Вторичная обработка информации в двухпозиционной радиолокационной системе в декартовой системе координат

Совершенствование средств радиолокации заключается в повышении требований к основным характеристикам радиолокационных систем (PJIC) таким как:

— дальность обнаружения воздушных целей;

— точность определения координат цели;

— пропускная способность;

— эффективность защиты от различного рода помех;

— повышение живучести и др.

Несмотря на значительный прогресс в технике основных элементов и устройств (антенн, передатчиков, приемников, устройствобработки информации), возросшие требования во многих случаях не удается реализовать при использовании однопозиционной РЛС. Необходимо совершенствовать принципы построения радиолокационных станций и систем.

Одно из перспективных направлений — переход от однопозиционных РЛС к многопозиционным радиолокационным системам (МП РЛС), состоящим из разнесенных в пространстве передающих и приемных пунктов (или однопозиционных РЛС), совместно ведущих радиолокационное наблюдение целей [1, 7, 8, 21, 26, 30, 34, 38, 40, 46, 50, 51]. В МП РЛС более эффективно использование радиолокационной информации (РЛИ).

Применение МП РЛС в системах противовоздушной обороны (ПВО), способных работать как в активном, так и в пассивном режимах, значительно усложняет проведение радиопротиводействия для противника [51,. 53]. Кроме того, многопозиционная система позволяет повысить точность оценивания координат цели [1, 42, 46, 50], живучесть РЛС в условиях применения противорадиолокационных ракет (ПРР) «Шрайк», «AGM-88 HARM», «ALARM», «ARMAT», «SIDEARM» [2] и улучшить другие характеристики [50, 52, 53].

Объединение отдельных гражданских радиолокационных средств в МП РЛС является перспективным направлением развития систем управления воздушным движением (УВД) [46]. Многопозиционное построение в условиях высокой загрузки трасс, высокого уровня помех позволяет повысить живучесть системы при выходе из строя одной или нескольких РЛС, точность сопровождения, разрешающую способность. Наиболее высокие показатели сопровождения целей достигается, когда все радиолокационные станции, входящие в состав МП РЛС, сопровождают все цели в общей зоне действия. С другой стороны, зона действия может быть расширена, если каждый вынесенный приемный пункт (ВПП) сопровождает не все цели, сопровождаемые другими ВПП.

Существенный вклад в развитие теории и принципов построения многопозиционных радиолокационных систем внесли Аверьянов В. Я., Черняк B.C., Ширман Я. Д., Алмазов В. Б., Манжос В. Н., А. Фарина, Ф. А. Студер и др. [1, 3, 4, 5, 26, 27, 34, 46, 51, 52]. Анализ сведений приведенных в отечественных и зарубежных работах позволяет сделать вывод о том, что для реализации возможностей МП РЛС требуется решение комплекса взаимосвязанных теоретических и практических задач.

К настоящему времени часть из них уже изучена. Так, например в работах [27, 46, 50, 52, 53] исследованы потенциальные возможности обнаружения и измерения координат воздушного судна. Кроме того, в [1, 19, 34, 46, 50] рассмотрены вопросы по определению зон обнаружения ипроведен анализ способов согласования обзора пространства в МП РЛС. Значительное расширение возможностей практической реализации результатов теоретических исследований возникает с внедрением в радиолокационное оборудование цифровых методов обработки сигналов. Эффективные результаты достигнуты в области разработки быстродействующих, устойчивых к вычислительным погрешностям алгоритмов вторичной обработки [19, 23, 24, 28, 29, 39, 46, 47, 50, 54, 56, 57, 58, 60]. Анализ применения линейных рекуррентных алгоритмов оценивания координат цели в МП РЛС и вопросов повышения ее точностных характеристик за счет объединения координатной информации проводился в работах [7, 26, 28, 29, 34, 45].

Объединение вышеизложенных направлений с централизованной вторичной обработкой информации позволяет создать оптимальную многопозиционной систему. Вместе с тем, оптимальной многоканальной фильтрации присущи следующие недостатки [34]:

— возможность работы только в централизованном режиме;

— большой объемвычислительных операций в пункте обработки информации для определения параметров траектории цели;

— необходимость передачи с приемных пунктов в пункт обработки информации всего объема получаемой информации;

— низкая живучесть;

— необходимость предварительного приведения оценок приемныхпунктов к единой системе координат и т. д.

Из вышесказанного видно, что построение оптимальной МП PJIC вызывает определенные трудности. Поэтому анализ известных и разработка новых алгоритмов децентрализованной вторичной обработки РЛИ для МП PJIC, обеспечивающих высокую точность оценивания координатной информации, является актуальной задачей.

В качестве многопозиционной радиолокационной системы предлагаем использовать двухпозиционную радиолокационную систему с децентрализованной вторичной обработкой РЛИ. Выбор такого упрощенного варианта системы обусловлен тем, что основные закономерности многопозиционного приема в полной мере проявляются в двухпозиционной системе [31]. При этом значительно проще в технической реализации МП PJIC и сохраняют преимущества, по повышению точности определения координат целей, помехозащищенности, перед однопозиционными РЛС [46, 50].

В диссертационной работе осуществляется разработка и анализ 3-х вариантов децентрализованной системы обработки координатной информации, состоящей из рекуррентных алгоритмов фильтрации координат цели в ВПП. В первом варианте обработки сглаженные оценки координат цели по линиям связи из ВГТП передаются в пункт обработки информации (ПОИ) в котором осуществляется их комплексирование [62, 63, 64, 65,75].

Второй вариант обработки РЛИ отличается от первого тем, что в ВПП используется прогнозированная оценка, сформированная в ПОИ, на основе результирующей оценки вектора состояния. В рассматриваемых вариантах децентрализованной обработки РЛИ в ВПП осуществляется фильтрация оценок координат цели, основанная на применении прогнозируемой оценки вектора состояния [66, 71, 74].

В третьем варианте — повышение точности прогнозируемой оценки вектора состояния осуществляется за счет использования новой информационной технологии — технологии искусственных нейронных сетей (ИНС) [10, 15, 16, 17, 18, 32, 33, 41, 59.61, 67, 70, 72]. Она основана на принципах работы биологических структур. Главные их достоинства можно разделить на две основные группы: алгоритмические и аппаратные.

Нейронные сети (НС) предусматривают применение принципиально нового подхода к синтезу методов обработки в алгоритмическом смысле. При этом достигается гибкость и адаптивность работы, сохранение устойчиво высоких показателей при отличиях внешних условий от тех, которые рассматривались на этапе разработки, возможность построения эффективных систем без трудоемких построений аналитических описаний [13,43].

Применение специальных архитектур, имеющих множество одинаковых, достаточно простых элементов, позволяет использовать параллельные вычислительные средства, причем простота элементов позволяет реализовывать массовую параллельность вычислений. Достигаемое с помощью распараллеливания повышение быстродействия может составлять сотни и даже тысячи раз [11, 13, 15,33,49].

Многие задачи, возникающие при создании МП PJIC, не могут быть решены без проведения соответствующих исследований. Современные вычислительные средства с соответствующим программным обеспечением и высоким быстродействием позволяют произвести необходимые исследования, используя методы имитационного моделирования на ЭВМ [20].

Цель работы. Разработка алгоритмов позволяющих повысить точность оценивания декартовых координат цели в двухпозиционной РЛС по сравнению с известными.

Данная цель достигается решением следующих задач:

1. Разработкой алгоритмов обработки РЛИ, для различных вариантов применения прогнозированной оценки на этапе внутрипунктовой фильтрации сигналов.

2. Разработкой модифицированных алгоритмов фильтрации Калмана (ФК) в бистатической и двухпозиционной РЛС при различных видах моделей движения цели.

3. Использованием искусственных нейронных сетей (ИНС) для повышения точности прогнозированных оценок.

Предмет исследования. Предметами исследования являются способы и устройства вторичной обработки сигналов в МП РЛС. Модели процесса взаимодействия радиоволн с объектами в воздухе.

Методы исследований. Решение поставленных задач было осуществлено на основе теории радиолокации, математической статистики, линейной алгебры и имитационного моделирования на ЭВМ.

На защиту выносится:

1. Алгоритмы вторичной обработки в двухпозиционной РЛС, обеспечивающие повышение точности оценивания цели в декартовой системе координат, по сравнению с известными.

2. Алгоритм децентрализованной обработки в двухпозиционной РЛС с обратной связью из пункта обработки информации (ПОИ) в вынесенные приемные пункты (ВПП), значительно повышающий (20%) точность оценивания координат цели, чем алгоритм без обратной связи.

3. Нейрокомпьютерные алгоритмы обработки в двухпозиционной РЛС, которые позволяют повысить точность прогнозированной оценки вектора состояния объекта, по сравнению с ФК.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработан децентрализованный алгоритм вторичной обработки РЛИ в двухпозиционной РЛС с обратной связью из ПОИ в ВПП, позволяющий оценивать координаты цели с большей точностью, чем без обратной связи.

2. Разработан способ формирования прогнозированной оценки текущих координат цели с применением ИНС, позволяющий повысить точность прогнозированной оценки.

3. Получены эффективные алгоритмы вторичной обработки РЛИ с применением ИНС, позволяющие повысить точность оценки вектора состояния цели.

Практическая ценность. Заключается в улучшении тактико-технических характеристик однопозиционных РЛС и МП РЛС за счет созданных вычислительных программ, позволяющих реализовать разработанные алгоритмы, которые могут использоваться при построении систем обработки РЛИ для существующих и перспективных РЛС.

Достоверность научных и практических результатов. Подтверждается корректным применением математического аппарата, обоснованностью приводимых выкладок и математических преобразований, расчетами при помощи среды программирования MATLAB 6.5 на ЭВМ. Результаты диссертационной работы внедрены в Научно-исследовательском институте радиотехники КГТУ, в Открытом акционерномобществе Научно-исследовательский институт измерительных приборов, а также в учебном процессе на кафедрах «Систем автоматического управления» СибГАУ, «Радиотехника» КГТУ, что подтверждено соответствующими актами о внедрении.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались: на VIII Всероссийском семинаре «Нейроинформатика и её приложения» в г. Красноярске (2000 г.) — на IV Всероссийской научной конференции «Решетневские чтения» в г. Красноярске (2000 г.) — на III всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Современные проблемы радиоэлектроники», посвященной 106-й годовщине Дня Радио, Красноярск, (2001 г.) — на Всероссийской научной конференции с международным участием «Проблемы развития и интеграции науки, профессионального образования и права в третьем тысячелетии» в г. Красноярск (2001 г.) — на V Всероссийской научной конференции «Решетневские чтения» в г. Красноярске (2001 г.) — на VI международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» в г. Новосибирске (2002 г.) — на VI Всероссийской научной конференции «Решетневские чтения» проводимой в составе 2-го Международного Сибирского авиационно-космического салона «САКС-2002» в г. Красноярске (2002 г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ.

Результаты решения перечисленных задач составляют основное содержание данной работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы и двух приложений. Работа изложена на 144 страницах машинописного текста, включает 69 рисунков, в список литературы включено 75 наименований, в том числе 14 работ автора (8 в соавторстве).

Основные результаты диссертационных исследований алгоритмов получения и обработки координатной информации о целях в малобазовых бистатической и двухпозиционной системах, полученные при выполнении настоящей работы, можно сформулировать следующим образом:

1. Для слежения за маневрирующими целями в бистатической PJIC предложены и проведено имитационное моделирование двух вариантов практической реализации адаптивных к маневру следящих фильтров. Первый предполагает наличие двух фильтров, переключение которых осуществляется при обнаружении маневра, второй — изменение структуры одного фильтра. В обоих случаях по данным моделирования и результатам их статистической обработки обеспечивается устойчивая фильтрация оценок координат маневрирующей цели.

2. Исследован алгоритм вторичной обработки РЛИ для двухпунктовой системы с автономными сглаживающими фильтрами в пунктах. Анализ предложенного алгоритма методом статистического моделирования показал достижимую точность оценивания в установившемся режиме, что соответственно обеспечивает повышение точности оценивания координат цели на 20−40% по сравнению с бистатической РЛС с алгоритмом ФК.

3. Проведен анализ дополнительных возможностей повышения точности оценивания координат цели на примере двухпозиционной радиолокационной системы. Для повышения точности фильтрации оценок в пунктах предложено использование в них результирующего прогноза, полученного в пункте обработки информации. При этом объединение предварительно отфильтрованных оценок предусматривалось с учетом взаимной корреляции ошибок фильтрации в пунктах.

Результаты, полученные при имитационном моделировании, показали, что процесс фильтрации с применением обратной связи из ПОИ в ВПП, является устойчивым и сходящимся. Точность оценивания координат в установившемся режиме на 10%-20% выше чем без обратной связи.

4. Разработан вариант применения нейрокомпьютерных алгоритмов с целью повышения точности фильтрации оценок координат аэродинамической цели. На основе рекуррентных алгоритмов Калмана разработан алгоритм вторичной фильтрации с применением ИНС (ФНС-алгоритм). Для повышения точности оценивания координат цели предлагается в известном алгоритме фильтрации производить вычисление прогнозированного вектора состояния при помощи, обученной нейронной сети.

5. Предложены и исследованы варианты применения ИНС для повышения точности прогнозированного значения оценки вектора состояния, как на этапе прямолинейного движения цели, так и на этапе когда цель совершает маневрирование.

6. Анализ разработанного ФНС алгоритма был проведен на примере бистатической и двухпозиционной РЛС. Данный алгоритм позволяет повысить точностные характеристики фильтрации координат цели по сравнению с алгоритмами фильтрации Калмана, использованными в аналогичных станциях и системах. Среднеквадратические ошибки оценивания координат разработанного алгоритма на 10%-40% меньше на прямолинейном участке и в 1.1−2 раза на участках когда цель совершает маневрирование. Контроль параметров фильтров позволяет судить об устойчивости процесса фильтрации.

7. Разработано программное обеспечение, позволяющее производить моделирование, а также анализ эффективности разработанных и традиционных алгоритмов.

8. Разработанные алгоритмы могут быть использованы при разработке и модернизации алгоритмов оценивания параметров в PJIC обнаружения и сопровождения целей.

В заключении автор выражает благодарность научному руководителюкандидату технических наук, доценту Богомолову Н. П. за постоянную помощь и внимание. Автор выражает благодарность Заслуженному деятелю науки и техники Р.Ф., Действительному члену международной академии информатизации, член-корреспонденту СО РАН, доктору технических наук, профессору, Шайдурову Г. Я., а также доктору технических наук, профессору кафедры «Нейро ЭВМ» КГТУ Миркесу Е. М. за помощь, полезные советы и замечания в ходе работы над диссертацией.

Заключение

.

В диссертационной работе исследованы особенности вторичной обработки радиолокационной информации в многопозиционной радиолокационной системе в декартовой системе координатпредложены и исследованы алгоритмы вторичной обработки, повышающие точность оценивания координат аэродинамической целипроведен анализ влияния изменения внутренних и внешних параметров на показатели качества алгоритмов фильтрации.