Принцип соответствия РЛП критерию эффективность-стоимость.

Требования к точности боевой информации ЦУ определяется, в первую очередь, характеристиками СНР , необходимым значением ЦУ. Допустимые ошибки определения плоскостных координат и высоты цели соизмеримы: они существенно меньше, чем при решении задач ЦР (не должны превышать 1000 метров).

Наиболее высокие требования к точности РЛИ предъявляет ИА. Радиолокационная информация должна обеспечить вывод перехватчика в положение, из которого возможны обнаружение и захват цели бортовой обзорно-прицельной системой в ограниченное время, в первую очередь, на встречных курсах. Требование к РЛИ тем выше, чем ниже возможности бортовых радиолокационных прицелов. Например, при дальности захвата бортового прицела 30 км допустимые ошибки измерения плоскостных координат составляют сотни метров, а ошибки измерения высоты не должны превышать 300 метров. Аналогичные требования предъявляются к РЛИ и в мирное время в интересах обеспечения безопасности полетов истребительной авиации, в первую очередь, к точности определения превышения цели над перехватчиком.

Данный критерий предполагает вложение средств в построение поля активной локации с максимальной эффективностью, то есть при минимуме затрат подсистема активной локации должна быть максимально эффективна в решении возложенных на нее задач, что достигается наземным базированием группировки и рациональным ее построением.

 

2.1.2. Структура и функционирование подсистемы активной

радиолокации РТВ

 

Подсистема активной радиолокации включает сеть подразделений, формирующих РЛИ, сеть объектов информационно-управляющей (ИУ) подсистемы и имеет три уровня.

Нижние два уровня включают все элементы сети РЛП и соответствующиеинформационные центры (ИЦ-1 и ИЦ-2) - элементы ИУ подсистемы. На третьем уровне имеются только ИУ - элементы (ИЦ-3). Применительно к соответствующей организационной структуре РТВ ИЦ-1 соответствует ПУ рлр, ИЦ-2 - КП ртб, ИЦ-3 - КП ртбр (ртп) (рис. 2.7). В процессе функционирования подсистема выполняет определенный комплекс действий по локации целей, обработке и передаче информации.

В современной подсистеме с помощью РЛС первого и второго уровней добывается первичная информация о воздушных целях, которая в неавтоматизированном, автоматизированном и автоматическом режимах передается на ИЦ-1 или ИЦ-2. Информационно-управляющие элементы первого и второго уровней, выполняют главным образом функции сбора и вторичной (трассовой) обработки информации. На ИЦ-2 используются данные местного РЛУ. На ИЦ-3 производится объединение данных от нескольких источников (третичная обработка информации). Частично операции третичной обработки информации выполняются на ИЦ-2. Подробно сущность операций обработки данных будет рассмотрено ниже. Все ИЦ подсистемы наделены управляющими функциями. Необходимость управления обусловлена, главным образом, сложностью и изменчивостью условий работы подсистемы и осуществляется в случаях нарушения функционирования отдельных элементов подсистемы, изменения требований к РЛИ, параметрам воздушной и помеховой обстановки.

 

 

РТЦ

РТЦ

ИЦ - 3

Линия связи

Линия связи

Линия связи

III уровень

II уровень

I уровень

ИЦ-2

РЛС

РЛС

ИЦ-12

ИЦ-11

ИЦ-13

РТЦ

 

 

Рис.2.7. Структура информационно-управляющей подсистемы

активной радиолокации

 

К числу обязательных сведений, добываемых подсистемой и выдаваемых всем КП относятся: пространственные текущие координаты воздушных целей, скорость, боевой состав и порядок самолетов в группе, боевые цели (маневр, применение помех и т.д.). Большинство перечисленных сведений добывается в процессе радиолокационного сопровождения целей, некоторые выявляются в процессе обработки информации, её сообщения и анализа всей совокупности полученных сведений. Часть сведений получают в результате несложных расчетов. Для эффективного решения радиолокационной системой задачи выдачи разведывательной и боевой информации требуемого качества элементы ИУ подсистемы активной локации всех уровней должны обладать необходимой пропускной способностью.

Требования к пропускной способности (количеству одновременно обрабатываемых целей) ИЦ определяется в соответствии с ожидаемой в районе боевых действий воздушной обстановкой и пространственными размерами района. В случае автоматизации обработки информации на РЛС соответствующие требования по пропускной способности предъявляются к станции. Для уровней подсистемы активной локации ориентировочные значения пропускной способности следующие: ИЦ-1 - 10...40 целей, ИЦ-2 - 40...120 целей, ИЦ-3 - 120...300 целей.

Основным направлением обеспечения необходимой пропускной способности всех звеньев подсистемы является автоматизация процессов сбора, обработки и выдачи информации, применение высокопроизводительных

комплексов средств автоматизации и каналов связи.

2.2. Принципы обработки радиолокационной информации

 

Сбор и обработка информации являются необходимыми элементами управления. Известно, что автоматизация всех процессов управления невозможна и нецелесообразна. В первую очередь автоматизируются наиболее скоротечные и трудоемкие процессы боевого управления, к которым относятся сбор и обработка радиолокационной информации. Радиолокационная информация извлекается из сигналов, вырабатываемых средствами радиолокации, то есть первичными источниками информации.

В течение первых десятилетий развития радиолокации РЛИ извлекалась человеком-оператором путем визуального контакта с оконечными устройствами РЛС - индикаторами, а передавалась потребителям с помощью простейших технических средств.

По мере развития радиолокационного поля (РЛП) и группировок РТВ технические возможности такого ручного способа съема и обработки РЛИ вошли в противоречие с усложнившимися задачами боевого управления огневыми средствами и обусловили переход к автоматизации.

 

2.2.1. Цели и принципы автоматизации сбора и обработки

радиолокационной информации

 

Необходимая для формирования модели информация о воздушных целях поступает от СРЛ и характеризуется такими показателями, как точность определения координат и параметров движения целей, темп обновления, полнота и достоверность данных, время запаздывания, радиус информационного обеспечения. Немалое значение имеют регулярность поступления информации о целях, наличие ложных трасс, перепутывание трасс и т.п.

Как известно, значение среднеквадратических ошибок s определения координат целей (плоскостных , и высоты ), допустимые при решении задач целераспределения в корпусе (дивизии) ВВС, составляют ; , а для целеуказания зенитным ракетным комплексам (ЗРК) и наведения истребителей - , и , соответственно. Темп обновления информации по целям должен быть не ниже одного сообщения за 10 секунд, а время запаздывания - не более 3 секунд. Требуемый радиус информационного обеспечивания составляет на КП зрбр (зрп) 200-800 км, для КП иап 1000-1200 км.

Состоящие в настоящее время на вооружении РЛС (РЛК) позволяют обеспечить приведенные выше характеристики, но только при условии автоматизации процессов сбора, обработки и отображения РЛИ. При отсутствии автоматизации координаты целей отображаются на планшетах с точностью до малого квадрата сетки ПВО, размеры которого для средних широт составляют около 12х12 км, откуда следует, что среднеквадратическая ошибка отображения плоскостных координат объекта будет составлять не менее 5 км. Потребный радиус информационного обеспечения значительно превосходит реальную дальность обнаружения РЛС, в связи с чем необходим сбор информации от территориально распределенной системы РЛС. При неавтоматизированном способе сбора, обработки и передачи информации ее запаздывание на пути от РЛС до КП корпуса (дивизии) ВВС составляет в лучшем случае 3-4 минуты, в следствие чего управление основывается на устаревшей информации и поэтому не может быть эффективным.

Трудности в обеспечении информацией о воздушной обстановке существенно возрастают при работе в условиях помех. Зоны обнаружения РЛС сжимаются, появляются разрывы в подтверждении сопровождаемых трасс целей, информационные возможности РЛП обедняются. При сопровождении постановщиков активных помех (ПАП) триангуляционным способом возникает большое число ложных пересечений пеленгов , превышающее для каждого триангуляционного комплекса число , так как при . При работе в сложной помеховой обстановке выделение истинных трасс и пересечений пеленгов на фоне ложных представляет для оператора непосильную задачу. Возможность средств автоматизации в этих условиях определяются производительностью вычислительных средств.

Недостатки неавтоматизированной системы усугубляются ограниченной пропускной способностью телефонных и телеграфных каналов передачи донесений по целям (4-8 донесений в минуту). Таким образом, удовлетворять требования КП соединений ВВС, ИА и ЗРВ к качеству РЛИ возможно только при условии автоматизации процессов ее сбора, обработки и передачи. Автоматизация позволяет повысить эффективность боевого управления, обеспечить его непрерывность и гибкость, создать благоприятные условия для работы лиц боевых расчетов, дает возможность организации четкого взаимодействия ИА и ЗРВ, обеспечивает высокую живучесть системы управления.

Цели автоматизации сбора и обработки РЛИ:

1) обеспечение соответствия качественных и количественных показателей РЛИ требованиям, предъявляемым к этим показателям со стороны подсистемы управления и огневых средств;

2) снижение эффективности воздействия на качественные и количественные показатели РЛИ внешних факторов помех;

3) устранение зависимости информационной способности системы от пропускной способности телефонных и телеграфных каналов связи.

К основным принципам, используемым при автоматизации процессов сбора и обработки РЛИ, следует отнести:

1) единство замысла в организации сбора, передачи, обработки и обобщения информации для всей системы управления;

2) АСУ должна разрабатываться и создаваться как система со всеми ее элементами одновременно и на длительный период;

3) многоступенчатость обработки информации в соответствии с иерархической структурой РЛ системы; при этом каждый вышестоящий КП должен получать обобщенную информацию, достаточную для решения тех задач, которые не могут быть решены нижестоящими КП;

4) обмен данными между элементами системы в цифровой форме и в формализованном виде, то есть в виде стандартных сообщений, удобных для обработки на ЭВМ и формируемых с помощью специальной аппаратуры передачи данных (АПД);

5) территориальное совмещение средств автоматизации обработки (входных элементов АСУ) с источниками первичной информации (средствами радиолокации);

6) выделение в процессе обработки РЛИ этапов (первичной, вторичной и третичной обработки), обусловленное техническими трудностями совместной обработки информации от многих разнесенных территориально и независимо функционирующих источников.

Реализация перечисленных и других принципов при автоматизации радиолокационной системы представляет собой сложную системную задачу. Ее решение приводит к созданию комплексов средств автоматизации (КСА), обеспечивающих совместимость средств радиолокации с другими объектами АСУ.

 

2.2.2. Задачи, решаемые при сборе и обработке РЛИ

 

Территориально-иерархическая структура системы сбора и обработки в виде информационно-управляющей подсистемы (ИУП) РЛ системы была определена выше (см. рис. 2.7). Свои задачи эта система выполняет только при условии обмена информацией. Характер связей в ней в основном - информационный. Исключение составляет передача сигналов на большие расстояния от РЛС на информационные центры (с которыми они объединены территориально), на которых осуществляются основные этапы обработки информации. Роль ИУП велика, поэтому к ней предъявляют ряд требований по:

1) оптимальному составу данных, передаваемых по каналам способам и формам представления информации о составе сообщений;

2) пропускной способности организуемых каналов передачи данных в системе при заданной достоверности передачи информации;

3) составу и типу применяемой системы передачи данных;

4) линиям связи в системе, их организации.

Под каналом передачи данных обычно понимается совокупность канала связи и аппаратуры передачи данных. Систему передачи данных составляет совокупность технических средств, осуществляющих передачу информации в формализованном виде.

Состав передаваемых данных в каналах передачи (приема) может различаться. Так, с ПУ рлр на КП ртб передаются координаты и параметры трасс сопровождаемых воздушных объектов; с КП ртб на КП ртбр (ртп) наряду с трассовой передается также и признаковая информация, детальнее характеризующая тип, состав объекта, этап сопровождения, номера источников, по данным которых осуществляется сопровождение, воздействия по нему огневого средства и т.п.

С целью наиболее полного использования пропускной способности каналов связи форма и состав сообщений, передаваемых (принимаемых) с каждого пункта их обработки, определяются на этапе разработки системы. При этом учитывается высокая стоимость создаваемых линий связи и распределения задач, решаемых на соответствующих центрах обработки РЛИ. Такими информационными центрами являются комплексы средств автоматизации (КСА), установленные на командных пунктах радиотехнических подразделений, частей и соединений. В соответствии с принципом многоступенчатости обработки РЛИ, предполагающим каждому вышестоящему КП получение обобщенной информации, достаточной для решения тех задач, которые не могут быть решены нижестоящими КП вытекает, что совокупность решаемых по обработке РЛИ задач сводится к поэтапному их решению в процессе первичной, вторичной и третичной обработки (рис. 2.8). Рассмотрим эти этапы подробнее.

рлр

ртб

Модель отображения

воздушной обстановки

Первичная

обработка РЛИ

Вторичная

обработка РЛИ

Первичная

обработка РЛИ

Отождествл.

первичной РЛИ

от разл.источн

Вторичная

обработка РЛИ

Отождествление

РЛИ от

различных источников

Третичная

обработка

РЛИ

Вторичная

обработка РЛИ

От других рлр

От других ртб

КП

ртбр (ртп)

Рис.2.8. Последовательность выполнения операций обработки РЛИ

1. Первичная обработка РЛИ обеспечивает принятие решения о наличии (обнаружении) воздушного объекта на очередном обзоре пространства и измерение его координат. Она включает операции:

а) обнаружение на фоне помех и шумов сигналов, отраженных от воздушных объектов;

б) оценку параметров обнаруженных сигналов;

в) принятие решения о наличии воздушных объектов и измерение их координат.

На первичную обработку поступают РЛ сигналы от РЛС. Показателями качества такой обработки являются условные вероятности правильного обнаружения целей, ложной тревоги (ложного обнаружения) и среднеквадратические ошибки оценок координат целей. В ходе первичной обработки РЛИ могут также оцениваться скорость цели, уровень и модуляция ЭПР и другие параметры. Совокупность оценок параметров цели, представленная в виде набора чисел, составляет радиолокационную отметку. Отметки могут быть истинными, то есть полученными от действительных, реальных воздушных объектов, и ложными, полученными вследствие воздействия помех и шумов. Первичные измерения, осуществляемые в системе координат РЛС могут дополняться среднеквадратическими ошибками , условным вероятностями истинного D и ложного F обнаружения и признаками цели (состав, тип, принадлежность и т.п.).

2. Вторичная обработка РЛИ обеспечивает принятие решения об обнаружении трассы (траектории) цели и уточнение результатов измерений на основе анализа совокупности (последовательности) изменяющихся от обзора к обзору координат и параметров трассы воздушного объекта, полученных в результате первичной обработки РЛ сигналов.

Вторичная обработка включает:

а) обнаружение трасс целей (принятие решения о наличии трасс);

б) сопровождение трасс целей, состоящее в регулярном вычислении и уточнении их параметров.

Вторичной обработке подвергаются радиолокационные отметки, полученные в течение нескольких обзоров воздушного пространства. Показателями качества обнаружения трасс являются условные вероятности правильного обнаружения трассы D_тр, ложного обнаружения трассы F_тр и другие. Качество сопровождения трасс характеризуют среднеквадратическими ошибками оценок координат целей и параметров трасс . При вторичной обработке могут также выполняться операции траекторных расчетов, позволяющие определить особые точки трасс (начало маневра, начало постановки помех и т.п.).

3. Третичная обработка РЛИ обеспечивает объединение (обобщение) информации о воздушной обстановке (объектах), поступающей от нескольких первичных источников. Основными операциями этого типа являются:

а) отбор и отождествление радиолокационных отметок, полученных от различных источников по принципу принадлежности к одной и той же цели;

б) вычисление усредненных оценок параметров трасс тех целей, данные о которых получены от нескольких источников;

в) обобщение (генерализация, загрубление) РЛИ для вышестоящих КП.

При вычислении названных операций используются только результаты внутренних процедур обработки информации в соответствие со структурной схемой, представленной на рис. 2.8. Следует отметить, что операции первичной и вторичной обработки выполняются в системе периодичности с темпом не ниже обзора воздушного пространства средствам радиолокации. Операции третьего типа обработки могут выполняться с темпом, зависящим от решаемой задачи на основе полученной динамической модели воздушной обстановки.

2.2.3. Существо процедур первичной и вторичной обработки РЛИ

 

Процедуры первичной и вторичной обработки состоят в принятии решений типа «да-нет» о наличии цели либо трассы при обнаружении и выработке оценок измеряемых координат и параметров трасс обнаруженных объектов. Из трех измеряемых координат либо основными являются «плоскостные» координаты , , в которых производится обнаружением и обработка; координата Н, как правило, сопровождает отсчет плоскостных координат, что проявляется в построении всех средств обработки и отражения РЛИ. Ниже вопросы обработки РЛИ рассматриваются применительно к «плоскостной» задаче.

Процедуры решения и оценки являются случайными вследствие воздействия помех и случайной модуляции РЛ эхо-сигналов целей. Известны вытекающие из теории принципы оптимизации процедур принятия решений и оценивания, в основе которых лежит минимизация среднего риска, то есть минимизация потерь от принятия ошибочных решений и от наличия ошибок измерений.

При обнаружении эхо-сигналов на фоне стационарных, например, тепловых, гауссовых шумов такой минимизирующей (оптимизирующей) процедурой является процедура согласованной фильтрации ¾ когерентное накопление сигналов для каждого элемента разрешения РЛС в линейном фильтре, амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики которого согласованы соответственно с амплитудно-частотным и фазо-частотным спектрами эхо-сигнала[12]. Такое когерентное накопление (согласованная фильтрация эхо-сигнала на фоне тепловых, гауссовых шумов), производится в приемнике РЛС, в котором упомянутый линейный (согласованный) фильтр является одним из основных функциональных элементов.

Межпериодное некогерентное накопление пачки радиоимпульсов за время , широко применяющееся в РЛС РТВ старого парка из-за существенного упрощения аппаратуры обработки сигналов, в современных РЛС постепенно заменяют когерентным накоплением одиночных эхо-сигналов в пределах пачки. Это позволяет повысить показатели качества обнаружения эхо-сигналов РЛС и измерения его параметров.

Оптимальные процедуры первичной обработки состоят:

1.При обнаружении – в сравнении результата накопления пачки с фиксированным порогом l₀ и принятии решения - «цель есть при »;

2.При измерении – в выявлении оценки центра тяжести послеопытного распределения случайной величины . Значения , являются оптимальными (по минимуму среднеквадратической ошибки) оценками координат обнаруженной отметки, индекс «СП» означает присутствие полезного сигнала в смеси с помехой. Порог обнаружения назначают в соответствии с критерием Неймана-Пирсона, исходя из допустимого уровня ложных тревог. При числе элементов разрешения в пределах зоны обнаружения РЛС около 10⁵ - 10⁶ допускают условную вероятность ложной тревоги в расчете на один элемент разрешения

 

где - плотность вероятности величины W при воздействии только шума, т.е. в отсутствии полезного сигнала[13].

Реализация W как функция дальности Д и азимута обеспечивается последовательным обзором по времени в течение периода посылок (по времени задержки эхо-сигналов ) на выходе приемника после каждого зондирования и последовательным обзором - вращением антенны РЛС - в азимутальной плоскости, с которым согласована соответствующая развертка на экране индикатора или устройства обработки.

Некогерентное накопление можно производить с помощью специальных фильтров, используя линии задержки на период посылки , в простейшем приближении - с помощью рециркуляторов. Практически это решение используют в ряде РЛС для части импульсов пачки .

При визуальном методе съема РЛИ первичную обработку и некогерентное накопление импульсов пачки производит с использованием экрана индикатора кругового обзора (ИКО) либо растрового индикатора азимут-дальность (ИАД) с послесвечением. При определенных соотношениях параметров антенны, обзора и разверток на ИКО возможно прямое наложение пятен импульсов пачки, т.е. их оптическое суммирование. Для самых слабых – «пороговых» - эхо-сигналов это дает на экране ИКО «точечную» отметку, соответственно теории. Интерполяция положений этой точки на экране индикатора относительно масштабных отметок азимута и дальности позволяет произвести отсчет ; послесвечение экрана устраняет противоречие между малым временем подсвета отметки и временем реакции оператора. Очевидно, отсчет в этом случае производится по максимуму величины W, который при симметричных функциях ДНА и огибающей импульса совпадает с центром тяжести , т.е. отсчет является оптимальным.

В подавляющем большинстве случаев совокупность указанных условий не выполняется и яркостные отметки эхо-сигнала представляют собой не точку, а азимутальную «дужку», соответствующую ширине луча ДНА - . Суммирование импульсов пачки в этом случае производится косвенно - путем оценки человеком-оператором размера и формы суммарной отметки и по существу представляет собой в косвенной форме счет импульсов (пачки), превысивших первый порог обнаружения. Превышение второго порога, т.е. решение «есть дужка» либо «есть к из n импульсов», дает решение «есть отметка цели». Такое двухпороговое обнаружение на первый взгляд повышает уровень ложных тревог, так как первый порог должен быть достаточно низок, чтобы обнаруживать не сумму импульсов, а отдельные импульсы, и, следовательно, в большей части будет превышаться шумовыми выбросами. Однако шумовой фон в этом случае имеет точечный характер и образование им дужек маловероятно. Поэтому введение хотя бы частичного суммирования полезно для реализации максимальных размеров ЗО РЛС.

Полное (оптимальное) предварительное суммирование импульсов пачки улучшает наблюдаемость слабых сигналов, но приводит к расширению по b, а возможно и по Д, отметок мощных эхо-сигналов; тем самым будет ухудшена реальная разрешающая способность РЛС в большей части зоны обнаружения. Важным достоинством распределенной отметки типа «дужка» является четкая различимость ее при сравнении с точечными отметками несинхронных импульсных помех. Первый порог обнаружения яркостного индикатора может быть установлен отсечкой сигналов на изгибе амплитудной характеристики электронно-лучевой трубки либо видеотракта, что обеспечивает «черный» экран, но не гарантирует от ошибок установки порога. Лучшие результаты опытные операторы получают за счет визуального различения градаций яркости отметок. При этом слабый шумовой подсвет экрана является исходным (опорным) уровнем, относительно которого визуально назначается уровень первого порога обнаружения и оценивается интенсивность более мощных эхо-сигналов, что позволяет в пределах динамического диапазона яркости трубки использовать дополнительную, но очень важную амплитудную информацию.

Отсчет при неточечной отметке на экране ИКО производится по центру дужки, что близко к оптимуму. Ошибки измерения обусловлены искажением огибающей пачки (несимметрией пачки) в связи с наложением на сигнал шумов, флюктуациями ЭПР целей и неоптимальностью предварительного накопления. Первые два фактора чисто случайные, последний дает в основном систематическую ошибку, которую можно в значительной мере устранить при юстировке РЛС, как и другие систематические ошибки.

Вторичная обработка РЛИ при визуальном съеме также производится человеком-оператором, причем она практически неотделима от первичной. Обнаруживая отметку в очередном цикле обзора, оператор логически и визуально либо «привязывает» ее к уже сопровождаемой трассе, либо обнаруживает новую цель, либо привязывается к отметке новой цели предыдущего обзора, то есть обнаруживает трассу. Неподтверждаемые в последующих обзорах новые отметки и отрезки трасс классифицируются, как ложные. Многократный пропуск отметок (неподтверждение сопровождаемой трассы) приводит к решению о выходе цели из зоны и сбросе (прекращении) сопровождения. Запоминание данных предыдущих обзоров и визуальное формирование образа трассы обеспечивается длительным (десятки секунд) послесвечением экрана индикатора. Работа оператора в значительной мере основана на экстраполяции положения цели на очередном обзоре на основании совокупности предыдущих отметок за счет сознательного либо интуитивного назначения областей вероятного появления очередных отметок (логических стробов сопровождения). Существенные подтверждаемые изменения характера развития трассы позволяют выявить маневр цели. Оператор подсознательно склонен сглаживать случайные отклонения отметок цели от закономерной, «правильной» трассы. В стробах сопровождения человек, как правило, снижает порог обнаружения, то есть правильно использует априорную информацию.

Достоинства визуального съема РЛИ обусловлены совершенством рефлексивных алгоритмов и критериев оценивания, доступных человеку, способностью его к интегральной (картинной) оценке обстановки, многопрограммному оцениванию (рефлексии), накоплению опыта и обучению. В этом смысле человек существенно превосходит автоматы, в том числе современные ЭВМ и алгоритмы, применимые в РЛС РТВ.

Основным недостатком визуального съема является низкая пропускная способность человека по приему (восприятию) и выдаче информации. Ограничение возможностей человека по скорости и точности съема координат и выдачи их частично снимаются с помощью техники электронного маркирования координат с цифровым выходом. Оператор при этом производит первичное обнаружение отметок и трасс и вводит в ЭВМ цифровые данные для последующей автоматической обработки РЛИ. Даже в таком автоматизированном режиме съема оператор не может обслуживать более 8-10 целей. Поэтому координальное решение проблем обработки РЛИ может быть достигнуто лишь при полной ее автоматизации («автосъем»).

Процедуры первичной и вторичной обработки при автосъеме по существу не отличаются от «ручных», «визуальных» процедур. В техническом плане важны цифровая обработка и передача РЛИ и, следовательно, существенно лучшие, по сравнению с «визуальным» съемом, точностные характеристики первичных оценок координат, результаты их сглаживания и экстраполяции. Цифровая обработка РЛИ теоретически снимает ограничения по количеству обслуживаемых целей, но при определенных оговорках о различимости трасс с учетом особенностей РЛС и РЛП РТВ. Снимается, в принципе, проблема запаздывания РЛИ.

На практике весьма ощутимы ограничения автоматической обработки РЛИ по стоимости, объему, надежности аппаратуры, в том числе и средств связи и АПД, количеству, уровню квалификации лиц боевых расчетов и обслуживающего персонала. Ниже вопросы автоматизации в основном рассматриваются для простейшего случая - одиночной цели. Цифровые автоматы воспринимают входную информацию в дискретной форме - в виде цифровых кодов. Поэтому видеосигналы приемного тракта РЛС подвергаются дискретизации по времени и амплитуде и, в целом, аналого-цифровому преобразованию. Дискретизация по азимуту заложена в принципе действия импульсных РЛС, оцифровка азимутального угла оси ДНА производится с помощью датчиков «угол-код» с достаточной дискретностью (обычно 1/4096·360^о).

Шаги дискретизации по и должны, согласно теореме Котельникова, быть не более половины соответствующих интервалов разрешения . На практике удобно использовать дискретный аналог экрана ИАД - массив цифровых данных об уровнях сигналов в координатах . Выборка по формируется чаще, чем через , вплоть до записи в память эхо-сигналов каждого периода посылки. Это сохраняет все достоинства дужки (яркостной отметки), простоту процедур первичной обработки и точность оценки . Выборку по производят обычно через = Д_р/с (где с – скорость света), т.е. реже оптимальной, достигая упрощения аппаратуры и алгоритмов ценой некоторого ухудшения разрешения, точности и дальности обнаружения, что свойственно и визуальному съему. Дискретность квантования амплитуды может быть различна. Широко распространено простейшее бинарное квантование на 2 уровня (0, 1), при котором на элемент записи требуется один разряд двоичного кода. Такое квантование производят путем сравнения амплитуды сигнала с первым порогом обнаружения импульсов пачки в пороговом устройстве - ограничителе сверху (рис. 2.9).

В результате такой обработки пачка эхо-сигналов цели представляется в ОЗУ в виде набора на одной позиции дальности Д в пределах дискрет по (рис. 2.10). Флюктуации ЭПР цели и шумы могут приводить к случайным пропускам единиц на отдельных позициях пачки; шумовые выбросы и импульсные помехи создают на «нулевом» фоне случайные «единичные» выбросы.

В рассматриваемом варианте процедуры первичной обработки автосъема очевидны. Обнаружение производится методом счета единиц на позициях пачки в каждом кольце дальности , по критерию «к/m, m£M», где m пороговое число импульсов, к - результат счета. Оценку получают по номеру дискреты дальности, оценку - соответственно по «центру тяжести» обнаруженной пачки единиц (рис. 2.10).

РПрУ

Дискре-тизатор

Пороговое устройство

«0»

«I»

ОЗУ

От АПУ (код )

К УПО

Синхронизатор

Запуск

Код дальности

От антенны

 

Рис. 2.9. Бинарное квантование радиолокационных сигналов

РПрУ – радиоприемное устройство, АПУ – антенно-поворотное устройство,

ОЗУ – оперативное запоминающее устройство, УПО – устройство первичной обработки

 

Номер кольца дальности

начало

Конец

пачки

оценка

Пачки

«4» из «4»

азимута

«3» из «3»

k

.

.

l

l+1

l+2

.

.

.

l+п

Номера посылок (коды азимута)

 

Рис. 2.10. Пример записи радиолокационных сигналов в ОЗУ

 

Для последней процедуры необходимо определить позиции (коды) крайних единиц цифровой пачки, т.е. начало и конец. Начало пачки определяют по критерию «m из l», т.е. m единиц на l соседних позициях, а конец по аналогичному критерию « нулей на » позициях. Часто используют вариант « из » т.е. нулей подряд. Выбирая первый порог и значения m, , l, , можно снизить до необходимого уровня ложные тревоги и оптимизировать характеристики обнаружения при рациональных затратах на аппаратуру цифровой обработки. Значения m, , l, и уровень ложных тревог при бинарном квантовании выбирают таким образом, чтобы совместно оптимизировать показатели качества обнаружения и измерения координат, а также объем и стоимость аппаратуры обработки.

Условные вероятности правильного обнаружения D и ложной тревоги F при бинарном квантовании и логике обнаружения «m из l» определяются перебором вариантов комбинаций единиц и нулей на M позициях в пачке. С учетом независимости шумовых дискрет и флюктуаций импульсов пачки реальных сигналов можно считать, что

; , (2.10)

где D₁, F₁ - условные вероятности превышения первого порога при наличии и отсутствии в выборке полезного сигнала.

Оптимальные по точности измерений значения второго порога m определяются числом импульсов в пачке: от до . В РЛС РТВ М изменяется в пределах 15...80, и , а следовательно, и окно анализа может оказаться довольно большим. Упрощение аппаратуры достигается применением l=3; 4; 5; m£l. По эффективности критерии «3 из 4», «4 из 5», «3 из 5» примерно равноценны, потери в пороговом сигнале по сравнению с оптимальным накоплением составляют до 1,5...2 дБ. Более жесткая логика «3 из 3», «4 из 4» и т.д. обеспечивает снижение уровня ложных тревог F, но потери при этом возрастают до 3...5 дБ. Уровень первичной ложной тревоги регулируют выбором первого порога обнаружения так, чтобы получить F£0,03...0,05, при этом результирующая вероятность ложной тревоги достигается F£10^-4 . Приведенные данные охватывают практически применяемые диапазоны значений М от 5 до 50, F от 10^-2 до 10^-6, Dот 0,5 до 0,9.

Процедуры вторичной обработки автосъема РЛИ организуются в виде алгоритмов производимых в ЭВМ действий над радиолокационными отметками, получаемыми после первичной обработки в виде цифровых кодов.

Принцип автоматического обнаружения (автозахвата) трассы цели поясняется рис. 2.10. Как правило, при этом переходят от полярных плоскостных координат к декартовым ; при пересчете координат учитывают при необходимости схождения меридианов, т.е. отличие сферической поверхности Земли от плоскости. Новая, не отнесенная к уже сопровождаемым трассам отметка рассматривается в последующих обзорах как возможное начало трассы, а такие же отметки в последующих (1-м, 2-м, 3-м) обзорах - как возможные продолжения новой трассы. Для 1-го обзора назначается кольцевой строб обнаружения с учетом возможных скоростей целей.

Попавшие при втором обзоре в кольцевой строб новые отметки позволяют экстраполировать одну или несколько трасс и области (круговые стробы) обнаружения для последующего обзора. Подтверждение одной из трасс на 3-ем обзоре позволяет с достаточно высокой достоверностью считать ее истинной, т.е. обнаруженной, и взять на автосопровождение, а остальные варианты отбросить как ложные. Описанный алгоритм можно рассматривать, как обнаружение трассы по критерию «3 отметки из 3» или «2 коррелированных приращения ». Возможны и другие варианты логики обнаружения, например «3 из 4», «4 из 4», «2 из 3» и т.д. Более «мягкие» варианты логики увеличивают как вероятность захвата истинной трассы, так и среднее число ложных захватов.

Автосопровождение обнаруженных истинных и ложных трасс обеспечивается выполнением в каждом цикле следующих операций: «привязка» очередной обнаруженной в стробе отметки к сопровождаемой трассе, уточнение координат цели и параметров трассы, прогнозирование и экстраполяция трассы - положения цели в последующем обзоре по данным (отметкам) очередного и предыдущих обзоров, назначение строба обнаружения для отметок последующего обзора.

Допускаются отдельные пропуски отметок, например, «1/4- один на четыре обзора»; автосопровождение при этом продолжается по экстраполяции, а очередной строб может быть расширен с учетом ошибок измерений и возможного маневра цели. При нарушении критерия сопровождения, т.е. при достаточно большем числе пропусков, трасса снимается с сопровождения. Ложные трассы таким образом сбрасываются или отфильтровываются, как правило, после непродолжительного сопровождения.

Выбор критериев, а также размеров и форм стробов обнаружения и сопровождения трассы по смыслу близок к выбору порога обнаружения сигнала. Чрезмерно большие размеры стробов увеличивают вероятность попадания в него нескольких отметок и затрудняют отождествление, т.е. выбор из них одной, относящейся к рассматриваемой трассе. Уменьшение размера строба увеличивает вероятность пропуска очередной отметки из-за маневра цели или других ошибок экстраполяции. Дополнительные трудности возникают при сближении трасс двух и более целей и пересечения трасс целей.

Повышение точности измерений и вычислений, а также автоматизация обработки РЛИ с помощью ЭВМ позволяет получить новое качество, не реализуемое при визуальном съеме. Это достигается сглаживанием оценок и производных трассы путем использования результатов измерений и закономерностей (моделей) движения летательных аппаратов.

Сглаженные оценки координат и параметров выдаются потребителям РЛИ. На основе этих данных может производиться прогнозирование трасс: экстраполяция на время, значительно большее времени обзора, т.е. интервала поступления и обработки РЛИ.

2.3 Методы обзора пространства, применяемые в РЛС РТВ

 

2.3.1. Виды обзора пространства, дальность и зона обнаружения

 

В ходе предшествующих рассуждений было установлено, что в соответствии с принципами построения радиолокационного поля зона обнаружения РЛС РТВ представляет собой вырезку из цилиндра вращения. Форму зоны в угломестной плоскости (см. рис.2.4) в РЛС обнаружения и наведения обычно выбирают такой, чтобы для углов места обеспечивалась максимально возможная дальность обнаружения (изодальностный участок зоны), а для углов места, превышающих угол - максимальная высота обнаружения (изовысотный участок зоны). Аналитически сечение такой зоны в вертикальной плоскости в полярной системе координат описывается выражением (2.3).

Дальность обнаружения изовысотной зоны, как функция высоты, определяется следующими рассуждениями:

1. Из треугольника ОАВ находим дальность обнаружения цели Д:

.

2. Из треугольника ОВС находим .

3. Для некоторого фиксированного угла :

.

Радиус мертвой воронки ^.

Параметры зоны выбираются с учетом тактических требований и технических возможностей их реализации. Так, значение минимального угла места в РЛС сантиметрового диапазона ограничивается условиями распространения сантиметровых волн в приземном слое. С одной стороны, необходимо выбрать как можно наиболее близким к нулю, с другой - необходимо оторвать диаграмму направленности от земли, так как облучение земной поверхности в сантиметровом диапазоне волн приводит к сильной изрезанности зоны на малых углах места вследствие интерференции прямого и отраженного от неровной поверхности лучей. Из-за движения под действием ветра покрывающих поверхность кустов, травы и др. непрерывно изменяется амплитуда и фаза отраженного луча, и, следовательно, непрерывно изменяется форма зоны. Практически в сантиметровом диапазоне выбирают .

Для снижения до нуля и даже до отрицательных значений, где это позволяет позиция и высота подъема антенны, предусматривают изменение наклона антенны в вертикальной плоскости.

Максимальный угол места зоны для исключения мертвой воронки желательно было бы выбирать равным 90⁰ или близким к нему. Однако это привело бы к значительному усложнению конструкции антенной системы. В настоящее время считается целесообразным выбор значений порядка 35-45⁰ в сантиметровом диапазоне и 20-30⁰ - в метровом. При этом радиус мертвой воронки составляет – для сантиметрового и – для метрового диапазонов. Верхняя граница зоны должна быть не меньше потолка полета состоящих на вооружении и перспективных СВН противника. Для современных РЛС . Для обнаружения и сопровождения гиперзвуковых самолётов требуется увеличение до .

Максимальную дальность обнаружения целей, летящих на максимальной высоте , желательно получить равной дальности прямой видимости

,

где - в километрах, и - в метрах.

Однако получение таких дальностей связано со значительным увеличением мощности передающего устройства и, как следствие, с увеличением стоимости и объема аппаратуры РЛС. Поэтому в настоящее время обеспечивают дальность обнаружения, близкую к дальности прямой видимости, только лишь маловысотных целей и целей с большими средними значениями эффективной поверхности (например, стратегических бомбардировщиков или транспортных самолётов). По цели с (истребитель) в РЛС обнаружения и наведения считается приемлемым получение дальности .

Наряду с задачей обнаружения радиолокационными станциями решается задача измерения пространственных координат, обнаруженных радиолокационных целей. Разрешающая способность и точность определения угловых координат обнаруживаемых целей определяется пространственной избирательностью и направленностью антенной системы в соответствующих угловых координатах. Направленная антенна обслуживает одновременно одним лучом небольшой телесный угол , который значительно меньше телесного угла зоны обнаружения РЛС. Для формирования требуемой зоны обнаружения РЛС в РТВ применяются обзор – периодически повторяющаяся процедура облучения элементов и приема эхо-сигналов из облучаемых элементов.

Информацию о наличии целей в различных элементах разрешения зоны обнаружения получают в процессе обзора (просмотра) этих элементов. Очередность и время просмотра различных элементов, а также интенсивность сигналов, излучаемых РЛС при осмотре каждого элемента, определяется используемым способом (программой) обзора. Режим непрерывного обзора всей зоны может быть единственным режимом функционирования РЛС при решении боевой задачи. Обнаружение целей и измерение их координат осуществляется в процессе обзора всей зоны. В некоторых типах РЛС обзор всей зоны обнаружения производится только до обнаружения цели. С момента обнаружения цели РЛС переводится в режим сопровождения.

Обзор зоны обнаружения может производиться или при наличии цели в одном из элементов разрешения этой зоны, или когда цель появляется в неопределенный момент времени.

В РЛС применяют различные способы обзора, отличающиеся тем или иным признаком. Способ обзора выбирается в соответствии с назначением и особенностями применения РЛС, учитывая следующие основные факторы:

требуемые размеры зоны обнаружения на выбранной позиции;

определяемые координаты и точность их измерения;

разрешающую способность РЛС по дальности, угловым координатам и радиальной скорости;

необходимое время обновления информации об элементах разрешения зоны обнаружения или сопровождаемых целях;

возможность появления цели в различных элементах зоны обнаружения;

простоту технической реализации способа обзора.

От способа обзора существенно зависят такие показатели эффективности применения РЛС как среднее время, затрачиваемое на обнаружение цели (среднее время необнаруженного существования цели), и среднее время между смежными ложными обнаружениями (средняя частота ложных тревог).

В зависимости от времени, затрачиваемого на получение информации от всех элементов разрешения, различают следующие виды обзора:

одновременный – получение информации из всех элементов разрешения в один момент времени;

последовательный – получение информации из всех элементов разрешения последовательно во времени;

смешанный – по одной координате осуществляется одновременный обзор, а по другой последовательный.

При одновременном обзоре прием и обработка сигналов от цели осуществляется сразу, как только эта цель появилась в зоне обнаружения. Поэтому такие системы называются беспоисковыми. Достоинством этих систем является высокий темп обновления информации о целях находящихся в зоне обнаружения; недостатком – большая сложность по сравнению с системами последовательного обзора.

В зависимости от последовательности получения информации из элементов разрешения, располагающихся по определяемым координатам зоны обнаружения, различают: обзор по дальности и обзор по угловым координатам (азимуту и углу места). Последовательный обзор по дальности происходит в процессе распространения радиосигнала с конечной скоростью до цели и обратно. Никаких специальных операций для выполнения такого обзора производить не требуется. Радиолокационные сигналы, соответствующие различным элементам разрешения по дальности, поступают на вход приемника РЛС последовательно во времени. Время, затрачиваемое на обзор зоны обнаружения по дальности в одном направлении значительно меньше времени затрачиваемого на обзор по угловым координатам, поэтому им пренебрегают при рассмотрении обзора по азимуту или углу места.

В РТВ наибольшее распространение получили две программы обзора зоны обнаружения по угловым координатам:

1 - параллельный по углу места и последовательный по азимуту;

2 - последовательный по углу места и последовательный по азимуту.

При реализации первой программы обзора в вертикальной (угломестной) плоскости РЛС просматривает некоторый сектор, состоящий из набора игольчатых диаграмм направленности (рис. 2.11). Вращение антенной системы (приемо-передающей кабины с антеннами) осуществляется с постоянной скоростью по азимуту.

Рис. 2.11. Способ обзора зоны обнаружения с парциальными диаграммами направленности антенны

Ω

Данный способ обзора применяется в многочастотных радиолокационных дальномерах и трёхкоординатных РЛС с электронным управлением антенным лучом в угломестной плоскости.

При реализации второй программы РЛС просматривает зону обнаружения (или сектор) одним игольчатым лучом последовательно во времени (рис. 2.12 а).

По траектории движения луча различают следующие программы обзора: винтовой (рис. 2.13 а), строчный (рис. 2.13 б), спиральный (рис. 2.13 в) и циклоидный (рис. 2.13 г). Применяется в радиолокационных высотомерах и РЛС с плоской фазированной антенной решёткой (ФАР). Разновидностью второй программы обзора служит вариант, когда ширина диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости равна угловому размеру зоны обнаружения в этой плоскости (рис. 2.12 б), а развертывающее движение (вращение) в азимутальной плоскости совершают в пределах 360⁰. Чаще всего этот способ используют в радиолокационных дальномерах метрового и дециметрового диапазона волн.

 

Ω

Ω

 

а) б)

Рис. 2.12. Способы обзора зоны обнаружения: а) с игольчатой диаграммой

направленности антенны, б) с диаграммой направленности антенны в вертикальной плоскости соответствующей угловому размеру зоны обнаружения

 

а)	б)
в)	г)

 

Рис. 2.13. Способы обзора зоны обнаружения с игольчатой диаграммой направленности антенны: а) винтовой; б) строчный; в) спиральный; г) циклоидальный.

 

Обзор зоны обнаружения может быть или детерминированным или адаптивным (управляемым). В первом случае программа обзора не зависит от промежуточных данных радиолокационного наблюдения, во втором случае она автоматически изменяется в зависимости от результатов предшествующих этапов обзора и в определённой степени является самоустанавливающейся. При последовательном адаптивном обзоре может изменяться очерёдность (порядок), время просмотра, форма и размеры различных элементов зоны обнаружения, энергетические составляющие (мощность и длительность) сигналов, излучаемых при просмотре этих элементов. Указанные параметры программы обзора изменяются с помощью блока управления обзором, в который поступают данные радиолокационного наблюдения. По этим данным и априорным сведениям в блоке управления на каждом этапе обзора выявляются элементы зоны, в которых вероятнее всего может находиться цель. Адаптация состоит в том, что эти элементы просматриваются более детально и в первую очередь, либо более длительное время, либо облучаются более интенсивными зондирующими (возможно с изменением внутренней структуры) сигналами. Одновременный адаптивный обзор может применяться и в том случае, когда цель появляется в контролируемой зоне в процессе обзора. В наиболее простом варианте адаптивного обзора предусматривается два режима работы РЛС: нормальный с малыми энергетическими затратами в единицу времени и форсированный с существенно большими энергетическими затратами в единицу времени. Косеконсная форма зоны обнаружения в вертикальной плоскости может быть получена двумя различными путями: при одноканальном либо многоканальном построении приемно-передающего и антенно-волноводного трактов дальномера.

При одноканальном построении зона создается с помощью одного широкого луча антенны, перекрывающего заданные углы места (что исключает возможность измерения угла места), либо одного узкого луча, сканирующего по углу места, при необходимости измерения третьей координаты. При многоканальном построении РЛС требуемая зона формируется с помощью нескольких смещенных друг относительно друга по углу места сравнительно узких лучей, причем лучи верхних углов места обеспечивают косеконсную форму зоны обнаружения. С каждым лучом антенны связан свои передатчик и приемник. Дальность действия РЛС определяется уравнением радиолокации, которое устанавливает связь технических характеристик РЛС с техническими параметрами ее систем, характеристиками цели и внешними условиями. Вывод уравнения радиолокации был приведён в пункте 1.3.1.2. Конкретизируем теперь его запись (1.19) для нескольких частных случаев, представляющих практический интерес.

 

2.3.2. Формирование зоны обнаружения в дальномерах и высотомерах