Методы получения радиолокационной информации. Задачи обработки радиолокационной информации Вторичная обработка радиолокационной

ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ВТОРИЧНОЙ ОБРАБОТКИ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ

Учебное пособие к лабораторной работе

ВТОРИЧНАЯ ОБРАБОТКА

РАДИОЛОКАЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ.

Введение
Обработку радиолокационной информации делят на первичную и вторичную. Устройство первичной обработки решает задачи обнаружения и измерения координат (дальности, азимута и угла места) мгновенного положения цели относительно РЛС в каждом периоде обзора .

Координаты мгновенного положения как истинных, так и ложных целей в цифровом виде поступают в устройство вторичной обработки, в котором на их основе определяется местоположение каждой обнаруженной цели в избранной системе координат, в результате чего формируются отметки х , которые могут быть истинными и ложными. Отметка – совокупность кодов дальности, азимута и угла места в определенный дискретный момент времени.

Одна отметка, полученная в каком-либо обзоре, не позволяет принять решение о наличии цели в зоне обзора, так как могла быть ложной, по ней нельзя судить о траектории движения цели.

В устройстве вторичной обработки на основе отметок , полученных в n соседних обзорах, решаются следующие основные задачи:

Обнаружение траекторий целей,

Сопровождение траекторий целей,

Траекторные расчеты в интересах потребителей радиолокационной информации.

Эти задачи включают в себя оценивание параметров траектории, задаваемой обычно векторной функцией, расчет сглаженных (интерполированных) и упрежденных (экстраполированных) координат, а также операцию стробирования отметок целей. Вторичная обработка информации осуществляется автоматически, с помощью ЦВМ.

Рассмотрим один из способов автозахвата траектории цели на примере двухкоординатной РЛС. Пусть с устройства первичной обработки переданы координаты обнаруженной цели и сформирована отметка x 1 , не принадлежащая ни одной из ранее сопровождаемых траекторий. Эту отметку принимают за начальную отметку траектории цели. Поскольку РЛС предназначена для сопровождения объектов определенного класса (например, самолетов), то известны минимальная V min и максимальная V m а x скорости цели. Поэтому можно выделить область S 2 в виде кольца с центром в первой отметке и с радиусами R min =V min T обз и R m а x =V m а x T обз, в пределах которой может находиться цель в следующем обзоре, см.рис.1. Операция формирования области называется стробированием, а сама область - стробом.

Если в строб S 2 во втором обзоре попадает отметка x 2 , то происходит завязка траектории, причем, если таких отметок несколько, то каждую из них рассматривают как возможное продолжение траектории. Если в строб не попадает ни одной отметки, то происходит сброс. Критерий завязки траектории в этом случае "2/2".

По двум отметкам можно определить направление движения и среднюю скорость цели
, затем рассчитать возможное положение отметки в очередном (третьем) обзоре. Определение положения отметки в следующем обзоре называется экстраполяцией.

На этапе автозахвата траектории принимается простейшая гипотеза о прямолинейном и равномерном движении цели. Экстраполированные значения координат вычисляются по формуле:

.

Вокруг экстраполированной отметки образуется круговой строб S 3, размеры которого определяются погрешностями измерения положения отметки цели
и погрешностями расчета положения экстраполированной отметки
:

Факт попадания очередной получаемой отметки в строб проверяется путем сравнения разности координат полученной x i и экстраполированной x э i отметок с размерами полустроба:

.

Если в строб S 3 в третьем обзоре попала одна отметка, она считается принадлежащей обнаруживаемой траектории. Процесс продолжается. Если ни одной отметки не попадает в строб, то траектория продолжается по экстраполированной отметке, но размеры строба увеличиваются.

При обнаружении траектории маневрирующего объекта размеры стробов должны рассчитываться с учетом возможного маневра. Размер строба непосредственно влияет на показатели качества обнаружения траектории. Его увеличение приводит к увеличению числа ложных отметок в стробе, в результате возрастает вероят­ность ложного обнаружения F АЗ. Уменьшение размера строба может привести к непопаданию истинной отметки в строб, при этом сни­жается вероятность правильного обнаружения D АЗ.

При гауссовском распределении погрешностей измерения коор­динат и ошибок экстраполяции для обеспечения заданной вероят­ности попадания отметки в строб его форма должна совпадать с эллипсом ошибок; при обнаружении траектории в пространстве строб - эллипсоид ошибок . Однако формирование таких стробов сопряжено с большими вычислительными затратами, и на прак­тике ограничиваются формированием стробов такой формы, ко­торая удобна для вычислений в принятой системе координат. При этом образуемый строб должен охватывать эллипс (эллипсоид) ошибок.

Траектория считается обнаруженной, если выполняется критерий обнаружения. Структурная схема алгоритма автозахвата траектории представлена на рис.2, жирными стрелками показаны линии связи, по которым передается информация в виде кодов, по остальным линиям связи передаются «нули» и «единицы», соответствующие отсутствию и наличию отметки в стробе в i -м обзоре.

При автозахвате траекторий используются критерии Неймана-Пирсона, Байеса и Вальда. Алгоритм автозахвата может быть получен методом отношения правдоподобия. Например, при использовании критерия Байеса оптимальная процедура автозахвата сводится к формированию отношения правдоподобия Λ и сравнению его с порогом Λ 0:

P 0 и P 1 - априорные вероятности отсутствия и наличия траектории соответ-ственно,

С 01 и С 10 - стоимости ошибок: ложного захвата траектории и пропуска траекто-рии соответственно.

Стоимости правильных решений приняты равными нулю. При этом минимизируется величина среднего риска , где F АЗ и D АЗ - вероятности ложного автозахвата и правильного автозахвата траектории цели соответственно.

Большие выигрыши во времени автозахвата получаются при использовании последовательного анализа (критерия Вальда) , когда отношение правдоподобия формируется по мере поступления каждой i -й отметки и сравнивается с двумя порогами:
и
:
.
При превышении верхнего порога выносится решение d 1 - траектория обнаружена; если  меньше нижнего порога, то выносится решение d 0 - траектория не обнаружена. Если же
,
то принимается решение d п о продолжении испытаний: производится (i+1) -й обзор, и описанная процедура повторяется. При этом решение в среднем принимается менее, чем за n обзоров.
Обозначим через { δ i , i =l, 2, ...} последо­вательность нулей и единиц, соответствующих отсутствию или на­личию отметок в стробах, формируемых в процессе обнаружения траектории:

при наличии отметки в стробе на i -м шаге;

в противном случае.

δ i =

Отношение правдоподобия на k-м обзоре

,

путем логарифмирования упрощается:

.

Тогда алгоритм обнаружения траектории при использовании критерия Вальда

сводится к добавлению к сумме "веса"
, если δ i =1 и вычитанию "веса"
, если δ i = 0 , и сравнению суммы в порогами lnΛ Н и lnΛ В.

При этом выигрыш по сравнению с обнаружителем Неймана-Пирсона составляют во времени обнаружения истинной траектории приблизительно е АЗ =D АЗ, а во времени обнаружения ложной траектории
.

Однако, для упрощения устройств обнаружения траекторий используют неоптимальные алгоритмы, например, k/m. Так, при использовании критерия «4/5» для обнаружения траектории необходимо, чтобы после завязки траектории по критерию «2/2» еще хотя бы 2 отметки в трех последующих обзорах попали в строб (критерий подтверждения траектории "2 из 3"). Обнаруженная траектория передается на сопровождение. Если подтверждения не происходит, траектория сбрасывается.

Вероятностью обнаружения истинной траектории D АЗ;

Вероятностью обнаружения ложной траектории F АЗ;

Средним временем автозахвата истинной траектории T СР АЗ;

Средним временем автозахвата ложной траектории Т СР ЛЗ.

Для расчета этих характеристик используется аппарат цепей Маркова.

Применим математический аппарат цепей Маркова к анализу устройства (автомата) захвата, работающего по следующему алгоритму: завязка траектории производится по критерию "2/2", а обнаружение фиксируется, если отметка попадает в строб хотя бы в одном из трех следующих обзоров после завязки траектории (критерий подтверждения "1/3"). Таким образом, критерий обнаружения траектории может быть назван "2+1 из 5", т.е. "3 из 5".

Считаем, что на вход устройства захвата в очередном обзоре поступает "единица", если отметка цели попадает в экстраполированный строб, и "нуль", если отметка не попадает в этот строб.

Возможные комбинации "нулей" и "единиц" в течение m циклов обзора определяют состояния автомата. Составим таблицу состояний автомата захвата для критерия "3 из 5":
№ состояния комбинации "0" и "1" характерные состояния

1 11 -завязка траектории

3 111,1101,11001 -автозахват

5 11000 -сброс траектории
По таблице состояний строится граф, см. рис. 3. В узлах графа указаны состояния автомата. Над ребрами графа указаны вероятности перехода из состояния в состояние, причем принято, что попадание отметки в строб (появление "единицы" на входе автомата) происходит с вероятностью р , а отсутствие ее в стробе (появление "нуля" на входе автомата) - с вероятностью q .

Переход системы из состояния в состояние зависит:

От того, в каком состоянии находится автомат в данный момент,

От текущего входного воздействия ("единица" или "нуль" на входе). Следовательно, состояния автомата образуют простую цепь Маркова.

Вектор начальных состояний (в нашем случае - после второго обзора, чем и определяется индекс) -

показывает, что с вероятностью произошла завязка траектории по критерию "2/2", с вероятностью
завязка траектории отсутствовала, что соответствует сбросу траектории, а остальные состояния автомата к началу третьего обзора невозможны.

Матрица вероятностей переходов легко составляется на основе графа:

,

где номер строки соответствует номеру состояния, из которого переходит автомат, а номер столбца показывает, в которое состояние переходит автомат.

Можно определить векторы состояний автомата в 3,4 и 5 обзорах:

,

И т.д.
Рассчитанные векторы состояний для 3,4 и 5 обзоров имеют вид:

,
,
.
Сумма вероятностей по строке при этом равна единице.

Третий элемент вектора состояний дает значение вероятности автозахвата траектории за соответствующее число циклов обзора:

,

,

.

Поскольку р есть вероятность попадания отметки в строб, то по своему физическому смыслу р соответствует вероятности правильного обнаружения цели в стробе автозахвата D стр, а q = 1- D стр. На рис.4а построена зависимость вероятности автозахвата от номера обзора при разных вероятностях правильного обнаружения в стробе D стр. Видно, что с увеличением номера обзора вероятность автозахвата D АЗ возрастает, причем D АЗ тем больше, чем больше D стр.

Вероятность ложного автозахвата определяется тем же соотношением, с той лишь разницей, что р есть вероятность ложной тревоги в стробе автозахвата F стр, а q = 1- F стр.

Зависимости вероятности ложного автозахвата от номера обзора при разных вероятностях ложной тревоги в стробе приведены на рис.4б.

Вероятности D стр и F стр вычисляются по формулам:

D стр =D ; F стр =MF ,

где D и F - вероятности правильного обнаружения и ложной тревоги в элементе разрешения при первичной обработке, М - число элементов разрешения в стробе.

D АЗ (n) при D стр =0,8
D АЗ (n) при D стр =0,9

F АЗ (n) при F стр =

F АЗ (n) при F стр =

рис.4,а рис.4,б

Процесс автозахвата будем рассматривать в тех же предположениях, т.е. за начало автозахвата принимается наличие двух единиц подряд. Появление нулей и единиц на следующих шагах (циклах обзора) должно привести либо к пересечению верхнего порога "автозахват", либо нижнего порога "сброс". Между моментами появления комбинации "11" и пересечением верхнего или нижнего порога процесс переходит на каждом шаге в то или иное состояние. Поскольку появление на входе устройства нулей и единиц носит случайный характер, процесс перехода устройства из одного состояния в другое эквивалентен случайным "блужданиям". При этом плоскость, на которой происходят блуждания, принято называть "плоскостью случайных блужданий".

Траекторию блуждания процесса на плоскости можно рассматривать как движение (блуждание) некоторой точки, которую обычно называют "изображающей" точкой. Таким образом, весь процесс автозахвата можно представить графически. При этом расчет характеристик качества работы устройства автозахвата значительно упрощается и составления матриц в этом случае не требуется.

На рис.5 изображен график случайных блужданий для критерия "3 из 6". По оси ординат отложены номера шагов (циклов обзора), а по оси абсцисс - число нулей в имеющейся комбинации.

Вычисленные вероятности автозахвата на конкретном шаге позволяют определить, путем суммирования, вероятности автозахвата за конечное число шагов. Нетрудно убедиться, что при использовании критерия "3 из 6" вероятность автозахвата за 3 шага (цикла обзора) ; за четыре шага
, за пять шагов и, наконец, за шесть шагов.

Для расчета вероятности правильного автозахвата Dаз как функции числа шагов по-прежнему считаем p = D стр, q =1 - D стр, а для расчета вероятности ложного автозахвата F АЗ принимаем p = F стр, q =1 - F стр (используя те же соотношения).

Для расчета среднего времени автозахвата воспользуемся известной формулой математического ожидания:

,

где вероятности P l (на конкретном l -м шаге) должны удовлетворять условию нормировки:

,

т.е. соответствовать полной группе событий.

Легко убедиться в том, что события "автозахват произведен на l -м цикле обзора" при l от k до m для любого критерия вида "k из m" не образуют полной группы. Поэтому для вычисления Т необходимо произвести нормировку. Для критерия автозахвата "k из m" нормировка осуществляется следующим образом:

Тогда для критерия "3 из 6" среднее время автозахвата вычисляется по формуле:

,
где
.

Для расчета среднего времени правильного автозахвата T СР АЗ подставляем p = D стр,

q =1 - D СТР, а при расчете среднего времени ложного автозахвата T СР ЛЗ:

p = F стр, q =1 - F стр.

Результаты расчета вероятностей правильного и ложного обнаружения траектории, а также среднего времени автозахвата по предлагаемой методике с использованием "плоскости случайных блужданий" полностью совпадают с расчетом, основанным на применении аппарата дискретных цепей Маркова.

Пусть в результате сопровождения селектированы отметки . На основе этих отметок, полученных с ошибками, необходимо вырабатывать непрерывные данные о траектории (сглаживание или интерполяция), а также определить параметры траектории с возможно меньшей ошибкой.

Обычно траектория цели задается полиномом -й степени (сглаживающая функция) для каждой из координат (дальности, азимута и угла места). Например, для координаты дальности:

,
степень которого зависит от маневренности цели. Коэффициенты полинома
, имеющие смысл дальности r 0 , скорости V r , ускорения a r и т.д. подлежат оценке.
Оценка параметров траектории может быть произведена методом максимума функции правдоподобия, при этом роль помехи играют ошибки измерения координат, распределенные нормально с нулевым средним значением.

Функция правдоподобия отселектированных отметок
опре-деляется n -мерной гауссовской плотностью вероятностей
.

Логарифмируя
и определяя частную производную по каждой из оцениваемой величин
, составляется система уравнений правдоподобия:

На этапе первичной и вторичной обработки, как известно. осуществляется обработка информации только от одной радиолокационной станции (РЛС). Для управления огневыми средствами с помощью АСУ необходимо иметь информацию о целях в пределах достаточно большого пространства, что не может быть обеспечено одной РЛС. Получение информации возможно, только путем создания единого радиолокационного поля с помощью нескольких РЛС. Поэтому возникает задача обработки радиолокационной информации, полученной от нескольких РЛС.

Обработка радиолокационной информации, поступающей от нескольких РЛС, называется третичной обработкой информации (ТОИ).

Для выполнения своих задач радиолокационные станции располагаются на местности в определенный боевой порядок. Зоны видимости РЛС образуют радиолокационное поле. При этом РЛС могут быть так расставлены, что их зоны видимости будут перекрываться полностью или частично (рис. 4.1). Радиолокационные поля с перекрытием зон видимостей обеспечивают лучшие условия для наблюдения за целью, однако требуют большего количества радиолокационных, средств. При этом сведения об одной и той же цели могут поступать одновременно от нескольких станций. В идеальном случае такие отметки целей должны накладываться одна на другую.

Однако практически совпадения не наблюдается из-за систематических и случайных ошибок в измерении координат целей, различного времени локации, а также из-за ошибок, возникающих при учете параллакса между точками стояния РЛС и пунктом третичной обработки при приведении координат целей к единой системе. Последнее является обязательным условием третичной обработки, так как все РЛС определяют координаты целей в своих системах координат, что не позволяет производить объединение информации.

Рис. 4.1. Горизонтальное сечение зон обзора

В общем случае несовпадение отметок и траекторий может быть или по причине ошибок измерения координат целей и различного времени локации, или же потому, что имеется несколько целей, создающих эти отметки и траектории. Раскрытие, этой неопределенности, т. е. решение вопроса, сколько целей находится в действительности в контролируемой зоне, является главным вопросом третичной обработки.

В целом на данном этапе обработки информации решаются следующие задачи:

Сбор донесений, поступающих от источников информации (РЛС);

Приведение отметок цели к единой системе координат;

Приведение отметок к единому времени отсчета;

Отождествление отметок, т. е. принятие решения о принадлежности их к определенным целям;

Осреднение координат нескольких отметок одной цели с целью получения более точных ее координат.

Часто, особенно в сложной воздушной обстановке, дополнительно возникает при третичной обработке задача укрупнения информации. Устройства третичной обработки сравнительно просто реализуются специализированными электронными вычислительными машинами (ЭВМ).

Рассмотрим более подробно содержание перечисленных задач.

Единичные отметки, являющиеся результатом первичной обработ­ки радиолокационной информации, дают лишь приближенные сведения о действительном положении целей. По одиночной отметке нельзя при­нять решение об обнаружении траектории и тем более оценить такие параметры, как скорость, курс, ускорение цели и т.д.

Вторичная обработка информации о воздушной обстановке состо­ит в обнаружении траекторий целей по данным нескольких обзоров станции. Основными ее задачами, кроме того, являются: оценка па­раметров движения целей; вычисление координат текущего и упреж­денного положений целей; привязка вновь полученных отметок к об­наруженным траекториям (трассам).

При вторичной обработке информации используются алгоритмы, полученные методами математической статистики. Обнаружение и оценка параметров движения целей осуществляются на основе различ­ных гипотез о законах движения целей.

Траектории движения аэродинамических целей (самолетов, кры­латых ракет и т.д.) обычно представляются в виде совокупности участников с прямолинейным равномерным движением и участков ма­невра. На всех участках используются полиномиальная модель движе­ния цели.

Считается, что на ограниченном промежутке времени каждая ко­ордината цели изменяется по линейному закону.

Точный закон движения цели в процессе вторичной обработке остается неизвестным. Причиной этого является наличие помех, ко­торыми являются ошибки измерения координат целей РЛС, ложные от­метки и пропуски отметок, случайные флюктуации траекторий относи­тельно генерального курса и др.

В РЛС и АСУ войск ПВО СВ основные задачи вторичной обработки информации решаются приближенными способами с использованием уп­рощенных алгоритмов. Главное требование к таким алгоритмам - это обеспечение необходимой точности сопровождения при минимальном работном времени и минимальной сложности реализации алгоритмов на ЭВМ.

Таким образом, результатом ВОРЛИ является прокладка трассы движения цели. Процесс прокладки трассы обычно выполняется в два этапа: обнаружение траекторий целей и сопровождение траекторий .

Прокладка трассы цели при ВОРЛИ предполагает реализацию следующего алгоритма:

1. Автоматическое обнаружение цели.

2. Завязка трассы (два съема координат цели в соседних периодах обзора РЛС).

3. Вычисление вектора скорости в прямоугольной системе координат:

(3.4)

4. Вычисление положения строба экстраполяции, то есть по результатам определения текущих координат цели вычисление координат области пространства, в которой следует ожидать цель.

5. Отождествление трассы цели.

6. Сброс трассы цели (при отрицательном отождествлении) или сопровождение цели (при положительном отождествлении).

Пункты 1-5 реализуют этап взятия цели на сопровождение, а при условии положительного отождествления трассы цели начинается этап сопровождения.

Выделенные этапы можно пояснить следующим образом.

Предположим, что в зоне обзора станции обнаружена отметка, которая не может быть отнесена ни к одной сопровождаемой траектории (рис 3.8). Она принимается за первую отметку траектории новой цели. В виду того, что за период обзора Т обз цель не может переместиться на большое расстояние, вторую отметку следует ожидать в преде­лах кольца с внутренним R min и внешним R max радиусами, рассчитыва­емыми по каждой из координат по формулам:

, (3.5)

где V min , V mах - минимально и максимально возможные скорости движения сопровождае­мых целей по каждой из координат.

Рис.3.8. Пояснение к процессу завязки трассы цели при ВОРЛИ

При выборе значения скорости V min учитывается, что с ее уве­личением возрастает вероятность необнаружения малоскоростных це­лей (например, вертолетов, аэростатов). В то же время с уменьше­нием V min , в особенности в случаях, когда V min равна нулю, резко увеличивается количество ложных траекторий за счет захвата отра­жений местных предметов. Значение скорости V mах в основном опре­деляется требованиями, предъявляемыми к системе управления зенит­ными комплексами. В окончательных значениях R min и R maх принима­ются во внимание и возможные ошибки обнаружения координат цели радиолокационной станцией. В связи с необходимостью учета большого числа факторов в АСУ предусматривают несколько пар радиусов R min и R max , конкретные значения которых выбираются бое­вым расчетом в зависимости от складывающихся условий (типы сопро­вождаемых целей, позиция РЛС, уровень помех работе станций, точ­ность измерения координат целей и др.).

Кольцо, образованное радиусами R min и R max , имеет площадь S и называется стробом первичного захвата. В очередном обзоре стан­ции в него могут попасть несколько отметок цели, например А 1 ,А 2 ,А 3 . Причем каждая из отметок должна рассматриваться как вторая отметка возможной траектории.

По координатам двух отметок уже можно вычислить составляющие скорости каждой из возможных целей.

Составляющие скорости нужны для расчета ожидаемых (экстраполированных) координат цели в третьем обзоре (на рис. 3.9. экстраполированные положения цели обозначены буквой В ).

Вокруг экстраполированных отметок можно построить новые стробы , которые обычно имеют круговую или прямоугольную форму. Размер стробов определяется в основ­ном исходя из возможных ошибок при экстраполяции и измерении координат отметок и возможным отклонени­ем цели за время Т о от прямолинейного пуска.

Если в какой-либо строб в третьем обзоре попала отметка, то она считается принадлежащей обнаруживаемой траектории. С учетом координат этой отметки уточняются траектории и строятся новые стробы. После выполнения установленного критерия по числу отметок, попавших в последовательно образованных стробов, принимается решение об обнаружении траектории и она передается на сопровождение. Типовыми критериями являются «две из двух», «три из четырех при обязательной второй». Алгоритмы автозахвата по критерию «две из двух» рекомендуется использовать только при работе по низколетящим и баллистическим целям, то есть в условиях острого дефицита времени. В отдельных случаях более выгодным является при­менение алгоритма, основанного на логике «три из четырех при обязательной второй», поскольку он обеспечивает меньшую вероятность захвата ложной траектории. Даль­нейшее увеличение числа анализируемых обзоров нежелательно ввиду возрастания цикла управления АСУ.

Таким образом, в процессе обнаружения траектории выполняются следующие операции: стробирование и селекция отметок в стробе, проверка критерия обнаружения, оценка значений параметров траектории и экстраполяция этих параметров.

Слежение за траекторией цели состоит в последовательной от измерения к измерению привязке к ней вновь полученных отметок и уточнении ее параметров. При автоматическом слежении за траекторией, которое называется автосопровождением, выполняются следующие операции:

Уточнение параметров траектории в процессе привязки новых отметок;

Экстраполяция параметров на момент следующего измерения;

Стробирования зоны возможного положения любых отметок;

Селекция отметок в стробе (при наличии в стробе нескольких отметок).

При попадании в этот строб сопровождения нескольких отметок траектория продолжается по каждой из них. При отсутствии отметки в стробе сопровождения траектория продолжается по соответствующей экстраполированной точке, но очередной строб увеличивается, чтобы учесть возросшие ошибки экстраполяции. Если пропуски отметок в стробах повторяются К раз подряд, траектория прерывается (сбрасывается).

Таким образом, на этапах обнаружения траектории и слежения за ней выполняются фактически одни и те же операции:

Стробирование зоны обнаружения;

Селекция и идентификация отметок в стробе;

Фильтрация и экстраполяция параметров траектории.

В общем случае при принятии решения о сбросе траектории с сопровождения необходимо учитывать не только наличие отметок для ее продолжения, но и ряд других факторов, к которым можно отнести: важность цели; возможности цели изменять свою траекторию в полете; текущие координаты цели; направление ее полета и продолжительность пребывания в зоне обзора РЛС и т.д. Однако учет этих факторов чрезвычайно сложен и не всегда доступен из-за ограниченной производительности вычислительных средств. Поэтому основным критерием при принятии решения о сбросе траектории с сопровождения является появление некоторой пороговой серии Р пропусков отметок в стробах сопровождения. Такой критерий сброса не учитывает индивидуальные особенности каждой траектории, а также не использует информацию о накопленном уровне точности к моменту появления серии пропусков. Единственное существенное его достоинство – простота реализации на ЦВМ соответствующего алгоритма.

§ 3.6. Сбор и обобщение данных о воздушной обстановке (третичная обработка радиолокационной информации)

Данные о воздушной обстановке, поступающие от одного источ­ника, как правило, не знают полной картины о положении и характе­ре действий целей и своих самолетов. Возможности радиолокационной станции по ведению разведки определяются не только ТТХ станции, но и зависят от занимаемой позиции, радиоэлектронного противо­действия противника, технического состояния аппаратуры, уровня подготовленности боевого расчета и других факторов.

Поэтому полное представление о воздушной обстановке можно получить лишь в результате обобщения данных, поступающих от нес­кольких автоматизированных систем РЛС.

Состав и форма представленных данных, поступающих на пункт обработки радиолокационной информации (ПОРИ) в разных системах управления могут су­щественно отличаться.

В этом сообщении наряду с текущими координатами Х,У,Н , со­держится и время локации t л , а также ряд признаков характеризующих цель, точность измерения координат, режимы ра­боты РЛС и системы передачи данных и др.

На ПОРИ производится непосредственно сама третичная обработка радиолокационной информации. Она включает в себя несколько этапов:

Пересчет координат целей и приведение к единой системе координат;

Привязка координат к единому времени;

Отождествление отметок цели;

Усреднение координат.

Обработка поступающих сигналов начинается с распаковки сообщения и записывается в отведенную ему зону памяти оперативного запоминающегося устройства.

Пересчет координат целей в единую систему необходим потому, что каждая РЛС работает в своей системе координат. Началу координат соответствует цент экрана индикатора (точка стояния РЛС).

Пересчет координат позволяет совместить данные нескольких источников и на этой основе решать остальные задачи сообщения обобщенной информации.

Для привязки всех РЛС к единой системе координат приказом старшего начальника назначается условная точка (УТ), относительно которой производится перерасчет точек стояния всех РЛС и ПОРИ (ПУ) (см. рис.3.9). В результате в ЦВС ПОРИ вычисляет координаты целей от­носительно условной точки.

При решении этой задачи ЦВС реализует следующий алгоритм:

Определение координат целей, обнаруженных РЛС 1;

Определение координат целей, обнаруженных РЛС 2;

Определение параллакса ;

Решение системы уравнений векторов.

Рис. 3.9. Пояснение к пересчету координат целей в единую систему

Результатом реализации такого алгоритма являются координаты обнаруженных целей РЛС1 и РЛС2, рассчитанные относительно УТ.

При сборе, обобщении информации о воздушной обстановке в связи с асинхронной работой радиолокационных станций возникает задача приведе­ния данных к единому времени .

При решении этой задачи один источник информации является основным, второй - дополнительным. Каждый источник выдает текущие координаты це­ли (Х,У,Н,V х,V у ). При передаче информации производится задержка данных в каналах связи (t з =0,1-0,01%). Момент поступления информации на ПОРИ t и1 и t и2 фиксируется путем считывания и запоминания показаний электронного счетчика, при этом имеет место запаздывания t зап = t и2 – t и1 . (рис.3.10).

Определение временных интервалов производится относительно импульсов синхронизации ПОРИ.

Чтобы привести данные в единую систему времени производится компен­сация t заn при расчете времени прихода информации от каждой РЛС.

Рис. 3.11. Пояснение к решению задачи отождествления отметок цели

Размер строба отождествления зависит от точности вспомогательного источника информации, наличия пропуска отметок цели, характера движения це­ли (может быть больше, а может быть меньше радиусом).

Далее производится проверка условия попадания целей других источников в эти стробы отожествления. При условии попадания отметки со второй (не основной) станции в строб отожествления, данные этих целей в ЦВМ АСУ усредняются и выдаются на экран в виде одной отметки о цели. Усреднение производится методом расчета среднего арифметического значения по каждой из координат.

Таким образом, результатом всех этапов третичной обработки является созданная в ЦВС динамическая модель воздушной обстановки в границах группировки РТВ, обеспечивающая наиболее полное использование бое­вых возможностей огневых средств ПВО при отражении ударов воздуш­ного противника.

Диаграммой направленности антенны (ДНА) называется график зависимости мощности, излучаемой антенной, от направления излучения. Обычно измеряется на уровне 0,7 (по амплитуде) или 0,5 (по мощности) от максимума излучения. Характеризуется осью диаграммы (равносигнальным направлением) – направление максимума излучения.

Контрольный сигнал «пилот» представляет собой радиоимпульс малой мощности и служит для автоматической настройки коэффициентов усиления приемника.

Параллаксом называется расстояние между двумя объектами – РЛС1 и РЛС2

Назначение РЛС и САРП

РЛС предназначена для обнаружения радиолок объектов, находящихся в пределах дальности обнаружения. Используется в: усл огр видимости, прибрежного плавания, сложных навиг усл.

Принцип действия РЛС

РЛС состоит из 2 частей: сканер (антеннавращающее устр-во, приемо-передатчик) и индикаторное e-во, *прибор контроля излучения.

Структурно-функциональная схема РЛС

Особенности процессов излучения, распространения, отражения и приема радиоволн.

Отражающие свойства объекта зависят от формы, ракурса, материала и тд.

Принцип измерения дальности и направления в НРЛС

Дальности: неподвижные кольца, подвижное кольцо, электронный визир, курсор.

Направления: механический и электронный визир отсчета направлений, отсчет угла (КУ, ИП)

Ориентации изображения в РЛС и САРП Индикации движения «ОД» (относительное движение) и «ИД» (истинное движение); особенности формирования и использования; коррекция данных курса и скорости, вводимых при ИД в индикатор от ГК и ЛАГа.

ОД – все движение относительно моего судна (судно в центре экрана)

ИД – идем по радару как по карте.

Ориентация: курс head-up – влияние рысканий, север north-up – согласование с ГК, курс стабилизированный course-up.

Основные технические характеристики НРЛС (Импульсная мощность, Длина волны излучения, Длительность излучаемых импульсов, Период следования излучаемых импульсов, Ширина диаграммы направленности антенны (ДНА) в горизонтальной и вертикальной плоскостях, Чувствительность РЛС, Диаметр и рабочий диаметр экрана, Диаметр рисующего пятна.

Импульсная мощность – мощность, которая излучается в эфир. В совр РЛС она составляет от ед до сотен кВт. Определяется типом магнетрона, длиной волнового тракта, типом антенного у-ва.

Длина волны излучения – трехсантиметровый (9ГГц) x-band, десятисантиметровый (3ГГц) s-band.

Период следования – период, через который передатчик излучает энергию в пространство, зависит от шкалы дальности.

Ширина диаграммы направленности – горизонтальная ок 30град, вертикальная 1,5град.

Чувствительность – способность обнаруживать малые сигналы (10 в -13 В).

Диаметр и диаметр рабочего экрана – 180, 250, 320мм

Диаметр рисующего пятна – 0,1мм

Основные эксплуатационные характеристики НРЛС (Погрешности измерения координат, Минимальная дальность действия, Минимальная дальность обнаружения, Мертвая зона, Теневые секторы в горизонтальной и вертикальной плоскости, Максимальная дальность действия, Максимальная дальности обнаружения объектов, Влияние загиба земли, Влияние подстилающей поверхности, Разрешающая способность станции по дальности, Разрешающая способность по направлению.

Погрешности измерения зависят от шкалы дальности, настройки РЛС, длителности зонд импульса, составляет 1%

Минимальная дальность: а) действия – миним расстояние, с которого на вход начинают действовать отраженные сигналы, это определяется длит зонд импульса (1мкс = 150м => ничего не видно на 150 м); б) обнаружения – хар-ка, учитывающая длит зонд импульса плюс время восстановления чувствительности.

Мертвая зона – зона, которая определяется высотой установки антенны и шириной диаграммы направленности.

Максимальная дальность: а) действия – дальность, ограниченная периодом повторения импульса, который зависит от мощности и коэфф усиления антенны; б) обнаружения – зависит от высоты установки антенны, вида рефракции, хар-к облучаемого объекта, длины ант-волн тракта и настройки РЛС, является вероятностной хар-кой.

Влияние загиба земли – D = к*(корень(h1)+корень(h2))

Влияние подстилающей поверхности – подстилающая поверхность изменяет коэфф усиления от 0 до 16 раз. На экране РЛС это приводит к синусоидальному изменению яркости сигнала в зависимости от изменения расстояния.

Разрешающая способность станции: а) по дальности – это миним расстояние между 2 точками, при кот возм наблюдать цели раздельно. Зависит от длит импульса и кач настройки станции. Составляет 15-20м; б) по направлению – расстояние между 2 равноудаленными целями, при кот они наблюдаются раздельно. Зависит от ширины диагр напр.

Требования IMO к НРЛС. (Отображение информации, Набор шкал дальности индикатора, Индикация шкал дальности, Вид информации, высвечиваемой на эффективной площади радиолокационного изображения, Многоцветность изображения на экране, Изображение системной электронной карты).

Дальность обнаружения: берег 15М, 5000т 7М, 10м 3М, буй 2М. Миним дальность обнаружения 50м. Индикатор 180, 250, 320мм. Многоцветность допускается, но базовое изобр д.б одного цвета с тонами. Шкалы: 0.25nm, 0.5nm, 0.75nm, 1.5nm, 3.0nm, 6.0nm, 12.0nm, 24nm, 48nm и 96nm. Качка 10-15град не должна приводить к ухудшению изобр. Скорость обращения антенны 20раз/мин. Режим ИД и ОД. Изображение ЭКНИС с 2012, содержание: бер линию, контур безоп глубин для собственного судна, навиг опасности.

Помехи радиолокационному наблюдению, их особенности и опознавание. (Шумы приемника и атмосферы, Помехи соседних РЛС («несинхронные помехи»), Отметки на ложной дальности; режим вобуляции, Помехи из-за многократного переотражения и боковых лепестков; «местники», Помехи от взволнованной поверхности моря; временная автоматическая регулировка усиления (ВАРУ), Помехи от гидрометеообразований; цепочка малой постоянной времени (МПВ). Оптимальные приемы настройки и использования ВАРУ и МПВ.)

Помехи от моря: их в-на уменьшается по мере удаления от судна, на экране засветка 3-4М вокруг, на дальности 1-2М почти одна засветка. Для борьбы с помехой исп-ся ВАРУ (!3 нрафика). Ручка д б настроена так, чтоб на экране были следы от помех, яркость которых меньше потенциальной яркости.

Помехи от гидрометео образований: бывают от любых ГМ образований, борются ручками МПВ (малое подвижное время) – компенсация помех. Либо используется 10см диапазон.

Шумы приемника и атмосферы: на экране хаотичные всплески, интенсивность зависит от уровня усиления, выбор на 2-3 всплеска на 1кв.см ручкой grain.

Помехи от соседней РЛС: крылышко.

Синхронная помеха: спираль.

Синхронная импульсная: сектор в направлении источника.

Ложные цели: а) переотражение (рис переотражение от трубы), б) переотражение от препятствий (длительное наблюдение), в) засчет многократного переотражения (цепочки целей), г) засчет боковых лепестков (дуга из точек), д) засчет токонесущих кабелей, е) засчет сверхрефракции, ж) преднамеренно вводимые помехи.

Средства автоматической радиолокационной прокладки (САРП). (Захват целей на автосопровождение, Варианты захвата ручной и автоматический, Критерии захвата.)

САРП используется как: - ср-во, повышающее безоп мореплавания в р-нах интенсивного судоходства, вблизи берегов, в зонах раздел движения, узкостях, фарватерах, - навигационный датчик, необх судоводителю для правильной оценки ситуации и принятия обоснованного решения для расхождения.

Последовательность действий: получение инф, обнаружение объекта, измерение координат, опред пар-ров движения цели, опред пар-ров встречи, оценка ситуации встречи, планирование маневра, выполнение маневра и его контроль.

Захват: ручной и автоматический (для проверки наличия применяется критерий захвата – кол-во непрерывных последовательных обнаружений цели при последовательных обзорах – 3х3, 5х5, 15х15).

САРП. Первичная обработка радиолокационных сигналов (квантование, фильтрация, обнаружение полезных сигналов, обнаружение и опознавание (классификация) объектов, измерение координат объектов; особенности выполнения, используемые критерии захвата).

1) преобразование сигнала в цифровую форму (квантование, дискретизация, кодирование), 2) внутриимпульсная фильтрация, межобзорная фильтрация, 3) обнаружение полезного сигнала, 4) захват цели на сопровождение, 5) сопровождение цели.

САРП. Вторичная обработка радиолокационной информации: Формуляр

1) сглаживание координат, 2) выработка пар-ров движения и сближения, 3) оценка ситуации встречи, 4) планирование и проигрывание маневра.

При выработке формуляра задержки: 1мин – время обработки предв инф, 3мин – время выработки максим точности. Точность: пеленг 0,5 и 1,5град, курс цели 3град, скорость 1уз, Дкр 1/4М, Ткр 1мин.

Системы управления боевыми действиями авиации, кроме рассмотренных выше задач по обработке информации, поступающей от одной РЛС, решают еще одну задачу, которая связана с объединением информации о целях, полученных от нескольких РЛС или первичных постов обработки РЛИ, и созданием общей картины воздушной обстановки.

Обработку РЛИ, поступающей от нескольких источников, условились называть третичной обработкой информации (ТОИ).

В виду того, что зоны обзора РЛС или зоны ответственности постов обычно перекрываются, сведения об одной и той же цели могут поступать одновременно от нескольких станций. В идеальном случае такие отметки должны накладываться одна на другую. Однако на практике этого ненаблюдается из-за систематических и случайных ошибок в измерении координат, различного времени локации, а также из-за ошибок пересчета координат между точками стояния источника и приемника информации.

Главной задачей третичной обработки является решение вопроса,

сколько целей находится в действительности в зоне ответственности. Для решения этой задачи необходимо выполнить следующие операции:

Произвести сбор донесений от источников;

Привести отметки к единой системе координат и единому времени отсчета;

Установить принадлежность отметок к целям, т.е. решить задачу отождествления отметок;

Выполнить укрупнение информации.

Для решения этих задач используются все характеристики целей. Устройства третичной обработки реализуются на специализированных ЭВМ с полной автоматизацией всех выполняемых операций. Однако иногда для упрощения автоматических устройств некоторые операции ТОИ могут производиться по командам и с участием оператора. В частности, таким образом выполняются операции отождествления и укрупнения.

Третичная обработка является завершающим этапом получения информации о воздушной обстановке.

Донесением о целях принято называть информацию, содержащую сведения о местоположении целей, об их характеристиках, выдаваемую от источников по каналам связи для ее дальнейшей обработки и использования.

Задача сбора донесений заключается в том, чтобы принять возможно больше информации при минимальных потерях.

Каждое поступающее на вход донесение должно быть обработано, на что требуется некоторое время. Пусть в момент поступления донесения производится обработка предыдущего донесения. В этом случае поступившее донесение может либо покинуть систему не обработанным, либо ждать своей очереди на обслуживание, пока система не освободится, либо ожидать обработки строго ограниченное время. В соответствии с этим все системы массового обслуживания разделяются на системы с отказами, системы с ожиданием и системы с ограниченным ожиданием (смешанного типа). На практике получили распространение системы смешанного типа с временем ожидания, выбранным из условия наилучшей обработки.

Координаты целей измеряются в системе координат обнаружившейих РЛС, поэтому при передаче данных на пункт ТОИ необходимо пересчитать их к точке стояния приемника информации . В качестве единой системы координат могут использоваться геодезическая, полярная или прямоугольная системы координат. Наиболее точной является геодезическая, однако расчеты в ней сложны. Поэтому она используется лишь тогда, когда источники и приемники информации находятся набольших расстояниях друг от друга и велик фактор кривизны Земли. В остальных случаях пользуются полярной или прямоугольной системами координат с поправкой по высоте. Расчеты в этих системах достаточнопросты и приемлемы для решения целого ряда практических задач.

В АСУ передача координат целей обычно осуществляется в прямоугольной системе координат. На пункте обработки также используется прямоугольная система. Следовательно, задача сводится кпреобразованию прямоугольных координат целей относительно точкистояния источника в прямоугольные координаты относительно точкистояния пункта обработки.

К единому времени отсчета приводятся отметки, полученные напункте ТОИ от разных источников. Единое время необходимо для того, чтобы определить положение обрабатываемых отметок по состоянию накакой-то один момент времени. Эта операция значительно облегчает задачу отождествления отметок.

Координаты отметок приводятся к единому времени путем определения для каждой отметки времени экстраполяции относительнозаданного момента сравнения. Учитывая сравнительно высокий темп обновления информации, целесообразно при экстраполяции приниматьгипотезу равномерного и прямолинейного изменения координат.

Все источники РЛИ обрабатывают информацию автономно инезависимо друг от друга. За счет перекрытия зон ответственности в составе донесений могут быть дублирующие донесения, полученные отнескольких источников по одной и той же цели.

В процессе отождествления отметок целей вырабатывается решение, устанавливающее:

Сколько целей имеется в действительности, если донесения о нихпоступают от нескольких источников;

Как распределяются поступившие донесения по целям.

Обычно отождествление выполняется в два этапа. Сначала производится грубое отождествление или сравнение отметок, а затем проводится распределение отметок, позволяющее принять более точное решение на отождествление.

В основе этапа сравнения лежит предположение, что донесения ободной и той же цели должны содержать одинаковые характеристики. В силу этого решение о тождественности отметок принимают на основании и сравнения характеристик. Однако в действительности из-за различных ошибок полного совпадения характеристик не бывает. В результате возникает неопределенность, выражаемая двумя конкурирующими гипотезами:

1. Гипотеза предполагает, что отметки от одной и той же цели,

хотя произошло несовпадение.

2. Гипотеза предполагает, что отметки от разных целей, поэтомупроизошло несовпадение.

Решение на выбор той или иной гипотезы принимается на основанииоценки величины несовпадения и использования критерия минимумаошибки принятия решения.

На этапе распределения для группирования отметок по отдельнымцелям используются признаки их принадлежности к источникаминформации и нумерации целей в системе этих источников. Правилалогического группирования отметок в соответствии с принадлежностьюдонесений о целях к источникам информации формулируютсяследующим образом.

1. Если в области допустимых отклонений получены отметки отодного и того же источника, то число целей равно числу отметок, так какодна станция в один и тот же момент времени не может выдавать от

одной цели несколько отметок.

2. Если в области допустимых отклонений от каждого источникаполучено по одной отметке, то считается, что эти отметки относятся кодной и той же цели.

3. Если от каждой станции получено по равному числу отметок, тоочевидно, что число целей равно числу отметок, полученных от однойстанции, ибо маловероятно, чтобы в пределах небольшой области станцияобнаруживала только свои цели и не обнаруживала цель, которуюнаблюдает соседняя станция.

4. Если от нескольких источников поступило неодинаковоеколичество отметок, принимается, что источник, от которого полученонаибольшее количество отметок, дает наиболее вероятную обстановку.При этом общее количество целей определяется числом отметок,принятых от указанного источника.

Таким образом, обработка донесений в группе состоит вгруппировании отметок от нескольких источников к одной цели. Этазадача решается сравнительно просто при использовании первого ивторого правила и значительно труднее при применении третьего ичетвертого.

По гипотезе третьего правила имеем две цели, к каждой из которыхотносится по одному донесению от каждого источника. Необходимоопределить, какие пары отметок относятся к каждой цели. Наиболееправдоподобный вариант выбирается в результате сравнения суммквадратов расстояний между отметками. Принимается та комбинация, длякоторой эта сумма минимальна.

Приведенные правила сравнения и распределения отметок неединственные, и в зависимости от требуемой точности могут бытьусложнены или упрощены.

После отождествления сведения о цели выражаются группой отметок,полученных от нескольких источников. Для формирования одной отметкис более точными характеристиками координаты и параметры траекторииусредняются.

Простейший способ усреднения заключается в том, что вычисляетсясреднее арифметическое координат. Этот способ достаточно прост, но онне учитывает точностных характеристик источников информации. Болееправильным является усреднение отметок целей с учетом коэффициентавеса отметок, а коэффициент выбирается в зависимости от точностиисточника. И наконец, в качестве усредненных можно взять ординатыотметки, полученные от одного источника, если имеются данные, чтоэтот источник выдает наиболее точную информацию.

Укрупнение (группирование) отметок целей проводится в тех пунктахобработки, где не требуется информация по каждой цели или жеплотность поступления отметок от целей оказывается выше рассчитаннойпропускной способности. Обычно группирование производится навысших инстанциях системы управления.

Группирование осуществляется теми же способами, что иотождествление, и ведется по признаку близости координатных описанийгруппируемых объектов. Для этого формируется строб по темкоординатам, которые назначаются как характерные для группы целей.Координаты центра строба распространяются на всю группу. Обычноделается так, что центр строба совпадает с отметкой головной цели вгруппе. Размеры строба определяются, исходя их навигационных итактических требований. Обычно используется полуавтоматическийметод укрупнения, который включает в себя следующие основные этапы:

1. Выделение компактных групп целей на основе близости координатx , y , H . Оператор визуально определяет компактную группу целей покоординатам, выделяет головную цель, назначает один из стробовукрупнения и вводит в ЭВМ номер строба и головной цели. На основеэтой информации ЭВМ завершает процесс выделения компактнойгруппы.

2. Селекция внутри выделенных групп по скорости. Цель остается всоставе укрупненной цели, если:

где – составляющие скорости головной цели;– порог селекциипо скорости.

3. Определение характеристик укрупненной цели. Укрупненной целиприсваивается количественный состав, и формируется обобщенныйпризнак действия.

4. Корректировка решения оператора. Ввиду того что обстановка ввоздухе меняется, имеется возможность скорректировать данныеукрупненной цели путем ее укрупнения, разукрупнения, отукрупненияили приукрупнения.

5. Сопровождение укрупненной цели. Эта операция осуществляетсяавтоматически ЭВМ. При этом производится корректировка координат,обеспечивается выбор головной цели при исчезновении информации остарой головной цели.

Таким образом, в процессе ТОИ производится сбор донесений отисточников, приведение отметок к единой системе координат и единомувремени отсчета, установление принадлежности отметок к целям(отождествление отметок) и выполнение укрупнения информации.

Заключение

1. Операции, производимые при первичной обработке, может производитьРЛС самостоятельно.

2. Если при первичной обработке из смеси сигнала с шумом на основе статистического различия структуры сигнала и шума выделяется полезная информация, то вторичная обработка, используя различия в закономерностях появления ложных отметок и отметок от целей, должна обеспечить выделение траекторий движущихся целей.

3. Траектория движения цели представляется в виде последовательности полиноминальных участков с различными коэффициентами и степенями полиномов, т.е. система обработки должна перестраиваться в соответствии схарактером движения каждой цели.

4. В процессе ТОИ производится сбор донесений от источников, приведение отметок к единой системе координат и единому времени отсчета, установление принадлежности отметок к целям (отождествлениеотметок) и выполнение укрупнения информации.

На самоподготовке необходимо подготовиться к контрольной работе последующим вопросам:

1. Назначение и содержание первичной обработки радиолокационной информации.

2. Назначение и содержание вторичной обработки радиолокационной информации.

3. Определение параметров движения целей в процессе вторичнойобработки радиолокационной информации.

4. Экстраполяция отметок в процессе вторичной обработки радиолокационной информации.

5. Продолжение траектории движения в процессе цели вторичной обработки радиолокационной информации.

6. Назначение и содержание третичной обработки радиолокационной информации.

7. Сбор донесений в процессе цели третичной обработки радиолокационной информации.

8. Приведение отметок целей к единой системе координат и единому времени отсчета в процессе цели третичной обработки радиолокационной информации.

9. Отождествление отметок целей в процессе цели третичной обработки радиолокационной информации.

10. Укрупнение информации в процессе ТОИ.