В. Курс теории вероятностей. М.: Наука, 1988.

40. Селекция и распознавание на основе локационной информации. Под ред. А.П. Горелика. М.: Радио и связь, 1990.

41. Теоретические основы радиолокации. Под ред. В.Е. Дулевича. М.: Сов. радио, 1978.

42. Защита от радиопомех. Под ред В.Е. Максимова. М.: Сов. радио, 1976.

43. Зубкович С.Г. Статистические характеристики радиолокационных сигналов, отраженных от земной поверхности. М.: Радио и связь, 1968.

44. Казаков Е.Л. Радиолокационное распознавание космических объектов по поляризационным признакам. Одесса, 1999.

45. Дистанционные методы исследования морских льдов. Под ред. Козлова. -СПб.: Гидрометеоиздат, 1993.

46. Небатин В.Г. Гришин В.К. Методы и техника радиолокационного распознавания: современное состояние, тенденции развития, перспективы. Зарубежная радиоэлектронника, 1992, №10.

47. Поздняк С.И. Мелитницкий В.А., Введение в статистическую теорию поляризации радиоволн М.: Сов. радио, 1973.

48. Антенны эллиптической поляризации. Под ред. А.И. Шпунтова. -М.: ИЛ, 1961.

49. Радиолокационное оборудование. Под ред. А.А. Кузнецова. М.: Транспорт, 1995.

50. Шеннок К.Э. Работы по теории информации и кибернетике. М.: ИЛ, 1963.

51. Коган И.М. Прикладная теория информации. -М.: Радио и связь, 1981.

52. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и систем. Под ред. Н.М. Царькова. М.: Радио и связь, 1985.

53. Шупяцкий А.Б. Радиолокационное измерение интенсивности и некоторых других характеристик осадков. Л.: Гидрометеоиздат, 1961.

54. Теория и методы электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств. Под ред. Ю.А. Феоктистова. -М.: Радио и связь, 1988.

55. Цветков А.Г. Принципы количественной оценки эффективности радиоэлектронных средств. М.: Сов. радио, 1971.

56. Власов А.Ю. Характеристики обнаружения стохастически поляризованного сигнала. Научный вестник МГТУГА, № 112, серия Радиофизика и радиотехника, М., МГТУГА, 2007, с. 66-67.

57. Логвин А.И., Власов А.Ю. Построение адаптивного приемника поляризованных сигналов для распознавания образов. Научный вестник МГТУГА, № 112, серия Радиофизика и радиотехника, М., МГТУГА, 2007, с. 129-131.

58. Власов А.Ю., Логвин А.И. Адаптивный прием поляризованных сигналов при дистанционном радиозондировании. Тезисы докладов МНТК «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества».-М., 2006, с. 152.

59. Логвин А.И., Власов А.Ю. Характеристики обнаружения линейно поляризованного сигнала. Научный вестник МГТУГА, № 98, серия Радиофизика и радиотехника, М., МГТУГА, 2006, с. 5-9.

60. Логвин А.И., Власов А.Ю. Возможности построения адаптивного приемника поляризованных сигналов. Научный вестник МГТУГА, № 98, серия Радиофизика и радиотехника, М., МГТУГА, 2006, с. 10-12.

61. Степаненко В.Д. Радиолокация в метеорологи. М.: Гидрометеоиздат, 1973.