Методика повышения радиолокационной скрытности объектов на основе информационных показателей неопределенности

Актуальность работы.

Быстрое развитие техники электронных средств наблюдения (в радио-, инфракрасном, оптическом, ультрафиолетовом и др. участках диапазона электромагнитных волн (ЭМВ)) выдвигает в число приоритетных в ряде приложений проблему скрытия различных объектов от наблюдения [29, 30]. Скрытие объектов от наблюдения является одним из направлений радиоэлектронной борьбы в интересах защиты этих объектов [18, 20, 22, 44, 81]. Основные методы и средства повышения скрытности объектов можно разделить на две группы. К первой группе относятся методы и средства, направленные на снижение характеристик отражения и собственного излучения объектов, иначе говоря, на снижение заметности объектов на окружающем их фоне в различных участках диапазона ЭМВ. В частности, в современной авиации имеет важное значение снижение радиолокационной и радиотехнической, тепловой, визуальной, акустической и ультрафиолетовой заметности летательных аппаратов [11, 47, 48, 61, 85]. Вторую группу образуют методы и средства создания помех наблюдению защищаемых объектов [38, 47, 48, 53, 62, 61, 75, 80, 86, 89, 90]. Их действие обычно основано на маскировке защищаемых объектов либо на дезинформировании наблюдателей [4, 5, 60, 64, 82]. Маскировка реализуется путем создания в некоторой окрестности скрываемого объекта фона, на котором этот объект оказывается трудноразличимым. Методы дезинформирования сводятся к имитации наличия объектов, схожих с защищаемыми, либо к искажению параметров электромагнитных излучений, исходящих от этих объектов и несущих информацию о них. Имитирующие помехи являются средством скрытия' количества и координат защищаемых объектов в некоторой зоне. Помехи искажающего действия обеспечивают скрытие положения защищаемого объекта в пределах единичного элемента разрешения прибора наблюдения. Как маскирующие, так и дезинформирующие помехи могут быть активными либо пассивными. Активные помехи создаются с помощью специальных устройств, формирующих электромагнитное излучение (источники питания, генераторы, усилители, антенны и др.). Пассивные помехи создаются с помощью специальных отражателей, вторичное излучение которых, присутствующее совместно с излучением объекта, затрудняет наблюдение этого объекта.

Данная работа посвящена вопросам количественного описания скрытности объектов от радиолокационных средств наблюдения, а также вопросам оптимизации скрытия объектов. Эти вопросы освещены в литературе недостаточно. Имеющиеся публикации относятся лишь к некоторым частным задачам. Например, в работах [85, 53, 63, 42, 47, 48] рассмотрены вопросы скрытности излучения радиоэлектронных средств от средств радиотехнического наблюдения. В работах [16, 17, 42, 84, 88] предложено количественное описание скрытности объектов, основанное на информационных показателях неопределенности (энтропийных показателях). В работах [66, 67, 84, 88] впервые рассмотрены постановка и решение некоторых задач оптимизации скрытия объектов от средств наблюдения Данная диссертация выполнена посвящена вопросам количественного описания скрытности и оптимизации скрытия воздушных объектов (ВО) от радиолокационных (РЛ) средств наблюдения. Методологическая основа диссертации тесно переплетается с методологией работ, опубликованных В. Н. Юдиным. Оригинальность содержимого диссертации в значительной степени определяется тем, что в диссертации выполнена конкретизация методологии, разработанной в работах [84, 88], применительно к задачам скрытия ВО от радиолокационных средств наблюдения, а также тем, что в диссертации разработаны некоторые ранее не рассмотренные вопросы.

Цели работы — разработка методического аппарата количественного описания скрытностиоптимизация скрытия объектов от радиолокационных средств наблюденияоценка реализуемости оптимального скрытия объектов.

Для достижения поставленных целей в работе решены следующие основные задачи:

1. Разработка описательной модели современных PJI средств наблюдения.

2. Разработка методического аппарата количественного описания скрытности объектов от PJI средств наблюдения, основанного на информационных показателях неопределенности в виде энтропии апостериорных вероятностных распределений параметров объектов, оцениваемых по результатам PJI наблюдения.

3. Выявление условий, выполнение которых обеспечивает оптимальное скрытие объектов от PJI средств наблюдения.

4. Оценка реализуемости условий оптимального скрытия объектов от PJI средств наблюдения путем создания радиопомех различных типов.

5. Анализ эффективности предложений по оптимизации скрытия ВО от PJI средств наблюдения.

Методы исследований основаны на использовании аппарата теории вероятностей и теории информации, математического анализа, методов имитационного моделирования, а также теоретических основ статистической радиотехники, радиолокации и радиоэлектронной борьбы.

Научная новизна результатов исследований состоит в следующем:

1. Разработан методический аппарат количественного описания скрытности объектов от PJI средств наблюдения, основанный на информационных показателях неопределенности в виде энтропии апостериорных вероятностных распределений параметров объектов, оцениваемых по результатам PJI наблюдения.

2. Выявлены условия, выполнение которых обеспечивает оптимальное (по критерию наибольшей апостериорной неопределенности) скрытие факта присутствия и пространственного положения объектов от PJI средств наблюдения.

3. Выполнена оценка реализуемости условий оптимального скрытия объектов от средств PJI наблюдения путем создания радиопомех различных типов.

4. Разработаны алгоритмы управления мощностью шумовой и имитирующей помехи сканирующему PJI пеленгатору, обеспечивающие оптимизацию скрытия положения лоцируемого объекта в. угловой зоне в режиме самозащиты.

5. Выполнен анализ эффективности оптимизированного скрытия положения объекта в угловой зоне путем создания PJI пеленгатору инверсных помех самозащиты.

Практическая значимость результатов работы состоит в том, что разработанный методический аппарат количественного описания скрытности позволяет получать количественные оценки уровней скрытности факта присутствия, координат и других параметров от PJT средств наблюдения и разрабатывать технически реализуемые предложения по организации наилучшего скрытия объектов в виде типов, способов создания и алгоритмов управления параметрами помех PJI средствам наблюдения.

Реализация и внедрение результатов работы.

Научные и практические результаты работы использованы в процессе выполнения НИР «Разработка аналитического аппарата количественного описания скрытности и оптимизации скрытия объектов от средств наблюдения» в< рамках аналитической ведомственной? целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006;2008 годы)». Министерство образования и науки РФ, Федеральное агентство по образованиюпроект № 4203.

Достоверность полученных результатов обусловливается использованием в процессе исследований адекватных описательных и математических моделей, корректным использованием математического аппарата и логической обоснованностью выводов, а также подтверждением полученных оценок методами имитационного моделирования.

Апробация результатов работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

1. Научно-техническая конференция к 80-летию со дня рождения д.т.н. профессора Бакулева П. А. «Информационные технологии и радиоэлектронные системы — 2008», Москва, МАИ, 19 апреля 2008 г.

2. Всероссийская конференция ученых, молодых специалистов и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике-2008», Москва, МАИ, 21−24 апреля 2008 г.

3. 16-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2009», Зеленоград, МИЭТ, 22−24 апреля 2009 г.

4. 2-я Всероссийская конференция ученых, молодых специалистов и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике-2009», Москва, МАИ, 20−24 апреля 2009 г.

5. Научно-техническая конференция ученых «Информационные технологии и радиоэлектронные системы», посвященной 100-летию профессора Б. Ф. Высоцкого, Москва, МАИ, 2009 г.

Публикации. По основным результатам выполненных исследований опубликовано 1 статья, 3 тезиса докладов и 1 доклад в сборнике докладов на научно-технических конференциях. Результаты работы использованы в промежуточном и заключительном отчетах по 1 НИР, выполненной' по в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006;2008 годы)». Министерство образования и науки РФ, Федеральное агентство по образованию, проект № 4203.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработанный методический аппарат количественного описания скрытности, основанный на информационных показателях неопределенности в виде энтропии апостериорных распределений вероятностей параметров объектов, оцениваемых по результатам PJ1 наблюдения, позволяет получать количественные оценки скрытности факта присутствия объекта, скрытности траектории объекта, скрытности пространственного положения объекта в пределах зоны, содержащей совокупность элементов разрешения PJI обнаружителя, а также в пределах зоны анализа PJI измерителя.

2. На основе предложенных энтропийных показателей скрытности возможны постановка и решение задач оптимизации скрытия объектов от PJT средств наблюдения. Полученные решения задач оптимизации скрытия объектов имеют вид соотношений между вероятностями правильного обнаружения и ложной тревоги PJI обнаружителя, а также априорными вероятностями присутствия скрываемых объектов.

3. Полученные решения задач оптимизации, требующие путем создания помех РЛ наблюдению объектов обеспечить равенство вероятностей правильного обнаружения и ложной тревоги PJI обнаружителя, являются условиями, выполнение которых обеспечивает достижение потенциально возможных уровней (теоретического предела) скрытности параметров объекта.

4. Реализация полученных условий оптимального скрытия возможна без знания априорных вероятностей присутствия объекта на стороне PJI наблюдателя. Достигаемый при этом эффект заключается в том, что подавляемый РЛ наблюдатель не получает по результатам наблюдения новой информации о скрываемом объекте по отношению к уже имеющейся у него априорной информации.

5. Реализуемость полученных условий оптимального скрытия объектов путем создания помех PJI наблюдению имеет ограничения, а именно: с помощью маскирующей помехи возможна реализация только нестрогого условия оптимального скрытия объекта, а с помощью имитирующей помехи возможна реализация оптимального скрытия для всех элементов зоны, кроме того элемента, где расположен объект.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 191 машинописных страницах и состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы. Иллюстративный материал представлен в виде 31 рисунка и 0 таблиц.

Список литературы

включает 90 наименований.

6.3 Выводы.

Анализ полученных результатов модельного эксперимента позволяет сделать следующие выводы.

1 .Использование постановщиков активных шумовых помех и имитирующих помех типа «ложные отметки» в режиме самозащиты позволяет затруднить РЛС задачу определения угловых координат защищаемого ВО. Размер создаваемой зоны неопределённости зависит от располагаемых постановщиком помех мощности и чувствительности приемника РТР, а также от расстояния между РЛС и защищаемым ВО.

2. Увеличение максимальной располагаемой мощности ПАП приводит к увеличению размера зоны скрытия, однако при увеличении мощности выше некоторого значения размер создаваемой зоны скрытия перестает увеличиваться, что обусловлено невозможностью приёмника РТР постановщика помех с чувствительностью^{обнаруживать} зондирующие сигналы РЛС с некоторых направлений.

3. Повышение уровня чувствительности приемника РТР постановщика помех приводит к увеличению размера создаваемой ЗС, так как более чувствительный приемник РТР обнаруживает зондирующие сигналы РЛС с большего числа угловых направлений, что позволяет создавать ответные помехи в соответствующих элементах разрешения. Однако при повышении чувствительности сверх некоторого уровня рост размера создаваемой ЗС прекращается. Причиной прекращения увеличения размера ЗС является ограниченная максимальная мощность постановщика помехи.

4. При уменьшении, расстояния между постановщиком помех самозащиты и подавляемой РЛС размер создаваемой ЗС для ИМП увеличивался, для ШП уменьшался.

5. Сравнение размеров зон скрытия, достигаемых при действии на РЛС оптимизированных шумовых и имитирующих помех показывает, что имитирующие помехи с изменяемой мощностью обладают преимуществом. При одинаковых уровнях мощности и чувствительности приёмников РТР постановщиков шумовой и имитирующей помех выигрыш в размере зоны скрытия, получаемый при использовании имитирующей помехи типа «ложные отметки», по результатам эксперимента составил от 1,5 до 5 раз.

6. Оптимизированные помехи с управляемой мощностью позволяют создавать большие размеры ЗС, чем помехи с постоянной мощностью, так как закон управления мощностью обеспечивает выполнение условия оптимального скрытия. По результатам модельного эксперимента с указанными выше параметрами использование имитирующей помехи типа «ложные отметки» с мощностью, управляемой по инверсному закону, обеспечивает увеличение размера ЗС в (1,5. 2,5) раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основными результатами диссертации являются следующие:

1. Разработана описательная модель современного РЛ средства (РЛС) наблюдения как объекта противодействия с целью скрытия лоцируемых объектов. Проанализированы особенности и основные характеристики РЛС, выявлены состав и содержание базовых операций РЛ наблюдения.

2. Предложено структурное описание скрытности объекта от РЛ наблюдения, основанное на составе базовых операций РЛ наблюдения. Введены понятия скрытности факта присутствия, пространственного положения и других РЛ параметров объекта.

3. Разработан методический аппарат количественного описания скрытности объектов от РЛ средств наблюдения, основанный на информационных показателях неопределенности в виде энтропии апостериорных распределений вероятностей параметров объекта, оцениваемых по результатам РЛ наблюдения.

4. Сформулировано предположение о возможности и сущности оптимизации скрытия объектов от РЛ наблюдения. Разработаны предложения по постановке и решению задач оптимизации скрытия объектов от РЛ наблюдения на основе информационных показателей неопределенности.

5. Получены решения задач оптимизации в виде условий, выполнение которых обеспечивает достижение потенциально возможных уровней скрытности факта присутствия объекта в рассматриваемом элементе разрешения, а также скрытности траектории объекта.

6. Получены решения задач оптимизации в виде условий, выполнение которых обеспечивает достижение потенциально возможных уровней скрытности пространственного положения объекта в пределах зоны, содержащей совокупность элементов разрешения, а также в пределах зоны анализа РЛ измерителя.

7. Выполнен анализ реализуемости условий оптимального по предложенным критериям скрытия объекта от PJI наблюдения путем создания маскирующих и имитирующих помех РЛС.

8. Разработаны предложения по реализации оптимизированного скрытия углового положения объекта путем создания шумовых и имитирующих помех самозащиты объекта.

9. Выполнен анализ эффективности оптимизированного скрытия углового положения объекта путем создания шумовых и имитирующих помех самозащиты методом компьютерного модельного эксперимента.