автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Алгоритмы и программно-аппаратное обеспечение комплекса траекторной обработки многофункциональных радиолокационных станций

Введение

1 Обзор алгоритмов и методов линейной и нелинейной фильтрации. Постановка задачи.

1.1 Общая структура обработки информации в многофункциональных РЛС

1.2 Оптимальные и квазиоптимальные алгоритмы линейной и нелинейной фильтрации при наличии аномальных и неинформативных измерений

1.2.1 Рекуррентные алгоритмы линейной фильтрации

1.2.2 Нелинейная фильтрация при наличии неинформативных наблюдений

1.2.3 Алгоритмы фильтрации при наличии неоднозначных измерений

1.2.4 Оценка вероятности появления аномальных измерений.

1.3 Алгоритмы фильтрации потоков разрешённых объектов

1.3.1 Определение апостериорных характеристик потока.

1.3.2 Задача фильтрации случайного потока.

1.4 Постановка задачи исследования

2 Разработка оптимальных и квазиоптимальных алгоритмов траекторией обработки

2.1 Разработка квазиоптимальных алгоритмов фильтрации потоков разрешённых объектов

2.1.1 Постановка задачи фильтрации.

2.1.2 Определение апостериорных характеристик потока.

2.1.3 Соотношения оптимального фильтра.

2.1.4 Соотношения квазиоптимального фильтра.

2.2 Оптимальные и квазиоптимальные алгоритмы нелинейной фильтрации при наличии неоднозначных измерений.

2.2.1 Постановка задачи

2.2.2 Байесовский подход.

2.2.3 Применение адаптивного байесовского подхода.

2.3 Оценка вероятности появления аномальных измерений.

2.3.1 Анализ аномальных измерений дальностной координаты в приёмнике максимального правдоподобия.

2.3.2 Обобщение на случай измерения координат нескольких объектов

2.3.3 Оценка вероятности правильного распределения единичных замеров

2.3.4 Алгоритмы распределения замеров.

3 Особенности аппаратной и программной реализации системы траекторией обработки РДК в современных системах с открытой архитектурой.

3.1 Вопросы построения открытых систем обработки радиолокационной информации

3.1.1 Стандарты открытых систем.

3.1.2 Обзор современных электронных компонентов вычислительного комплекса.

3.1.3 Общая структура вычислительных средств радиолокационного комплекса.

3.2 Построение программно-аппаратного комплекса траекторной обработки обзорной РЛС.

3.2.1 Задачи, решаемые ВК обзорной РЛС.

3.2.2 Структура комплекса, алгоритмы сигнальной обработки.

3.2.3 Выбор аппаратных и программных средств, реализация и результаты испытаний.

3.3 Вычислительный комплекс РЛС с ФАР.

3.3.1 Структура и аппаратные решения комплекса.

3.3.2 Реализация алгоритмов траекторной обработки.

Актуальность темы

Задачи, стоящие перед современными радиолокационными и радионавигационными средствами и системами непрерывно усложняются. С одной стороны, усложняется целевая обстановка — потоки объектов становятся более плотными, увеличивается число маневрирующих и разделяющихся объектов, в зоне ответственности радиолокационного комплекса присутствуют объекты разных классов. С другой стороны, усложняется радиолокационная техника — широко применяются сложные сигналы с многолепестковыми функциями неопределённости, разрабатываются многопозиционные радиолокационные комплексы и т.д. Это приводит к неоднозначности единичных измерений, появлению аномальных ошибок и, как следствие — к существенному усложнению алгоритмов вторичной обработки. Наконец, с расширением области применения радиолокационных средств, появляются новые потребители радиолокационной информации — навигационные и диспетчерские комплексы, устройства автоматизации управления транспортными средствами, охранные системы.

Таким образом, совершенствование алгоритмов вторичной обработки радиолокационной информации является насущной исследовательской задачей, представляющей большой научный, технический и практический интерес.

С другой стороны, развивается электронная и вычислительная техника. Соответственно возростают возможности обработки информации, в том числе — радиолокационной. Появляются более эффективные средства обработки радиолокационной информации, что, в свою очередь, повышает эффективность решения прикладных задач. В таких условиях экономически и технически оправдано на этапе проектирования радиолокационных средств закладывать возможность их модернизации в течение периода эксплуатации. Одним из путей реализации такого подхода является построение комплекса по принципу открытой системы [38]. Такой принцип подразумевает модульность, унификацию составных частей комплекса и широкое использование в конструкции стандартизованных решений1.

Цель работы

Основной целью настоящей работы является разработка алгоритмов, аппаратного и программного обеспечения для построенного по принципу открытой системы комплекса цифровой обработки информации многофункциональной PJ1C.

Методы исследования

В процессе предпринятых в диссертации исследований использовались: теория оценок, байесовский подход, адаптивный байесовский подход и теория случайных потоков. При разработке отдельных алгоритмов использованы эвристический синтез, численное моделирование и результаты отработки в реальных условиях.

Научная новизна

Развиты методы и получены соотношения для организации нелинейной фильтрации в многоцелевой обстановке:

Предложена структура и разработаны квазиоптимальные алгоритмы фильтрации процессов при наличии неоднозначных измерений. Разработаны пригодные для аппаратной и программной реализации методы и алгоритмы нелинейной фильтрации при наличии неоднозначных измерений.

Получены удобные для практического использования соотношения для оценки вероятностей формирования неинформативных измерений дальности в приёмнике максимального правдоподобия и в процессе распределения единичных замеров при высокой плотности потока радиолокационных объектов.

1 Понятие открытой системы допускает различные толкования, однако, для однозначности, в настоящей работе принято за основу определение, данное IEEE: "Открытая система — это исчерпывающая и последовательная совокупность международных стандартов в области информационных технологий и функциональных профилей стандартов, которая специфицирует интерфейсы, службы и поддерживаемые форматы для достижения взаимодействия и переносимости приложений, данных и персонала".

Практическая ценность

Синтезированные в работе алгоритмы квазиоптимальной фильтрации могут быть применены в различных радиолокационных комплексах автосопровождения, как кругового обзора, так и с ФАР, и при различных типах используемых сигналов, в том числе — с многолепестковой функцией неопределённости.

Разработаны замкнутые системотехнические решения по обеспечению траек-торной обработки информации в РЛС кругового обзора и многоканальных РЛС с ФАР.

Рекомендации по распределению задач обработки радиолокационной информации между специальными и универсальными вычислительными средствами могут быть использованы при построении программно-аппаратных комплексов РЛС.

Технические решения, положенные в основу общего и частных алгоритмов траекторной обработки информации, отработанные по реальным радиолокационным объектам в составе РЛС кругового обзора.

Приведённые в работе исследования вопросов реализации разработанных алгоритмов на современных вычислительных средствах с открытой архитектурой позволяют существенно снизить затраты на разработку, производство, обслуживание и модернизацию вычислительных комплексов РЛС автосопровождения.

Предложенная общая структура информационного взаимодействия компонентов радиолокационного комплекса позволяет разрабатывать радиолокационные средства для решения широкого класса задач автоматического сопровождения при максимально возможном повторном использовании отработанных аппаратных и алгоритмических решений.

Изложенные в работе технические решения использованы при разработке:

- Цифрового комплекса обработки информации некогерентных РЛС "ЦКН-Радиофизика";

- Универсального комплекса обработки радиолокационной информации "Наблюдатель" для региональной информационной сети "Полоса-ПВ";

- Вычислительного комплекса МРЛС "Лама-М" с ФАР.

Заключение

В работе синтезированы квазиоптимальные алгоритмы оценки параметров движения радиолокационных объектов в сложной целевой обстановке, при наличии аномальных, неинформативных и неоднозначных измерений. Для применения разработанных алгоритмов в реальных радиолокационных комплексах получены соотношения для оценки вероятностей формирования неинформативных измерений дальности в приёмнике максимального правдоподобия и в процессе распределения единичных замеров при высокой плотности потока радиолокационных объектов.

Рассмотренные алгоритмы квазиоптимальной фильтрации могут быть применены в различных радиолокационных комплексах автосопровождения, как кругового обзора, так и с ФАР, и при различных типах используемых сигналов, в том числе — с многолепестковой диаграммой направленности.

Рекомендации по распределению задач обработки радиолокационной информации между специальными и универсальными вычислительными средствами могут быть использованы при построении программно-аппаратных комплексов РЛС.

Технические решения, положенные в основу общего и частных алгоритмов траекторной обработки информации, отработаны по реальным радиолокационным объектам в составе радиолокационного комплекса кругового обзора.

Приведённые в работе исследования вопросов реализации разработанных алгоритмов на современных вычислительных средствах с открытой архитектурой позволяют существенно снизить затраты на разработку, производство, обслуживание и модернизацию вычислительных комплексов РЛС автосопровождения.

Предложенная общая структура информационного взаимодействия компонентов радиолокационного комплекса позволяет разрабатывать радиолокационные средства для решения широкого класса задач автоматического сопровождения при

1. A.A. Tolkackev, В.A. Levitan, G.K. Solovjev, V.V. Veytsel, V.E. Farber A Megawatt Power Millimeter-Wave Phased-Array Radar. // 1.EE Aerospace and Electronics Systems Magazine, Jul. 2000, Vol. 15 No 7, p25.

2. E. Piassa A-SMGCS Routing and Guidance Functions. // IEEE Aerospace and Electronics Systems Magazine, Jul. 2000, Vol. 15 No 7, pl5

3. IMO Resolution А/Щ(Х1) adopt. 5 Nov. 1979, Performance Standards for Automatic Radar Plotting Aids (ARPA).

4. Бакут П. А., Жулина Ю. В., Иванчук Н. А. Обнаружение движущихся объектов // М.: Сов. радио, 1980.

5. Бакут П. А., Иванчук Н. А. Вычисление апостериорных характеристик потока разрешённых объектов // Изв. АН СССР, Техническая кибернетика, 1976, № 6.

6. Стратонович Р. Л. Условные марковские процессы и их применение к теории оптимального управления. // МГУ. М., 1966.

7. Татарский В. И. Некоторые методы решения стохастических дифференциальных уравнений. // Известия ВУЗ, 1974, Радиофизика, том XVII, № 4.

8. Большаков И. А., Ракошиц В. С. Прикладная теория случайных потоков. // М.: Сов. радио, 1978.

9. Большаков И. А. Статистические проблемы выделения потока сигналов из шума. // М.: Сов. радио. 1969.

10. Kalman R. Е. A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems. // Trans. ASME, J. Basic Engineering, March 1960.

11. Kaiman R. E., Endlar T. S., Bucy R. S. Fundamental Study of Adaptive Control Systems. // ASD-TR-61-27, I, April 1962.

12. JIu Р. Оптимальные оценки, определение характеристик и управление. // М.: Наука 1996.

13. Котельников В. А. Теория потенциальной помехоустойчивости. // М.: Госэнер-гоиздат, 1956.

14. Вудворд Ф. М. Теория вероятностей и теория информации с применением в радиолокации. // М.: Сов. радио, 1955.

15. Фалъкович С. Е. Оценка параметров сигнала. // М.: Сов. радио, 1970.

16. Куликов Е. И., Трифонов А. П. Оценка параметров сигнала на фоне помех. // М.: Сов. радио, 1978.

17. Лившиц Н. А., Фарбер В. Е., Шапиро Е. И. Решение задачи нелинейной фильтрации при наличии неинформативных результатов наблюдений. // М.: Радиотехника и электроника № 7, 1984.

18. Шапиро Е. И. // Радиотехника и электроника, 1980, № 2, стр. 290-295.

19. Сосулин Ю. Г. Теория обнаружения и оценивания стохастических сигналов. // М.: Сов. радио, 1976.

20. Кендал В. Однозначное и точное измерение углов интерферометрической системой. // Зарубежная электроника, 1966, № 6.

21. Фалъкович С. Е., Хомаков Э. Н. Статистическая теория измерительных систем. // М.: Радио и связь, 1981.

22. Денисов В. П. О потенциальной точности фазового пеленгатора с антенной системой в виде линейной решётки. // Радиотехника и электроника, 1976, № 5.

23. Поваляев А. А. Об оценке максимального правдоподобия в многоканальном измерительном устройстве. // Радиотехника и электроника, 1976, № 5.

24. Белов В. И. Алгоритмы устранения неоднозначности в фазовой многоканальной измерительной системе. // Радиотехника и электроника, 1976, № 8.

25. Канцедал В. М., Фалъкович С. Е. Сравнение качественных показателей многоканальных систем с теоретическими предельными. // Радиотехника и электроника, 1977, № 3.

26. Шапиро Е. И. Стабильное решение задачи нелинейной фильтрации в дискретном времени. // Автоматика и телемеханика, 1980, № 5.

27. Куркин О. М., Шапиро Е. И. Решение задачи нелинейной фильтрации в условиях неоднозначных измерений. // Радиотехника и электроника, 1983, № 8.

28. Репин В. Г., Тартаковский Г. П. Статистический синтез при априорной неопределённости и адаптация информационных систем. // М.: Сов. радио, 1977.

29. Собцов Н. В. К задаче регрессии при неоднозначных измерениях. // Радиотехника и электроника, 1978, № 6.

30. Розов Л. С., Собцов Н. В. Задача фильтрации в условиях неоднозначных измерений. // Радиотехника и электроника, 1980, № 9.

31. Фарбер В. Е. Сравнительный анализ форм записи квазиоптимальных алгоритмов фильтрации при наличии аномальных и неинформативных результатов измерений. // Изв РАН. Техническая кибернетика, 1992, № 3.

32. Егорова Н. Ю., Фарбер В. Е. Анализ точностных характеристик и устойчивости нелинейных алгоритмов оценки параметров движения КА при наличии аномальных измерений. // Космические исследования, 1994, т. 32, № 4-5.

33. Ершов А. А. Стабильные методы оценки параметров (обзор). // Автоматика и телемеханика, 1978, № 8.

34. Хампелъ, Э. Рончетти, П. Рауссеу, В. Штаэль Робастность в статистике. Подход на основе функций влияния. // М.: Мир, 1989.

35. Кузьмин С. 3. Основы теории цифровой обработки радиолокационной информации. // М.: Сов. радио, 1974

36. Кузьмин С. 3. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информации. // М.: Радио и связь, 1986

37. Грищенко Н.С., Кириченко А.А., Коломейцева Т.А., Логинов В.П., Тихомирова Н.Г. Оценивание параметров движения маневрирующих объектов. // Зарубежная радиоэлектроника, N2 4, 1983.

38. Открытые системы Материалы к межотраслевой Программе "Развитие и применение открытых систем". // М. 1995.

39. Эрглис К. Э. Интерфейсы открытых систем. // М.: Горячая линия — Телеком, 2000

40. Гук М. Интерфейсы ПК: справочник. // СПб.: Питер, 1999

41. Гук М. Процессоры Intel: от 8086 до Pentium II. // СПб.: Питер, 1997.

42. Шагурин И. И., Бердышев Е. М. Процессоры семейства Intel Р6. Архитектура, программирование, интерфейс. // М.: Горячая линия — Телеком, 2000

43. Робачевский А. М. Операционная система UNIX. // СПб.: БХВ — Санкт-Петербург, 2000.

44. Сазонов А. В. Аппаратная и программная реализация сигнальной обработки для обзорной PJIC. // Дипломная работа МФТИ, 2000.

45. Стешенко В. Б. Проектирование аппаратуры цифровой обработки сигналов на ПЛИС с использованием языка описания аппаратуры VHDL // М.: Цифровая обработка сигналов, № 1, 2001.

46. Стешенко В. Б. Программируемые логические интегральные схемы: обзор архитектур и особенности применения в аппаратуре ЦОС. // М.: Цифровая обработка сигналов, ЛГо 2, 2000.

47. Никитин М. В., Ампилов О. В. Особенности свёртки ФКМ сигналов в радиолокации и системах GPS. // Молодёжная научно-техническая конференция "Радиолокация и связь на пороге третьего тысячелетия. М. 2000.

48. Киммел П. и др. Borland С++: Пер. с англ. // СПб.: BHV, 2000.

49. Атаев Д. И., Болотников В. А. Аналоговые интегральные микросхемы для бытовой радиоаппаратуры: Справочник. // М.: Изд-во МЭИ, ПКФ "Печатное дело", 1992.

50. Колин К. К., Липаев В. В. Проектирование алгоритмов управляющих ЦВМ. // М.: Сов. радио, 1970.

51. HSP45256 Binary Correlator // Harris Corporation Jan. 1994 File Number 2814.3

52. Altera FLEX 10KE Embeded Programmable Logic Family Datasheet ver. 2.02 // Altera Corporation Aug. 1999. File A-DS-F10KE-02.02

53. Virtex-E Extended Memory Field Programmable Gate Arrays Preliminary Product Specification v.1.2 // Xilinx, Inc. Sep. 2000.

54. SPOX-BSP Руководство по программированию для iscDSP3x/4x // M: AO "Инструментальные системы", 1998.

55. ADSP-2106x SHARC DSP Microcomputer Family ADSP-21062/ADSP-21062L Datasheet rev.C // Analog Devices, Inc. 2000.

56. C/C++ Compiler & Library Manual for ADSP-21xxx Family DSP's second rev. // Analog Devices, Inc. June 2001.

57. Максвелл С. Ядро Linux в комментариях. // К.: ДиаСофт, 2000.

58. Short Form 2000 Designer's Guide // Analog Devices, Inc. 2000.

59. Корнеев В. В., Киселев А. В. Современные микропроцессоры. Справочник. // М.: Нолидж, 2000.

60. TMS320c6201, TMS320c6201B Digital Signal Processors. // Texas Instruments Incorporated, 1998

61. Эскизный проект. ОКР "Лама-М" Разработка многофункциональной PJTC ми-лиметрового диапазона длин волн с ФАР для зенитных ракетно-пушечных комплексов ближнего действия. Пояснительная записка. // М.: ОАО "Радиофизика", 2001.

62. Никитин К. В., Топчиев С. А., Фарбер В. Е. Алгоритм сопровождения групп морских объектов в сложной сигнально-помеховой обстановке. // Материалы научно-практической конференции НИИТЦ ФПС России, 20-21 октября 1999г., стр. 192-198. М.: 2000.

63. Ампилов О. В., Никитин К. В., Сазонов А. В., Топчиев С. А. Радиолокационно-тепловизионный комплекс береговой охраны ФПС России. // Сборник статей научно-практической конференции технические средства ФПС Граница-2000