Исследование комплекса наземной отработки космического радиолокатора с синтезированной апертурой как сложной системы

Лепехина, Татьяна Александровна

Радиолокация и радионавигация

автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.14, диссертация на тему:Исследование комплекса наземной отработки космического радиолокатора с синтезированной апертурой как сложной системы

кандидата технических наук: Лепехина, Татьяна Александровна
город: Москва
год: 2010
специальность ВАК РФ: 05.12.14

Диссертация по радиотехнике и связи на тему «Исследование комплекса наземной отработки космического радиолокатора с синтезированной апертурой как сложной системы»

Автореферат диссертации по теме "Исследование комплекса наземной отработки космического радиолокатора с синтезированной апертурой как сложной системы"

004615439

С7МТ

Лепёхина Татьяна Александровна

Исследование комплекса наземной отработки космического радиолокатора с синтезированной апертурой как сложной системы

Специальность 05.12.14 Радиолокация и радионавигация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

-2 ДЕК 2010

Москва-2010 г.

004615439

Работа выполнена в государственном унитарном предприятии «Научно-производственный центр «СПУРТ» (г. Москва).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Толстов Евгений Федорович. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Сазонов Владимир Васильевич; кандидат технических наук Яковлев Александр Михайлович.

Ведущая организация:

ОАО «Корпорация «Фазотрон-НИИР», г. Москва.

Защита состоится « 2010 г. в // час.^^ мин. на заседании

диссертационного совета Д 850.012.01 при ГУЛ НПЦ «СПУРТ» по адресу: 124460, Москва, Зеленоград, 1-й Западный проезд, д.4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП НПЦ «СПУРТ».

Автореферат разослан 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Петров В.Г. >

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Расширение круга задач, решаемых с помощью космических радиолокаторов с синтезированной апертурой (РСА), влечёт за собой предъявление к ним более высоких требований, усложнение аппаратуры и систем обработки. Возрастает количество стран, в том числе развивающихся, которые становятся операторами собственных систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) с радиолокаторами на борту, способными обеспечить разрешающую способность не хуже 1 м. К сожалению, среди них нет ни одного российского. С чем связано такое положение дел, трудно трактовать однозначно, особенно если учесть выдающиеся успехи советской и российской космической радиолокации конца прошлого века. Например, когда возникла угроза гибели зажатого льдами в проливе Лонга каравана из 22 судов, РСА космического аппарата «Космос 1500» стал единственным средством, позволившим в условиях полярной ночи найти проход в многолетних льдах, по которому караван был выведен из района бедствия. Учитывая, что на тот момент одно судно уже было потеряно и каравану грозила неминуемая гибель с большими человеческими жертвами, значение возможностей имевшегося у страны радиолокационного спутника трудно переоценить. Триумфом советской космической радиолокации стало также успешное картографирование Венеры в 1983 г., оптическое наблюдение поверхности которой практически невозможно из-за особенностей атмосферы. Благодаря этому эксперименту человечество впервые увидело поверхность другой планеты. Последними успешными российскими проектами космических РСА были «Меч-К» и «Меч-КУ» в составе «Космос-1870» (1987-89 гг.) и «Ал-маз-1» (1991-92 гг.) с разрешением 15-20 м.

Успехи советской и российской космонавтики в значительной мере были обусловлены ответственным подходом к разработке системы наземных испытаний, так как результаты запусков были вопросом престижа страны. Несмотря на то, что уже в конце XX в. западные страны превосходили СССР по развитию вычислительной техники, советские инженеры и программисты компенсировали это применением более прогрессивных методов численного и статистического моделирования на отечественных ЭВМ, в том числе БЭСМ-6. Широко практиковались испытания на стендах натурного и полунатурного моделирования, в том числе с использованием аналого-цифровых вычислительных комплексов. Изготавливались технологические комплекты космических аппаратов в нескольких экземплярах («Венера», «Буран») и имитаторы различного назна-

чения. Помимо исчерпывающего объема проверок на составных частях, проводились испытания на полных комплектах аппаратуры в расширенных режимах. Значительная часть средств и времени выделялась для создания полигонов, комплексов для проведения тщательной наземной отработки.

Проблема создания современного комплекса наземной отработки (КНО) для проверки космического РСА и его составных частей, соответствующего возросшим требованиям, обусловлена высокой степенью сложности изделия и наличием большого числа факторов, влияющих на качество радиолокационного изображения (РЛИ). В настоящее время, наряду с совершенствованием технологий разработки космических РСА, развиваются и широко применяются методы математического и полунатурного моделирования на всех стадиях жизненного цикла изделия - от разработки принципов построения аппаратуры и определения требований технического задания (ТЗ) до экспериментальной отработки, разработки методик измерений параметров и проведения всех видов испытаний, включая комплексные испытания в составе космического аппарата, а также сопровождения эксплуатации космического РСА с целью определения деградации параметров и диагностики отказов. Таким образом, значительные интеллектуальные и материальные затраты по созданию стендов математического и полунатурного моделирования в составе КНО вполне оправданы и являются необходимыми мерами для успешной реализации требований, предъявляемых к современному РСА.

В опубликованных в последние годы зарубежных материалах большое внимание уделяется вопросам наземных испытаний, математического моделирования, внутренней и внешней калибровки с целью обеспечения требуемых параметров РСА. Приводятся результаты измерения сквозных параметров тракта космического РСА, влияющих на качество изображения, полученные в процессе эксплуатации аппаратов Radarsat-1, Envisat-1, TerraSAR-X и других.

Несмотря на высокую стоимость, затраты на проведение тщательной наземной отработки локаторов TerraSAR-X и SAR-Lupe оказались вполне оправданными: предварительная стадия подготовки аппаратуры РСА к штатной эксплуатации после её вывода на орбиту оказалась существенно меньше ожидаемой. Уже первые полученные изображения полностью соответствовали требованиям, предъявляемым к качеству РЛИ.

В докладах европейских исследователей, сделанных на последних конференциях EUSAR, значительное внимание уделяется совершенствованию подходов к калибровке и наземной отработке, связанному с анализом результатов многолетней эксплуатации аппаратов, в числе которых RADARSAT-1,

ENVISAT ASAR, и усложнением режимов съёмки в новых РСА Sentinel-1, COSMO-SkyMed, Tandem-X. Следует отметить, что эти исследования уже много лет ведутся одними и теми же коллективами специалистов.

В последнее время из-за отсутствия у России космических РСА высокого разрешения складывается тенденция к ориентированию отечественных заказчиков на использование радиолокационных данных иностранных спутников, что может поставить страну в зависимость от зарубежных космических средств наблюдения. В сложившейся ситуации тщательное проведение полного цикла наземных испытаний космического РСА, к которому, несмотря на новизну отечественной разработки, предъявляются требования на уровне лучших мировых стандартов, приобретает особую роль.

Учитывая ряд неудач в работе спутников дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и анализируя успешный опыт зарубежных коллег, можно сделать вывод, что разработка математических моделей аппаратуры, создание стендов полунатурного моделирования, моделирование обработки сигналов в РСА, обеспечение внутренней и внешней калибровки, проведение полного объёма наземных испытаний и, следовательно, повышение эффективности КНО являются необходимыми условиями успешной работы космических РСА на орбите и реализации предъявляемых к ним современных требований.

Актуальность темы диссертационной работы обусловлена тем, что исследование, разработка и построение эффективного и информативного КНО является важным шагом разработки, изготовления и эксплуатации космического РСА. От структуры, качества и продуманности технических решений КНО зависит степень выполнения РСА возложенных на него задач. При проведении испытаний только на составных частях радиолокатора, без проверки их связей и взаимного влияния, принципиальные системные характеристики могут быть потеряны, поэтому разработка КНО и исследование его как целостной сложной системы является актуальной задачей. Работы об исследовании КНО неизвестны или недоступны, однако известно, что такие комплексы имеются.

Объектом исследования являются космические радиолокационные комплексы дистанционного зондирования Земли.

Предметом исследования является комплекс наземной отработки космического радиолокатора с синтезированной апертурой и его составных частей.

Цель работы и задачи исследований. Цель работы - повышение информативности и эффективности комплекса наземной отработки космического РСА. Для достижения указанной цели в работе проводилось исследование комплекса наземной отработки космического РСА как сложной системы.

Решение поставленной задачи включает следующие шаги.

1) Разработка в свете теории сложных систем (ТСС) универсальной модели КНО, которая может быть адаптирована для различных типов РСА; выбор структуры объектно-ориентированной математической модели применительно к поставленной задаче.

2) Определение системного критерия, проверка КНО и его подсистем на соответствие системному критерию на всех этапах жизненного цикла.

3) Математическое описание структуры моделей КНО и его составных частей, достаточное для исследования основных характеристик РСА.

4) Декомпозиция действующих элементов КНО для их дополнительного исследования как самостоятельных сложных систем (СС).

5) Создание методик применения моделей КНО для решения конкретных задач и доказательство корректности их применения.

6) Адаптация математической модели КНО для обращенного эксперимента и стендов полунатурного моделирования.

7) Тестирование предложенных моделей и системы формирования радиолокационного изображения (РЛИ) путем сравнения с результатами, полученными при испытаниях самолетного РСА с бинарной фазовой манипуляцией зондирующего сигнала кодом Баркера.

8) Разработка и создание макета приемо-передающей аппаратуры с бинарной фазовой манипуляцией зондирующего сигнала М-последовательностью.

9) Обоснование структуры, разработка и создание стенда полунатурного моделирования для наземной отработки сквозных характеристик РСА.

10) Проведение испытаний макета на стенде полунатурного моделирования. И) Анализ результатов испытаний макета фрагмента космического РСА на

стенде полунатурного моделирования.

Для решения поставленных задач применены: математический аппарат описания моделей сложных систем, теория радиолокационных сигналов, теория радиолокаторов с синтезированной апертурой, а также методы имитационного и полунатурного моделирования.

В данной работе получены следующие новые научные результаты.

1) Предложено математическое описание структуры модели КНО и его составных частей в свете ТСС, разработаны алгоритмы, удобные для реализации на ЭВМ.

2) Обосновано применение декомпозиции к составным частям КНО и разработаны их математические модели.

3) Разработаны методики применения математической модели КНО для

решения конкретных задач, в том числе обращённого и самолётного эксперимента, полунатурного моделирования.

Достоверность основных положений и выводов диссертации подтверждается корректным использованием математического аппарата, результатами математического моделирования, а также сравнением радиолокационных изображений, полученных при двух способах формирования входных данных, имитирующих съёмку одиночной точечной цели: имитационном (программном) и полунатурном (с использованием макета аппаратуры и стенда). Проведенный сравнительный анализ РЛИ с результатами обработки экспериментальных радиолокационных данных, полученных в ОАО «Корпорация «Фазотрон НИИР»» при наземных испытаниях РСА авиационного базирования с фазовой манипуляцией зондирующего сигнала кодом Баркера, подтверждает корректность предложенных методик.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ

Предложенные методики использования моделей КНО и его составных частей могут применяться при проведении наземных испытаний и штатной работе различных видов РСА, независимо от типа антенной системы, состава приемо-передающей аппаратуры и вида модуляции зондирующего сигнала.

Стенд полунатурного моделирования имеет набор регулируемых аппаратных средств (шлейфов) для подачи зондирующего сигнала с выхода передатчика на вход приёмника по единственному каналу, что имитирует его отражение от одиночной точечной цели (ОТЦ). В результате синтеза РЛИ по данным такого сеанса съёмки получаем аппаратную функцию отклика (АФО). Аппаратура стенда позволяет моделировать и имитировать параметры, оказывающие влияние на вид АФО, такие как уровень отражённого сигнала, уровень шума, доплеровское изменение фазы, соответствующее смещению ОТЦ по азимуту.

Анализ АФО, полученных на стенде полунатурного моделирования в ГУП НПЦ «СПУРТ», дает возможность оценить ожидаемые сквозные характеристики космического РСА - ширину и уровень боковых лепестков изображения ОТЦ, по которым определяется его пространственное разрешение.

Предложенные математические модели применяются на практике в ГУП НПЦ «СПУРТ» при разработке штатной аппаратуры, проведении её испытаний, а также могут быть использованы для диагностики состояния аппаратуры, моделирования внешних воздействий, изучения причин деградации параметров космического РСА в течение штатной эксплуатации.

На защиту выносятся

1) Способ представления и математического описания модели КНО как сложной системы.

2) Методики применения математической модели КНО для решения конкретных задач: обращенного эксперимента, полунатурного моделирования, самолётного эксперимента и сопровождения эксплуатации.

3) Математическое описание структур общей модели КНО и адаптации этой модели для задач обращенного эксперимента и полунатурного моделирования.

4) Модифицированная математическая модель синтеза РЛИ для испытаний на стенде, построенная на основе декомпозиции системы формирования РЛИ как элемента модели КНО.

5) Стенд полунатурного моделирования для испытаний макета фрагмента космического РСА с использованием зондирующего сигнала, манипулиро-ванного по фазе М-последовательностью, на котором реализована имитация одиночной точечной цели, получены цифровые радиоголограммы, синтезированы аппаратные функции отклика.

6) Экспериментальные результаты испытаний макета фрагмента космического РСА и их сравнение с результатами математического моделирования и обработки экспериментальных радиолокационных данных, полученных при наземных испытаниях самолётного РСА.

Апробация работы. По материалам диссертации сделаны доклады на XXIV, XXV Симпозиумах «Радиолокационное исследование природных сред» (г. Санкт-Петербург, 2006, 2007 гг.), XVII-XIX Международных Крымских конференциях МНТОРЭС им. А.С.Попова «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (Крым, г.Севастополь, 2007 2009 гг.), II-VII научно-технических конференциях «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли» (Краснодарский край, г. Адлер, 2005-2010 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 научных работы, включая научную статью, опубликованную в издании, входящем в Перечень ВАК.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов с выводами по каждому из них, заключения, списка литературы. Основной текст диссертации изложен на 156 листах, содержит 43 рисунка, 13 таблиц и список литературы из 81 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследования, научные задачи, показана научная новизна и практическая ценность полученных результатов, определены научные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе проведен обзор состояния и развития космической радиолокации в России и в мире, отмечена возрастающая роль данных ДЗЗ, получаемых средствами космических РСА во всех сферах человеческой деятельности, и обусловленное этим ужесточение требований к РСА не только как к средству наблюдения, но и как к измерительной системе. Большинство современных систем РСА обеспечивает пространственное разрешение порядка 1 м. В ближайшие годы тенденция создания национальных систем ДЗЗ, в том числе с РСА, будет охватывать всё новые страны. Учитывая, что в Европе разработками и испытаниями космических РСА долгие годы занимаются одни и те же группы специалистов и имеется около 7 действующих систем, для успешной реализации проекта космического РСА, соответствующего лучшим мировым образцам, серьёзное внимание требуется уделить созданию комплекса наземной отработки.

Из анализа достоинств и недостатков различных подходов к испытаниям космических РСА следует, что подход к испытаниям, ограниченный только проверкой составных частей, привлекателен для менеджеров проекта с точки зрения его дешевизны, минимизации трудовых и временных затрат, но может быть оправдан только при серийном производстве изделий, если первый образец уже прошёл полный цикл испытаний и показал хорошие результаты при эксплуатации, а разрабатываемое изделие по характеристикам идентично эксплуатируемому.

Из опыта успешно реализованных зарубежных проектов следует, что создание базовой математической модели РСА на начальном этапе разработки, уточнение этой модели по результатам испытаний и её использование как рабочей при сопровождении эксплуатации является незаменимым способом повышения полноты информации о системе на всех фазах её жизненного цикла. Это оправдывается достижением наилучших характеристик системы и продлением срока её активного использования. Существенное повышение эффективности наземных испытаний, полнота объёма проверок при многообразии предусмотренных режимов съёмки может быть достигнута с помощью полунатурного моделирования, позволяющего формировать разнообразные виды входных

сигналов. Испытания на полунатурных стендах не только значительно дешевле по сравнению с проведением специальных полётов, но и позволяют провести проверки в лабораторных условиях в необходимом объёме для всех режимов, с повторами экспериментов и имитацией предельных условий, что не всегда возможно в условиях реального полёта.

Работа КНО не прекращается после успешного запуска космического РСА на орбиту, проведения летных испытаний и внешней калибровки. Канадские исследователи сообщают, что благодаря хорошо организованной работе КНО РСА ЛаёагеаЫ более 10 лет после запуска продолжает поставлять пользователям всего мира качественные РЛИ. По результатам моделирования был усовершенствован режим БсапБАИ, разработаны меры по предотвращению ухудшения качества передаваемых изображений вследствие старения аппаратуры, улучшена производительность РСА.

Следовательно, математическое и полунатурное моделирование в составе КНО является основным инструментом исследования, прогнозирования характеристик и проведения испытаний на всех стадиях жизненного цикла космического РСА, а также определения деградаций параметров аппаратуры вследствие старения и диагностики отказов при сопровождении эксплуатации РСА.

Одной из причин, по которой, несмотря на ряд успешных отечественных проектов с космическими РЛС БО и РСА в конце прошлого века, в настоящее время на орбите нет ни одного российского РСА с высоким разрешением, является отсутствие системного подхода к построению КНО и недостаточная эффективность имеющихся систем наземных испытаний.

Несмотря на то, что комплекс наземной отработки РСА является сложной радиотехнической, информационной и эргатической системой, от структуры, качества и продуманности технических решений которой зависит степень выполнения космическим РСА возложенных на него задач, математические модели подобных комплексов в доступной литературе не представлены.

Таким образом, исследование КНО с целью повышения его эффективности и информативности является важной и актуальной задачей на пути создания космического РСА высокого разрешения.

лируемости и целенаправленности) и следующими из них постулатами, которые определяют границы применимости объектно-ориентированной модели. Такие модели строятся на основании эксперимента, который планируется исходя из задач исследования, и уточняются по результатам измерений, проведенных в ходе эксперимента.

Введем понятие системного критерия (СК) как общесистемного свойства, определённого для конкретной объектно-ориентированной модели, выполнение которого для системы и её подсистем является необходимым условием выполнения системой основных требований по назначению.

Для радиотехнической модели РСА в качестве системного критерия предлагаются параметры радиолокационного изображения одиночной точечной цели. Тогда для радиотехнической модели КНО таким системным критерием будут аппаратная функция отклика, получаемая при наземных испытаниях РСА, и её параметры.

В свете ТСС дадим математическое описание структуры моделей КНО и его составных частей, пригодное для создания алгоритмов и их дальнейшей реализации на ЭВМ. КНО и его составные части будем моделировать в виде системы действующих элементов, которые взаимодействуют друг с другом. Под действующим элементом будем понимать материальный предмет, который некоторым образом зависит от других материальных предметов, а также сам воздействует на другие материальные предметы. Множество других материальных предметов будем называть средой данного действующего элемента. Среда воздействует на элемент Е, вызывая в нем некоторое состояние строго определенного рода. Отдельные виды таких состояний назовем входами элемента Е. Элемент Е также воздействует на среду, причем его воздействие на среду строго определенного рода и зависит от его текущего состояния. Отдельные виды таких состояний элемента Е, определяющих его воздействие на среду, назовем выходами элемента Е. Состояние входов однозначным образом определяет состояние выходов. Однозначность отношения между состоянием входов и состоянием выходов будем называть способом действия элемента.

Если элемент Ег связан с элементом Е„ то выполняется векторное равенство Х5=ЗгаУг (1), где - матрица связи элемента г с элементом 5.

Отношения между состоянием входов и выходов можно выразить математически как трансформацию (преобразование) вектора X в вектор У. Символически эту трансформацию запишем в виде У=Т(Х) (2),

где Т - оператор трансформации, выражающий правило, на основе которого происходит преобразование вектора X в вектор У.

Способ действия элемента представляется операторным или функциональным уравнением. Рассматривается частный случай, когда функция преобразования постоянна или время рассмотрения достаточно мало - такое, что изменение функции преобразования в зависимости от времени можно считать линейным. В этих предположениях рассмотрим объектно-ориентированную модель КНО (рис.1).

Для действующих элементов приняты следующие обозначения: Е1 - наземный комплекс управления (НКУ); Е2 - система носителей и ориентации (СНО); ЕЗ - формирователь отраженных сигналов (ФОС); Е4 - испытываемый бортовой радиолокационный комплекс; Е5 - система формирования исходных данных (СФИД); Е6 - система формирования РЛИ (СФРЛИ); Е7 - система анализа РЛИ (САРЛИ). Входные и выходные векторы, принятые в модели КНО, приведены в табл. 1.

Представление КНО в виде действующих элементов в свете ТСС удобно и наглядно, но описание математической модели посредством матриц структуры, матриц трансформации, системы входных и выходных векторов проблемно для реализации на ЭВМ из-за значительного объема матриц и сложности вычислений.

Одной из проблем реализации является возможность наличия в системе обратных связей, т.е. независимо от нумерации элементов, существуют i и j 0>1) такие, что для формирования входного вектора элемента XI необходимо иметь значения выходного вектора Для обеспечения возможности моделирования систем с обратной связью рассмотрим ее состояние во времени, где на входы элементов поступают значения выходов в предыдущий момент времени. В начальный момент времени все входы элементов, кроме тех, которые являются внешними для системы, не определены. С каждой итерацией выполняется вычисление некоторых выходов, которые могут быть вычислены при неопределенности некоторых входов элемента и, следовательно, количество неопределенных входов у элементов на следующем цикле сокращается, вплоть до того момента, когда все входы и выходы будут определены.

Таблица 1 - Входные и выходные векторы модели КНО

№ связи У X Природа воздействия

1 - х1/0 Постановка задачи съёмки

2 - х2/0 Траектория носителя цели

3 - хЗ/0 Поле радиояркости цели (с учётом ракурса)

4 х5/0 ЦРГ от внешнего источника

5 VI'2 х4/2 Исходные данные режима съёмки

6 у1/3 х4/3 Данные траектории цели в системе координат БРЛК с привязкой к бортовой шкале времени

7 у1/4 х4/4 Сигналы привязки бортовой шкалы времени

8 у1/5 хб/2 Исходные данные для наземного синтеза изображения

9 у1/6 х7/3 Исходные данные для анализа изображения

10 у2/1 хЗ/1 Траектория и ориентация носителя цели в системе координат БРЛК

11 у2/2 х1/1 Данные о движении носителей БРЛК и цели

12 у1/1 х2/1 Управление движением носителей БРЛК и цели

13 у4/1 хЗ/2 Серия зондирующих сигналов

14 уЗ/1 х4/1 Серия отражённых сигналов

15 у4/2 х5/1 Цифровая радиоголограмма (данные от БРЛК)

16 у4/3 х7/2 Радиолокационное изображение (РЛИ), синтез на борту

17 у5/1 хб/1 Цифровая радиоголограмма для синтеза РЛИ

18 уб/1 х7/1 Радиолокационное изображение

19 у7/1 х1/2 Результаты анализа РЛИ

20 у 1/0 - Протокол и рабочие результаты испытаний

Матрица структуры системы для модели КНО приведена на рис. 2.

\х А Е1 Е2 ЕЗ Е4 Е5 Е6 Е7

Е1 ООО ООО ООО ООО ООО ООО ООО о о о о о о о о о о о о ->• о ООО ООО ООО ООО ООО ООО ООО 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 10 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о ^ о о о о о 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

Е2 ООО 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 ООО 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

ЕЗ ООО 0 0 ООО 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Е4 ООО ООО ООО 0 0 0 0 0 0 0 0 1 ООО ООО 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0

Е5 ООО 0 0 ООО 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0

Е6 ООО 0 0 ООО 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0

Е7 0 0 1 0 0 ООО 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Рисунок 2 - Матрица структуры системы для модели КНО

Для реализации алгоритма была выбрана среда Ма^аЬ, в силу ее удобства для работы с матрицами. Поскольку Ма11аЬ оперирует матрицами, для упрощения записи мы проделали следующее: объединили векторы входов элементов системы с вектором выходов системы (поверхность среды) и записали последовательно в один вектор; объединили векторы выходов элементов системы с вектором входов системы (поверхность среды) и записали последовательно в один вектор; дополнили матрицу связей элементов значениями, указывающими соответствие между входами системы и входами элементов, а также между выходами элементов и выходами системы. Это позволило осуществлять преобразование значений внешних входов системы и выходов элементов во входы элементов и выходы системы одной матричной операцией.

Согласно принципу декомпозиции, при сохранении входных и выходных векторов РСА и те действующие элементы, которые оказывают существенное влияние на основные характеристики РСА: приёмо-передающая аппаратура (ППА), формирователь зондирующих сигналов (ФЗС) и система формирования радиолокационного изображения (СФРЛИ) могут быть рассмотрены и исследованы как сложные системы; в этих рамках возможна замена одного элемента на другой или изменение его внутренней структуры.

ФЗС может быть модифицирован для использования в моделях ПП с другими видами модуляции зондирующего сигнала (ЛЧМ, код Баркера). С использованием математической модели ФЗС с модуляцией М-последовательностью, построенной в свете ТСС, проводилось исследование статистических характе-

ристик боковых лепестков расчётной АФО в зависимости от длины последовательности и закона чередования полиномов с целью дальнейшего использования результатов для расчёта шумового эквивалента системы при оценке радиометрической чувствительности.

Таким образом, в свете теории сложных систем предложен корректный математический аппарат для описания моделей КНО и его составных частей, пригодный для написания алгоритмов, которые успешно реализованы на ЭВМ.

Введено понятие системного критерия и обоснована необходимость проверки СС и ее подсистем на соответствие системному критерию на всех этапах жизненного цикла системы.

Предложенное математическое описание модели КНО, разработанной в свете ТСС, позволяет применить ее для решения ряда реальных задач, в том числе при разработке стендов полунатурного моделирования для испытаний макетов космического РСА и его составных частей.

В третьем разделе описаны методики адаптации общей модели КНО, построенной с позиций теории сложных систем, для решения частных задач: 1) наземных испытаний РСА на стенде полунатурного моделирования; 2) об-ращённого эксперимента; 3) самолётного эксперимента; 4) сопровождения штатной эксплуатации РСА с использованием КНО. Проанализированы возможности и достоинства системного подхода к построению моделей.

На стенде полунатурного моделирования аппаратура РСА или её фрагмент испытывается с проведением контрольного сеанса радиолокационной съёмки, при которой зондирующий сигнал с выхода передатчика через аппаратуру стенда подаётся на вход приёмника, что имитирует его отражение от одиночной точечной цели. Обработка записанного сигнала осуществляется с помощью штатного алгоритма синтеза изображения, адаптированного к условиям стенда, результатом чего является радиолокационное изображение имитированной точечной цели - АФО. При использовании модели КНО для испытаний РСА на стенде полунатурного моделирования необходимо учесть следующие факторы: - отличие закона изменения фазы имитированного отражённого сигнала от условий реального полёта из-за отсутствия движения носителя; -отсутствие задержки распространения сигнала на линии космос-Земля-космос; - отсутствие составляющей шума антенны, направленной на Землю.

Самолётный эксперимент представляет собой испытания бортовой радиолокационной станции космического РСА путём её установки на самолёт и проведения съёмки наземных объектов, а затем синтеза изображения в режиме, адаптированном к высоте и скорости полёта.

Обращённый эксперимент - вид наземных испытаний бортовой радиолокационной станции космического РСА, при которых последняя устанавливается неподвижно на технологической несущей конструкции и осуществляет съёмку движущегося космического аппарата с известной траекторией. Синтез апертуры происходит за счёт движения снимаемого объекта.

Для обращённого эксперимента отличия условий съёмки от штатного режима будут следующими: траектория снимаемого объекта может отличаться от расчётной траектории испытываемого аппарата; антенна испытываемого БРЛК направлена вверх, что соответствует отсутствию фона и теплового шума поверхности Земли; для учёта направления на снимаемый космический объект в системе координат, привязанной к конструкции антенны, БРЛК с антенной устанавливается на управляемое опорно-поворотное устройство, которое (вместе с системой управления) в модели описывается действующим элементом «Система ориентации радиолокатора (СОРЛ)».

ЦРГ, полученные в испытательных режимах на полунатурном стенде, при обращённом или самолётном эксперименте, могут быть использованы в качестве тестовых входных данных для отработки синтеза изображения с помощью штатного программного обеспечения с заданием расчётных параметров движения носителя. Использовать имеющиеся ЦРГ для решения такой задачи можно после их преобразования по описанной ниже методике.

Измеренная ЦРГ записывается в буферное запоминающее устройство (БЗУ), входящее в состав системы формирования исходных данных (СФИД). Для преобразования записанной ЦРГ в ЦРГ, имитирующую радиолокационные данные съёмки ОТЦ в проверяемом режиме, производится построчное умножение записанной комплекснозначной матрицы на вектор фазовых коэффициентов, рассчитанных для имитируемого взаимного движения БРЛК и объекта съёмки. Синтез изображения производится с параметрами проверяемого режима, поступающими в СФРЛИ от НКУ, с использованием преобразованной ЦРГ в качестве входных данных.

Чтобы применить общую модель КНО к решению конкретной задачи, следует выполнить следующие шаги. 1) Адаптировать общую модель к конкретной задаче и математически описать ее структуру. 2) Получить ЦРГ на реальной аппаратуре. 3) Определить, имеется ли в модели вход, на который можно подать в качестве входного вектора реальную ЦРГ без дополнительных преобразований для получения АФО. 4) Если ЦРГ получена не на стенде (например, при обращённом или самолётном эксперименте), а требуется обработать её средствами стенда, то в модели создаётся дополнительный вход, через который

внешняя по отношению к стенду ЦРГ вводится для обработки. 5) Если записанная ЦРГ нуждается в дополнительном преобразовании, ввести ДЭ, который будет это преобразование выполнять и сохранять преобразованную ЦРГ. Вход, по которому в модель должна поступать внешняя ЦРГ, можно реализовать именно на этом элементе. 6) В зависимости от целей эксперимента, сжатие ЦРГ по азимуту в ДЭ «СФРЛИ» может выполняться в стендовом варианте (операция «Фокусировка» в модели СФРЛИ заменяется тождественным преобразованием) или с заданием расчётных параметров проверяемого штатного режима. В первом случае дополнительное преобразование внешней ЦРГ заключается в её построчном умножении на фазовые коэффициенты, рассчитанные таким образом, чтобы в преобразованной матрице квадратичный член разложения закона изменения фазы сигнала от АФО был равен нулю. Во втором случае фазовые коэффициенты рассчитываются таким образом, чтобы квадратичный член разложения закона изменения фазы был равен расчётному для параметров движения носителя в проверяемом штатном режиме.

Во время штатной эксплуатации стенд полунатурного моделирования может быть использован для диагностики неисправностей, нештатных ситуаций и деградаций в аппаратуре, находящейся на орбите. В режиме внешней калибровки РСА по активному транспондеру записываются радиоголограммы, содержащие отклонения, и передаются на КНО. На стенде, путём введения отстроек параметров в аппаратуру КНО и съёмки радиоголограмм в аналогичном режиме, воспроизводятся отклонения, приводящие к таким же отклонениям аппаратной функции отклика от расчётного вида, как наблюдаются на изображении ОТЦ. Разрабатываются и исследуются на аппаратуре КНО возможные способы коррекции регулируемых параметров аппаратуры РСА для восстановления расчётных сквозных характеристик.

ЦРГ

исходные данные, параметры режимов, способ обработки .

Фокуси ровка БПФ

Сжатие по дальности

РЛИ

Рисунок 3 - Модель системы формирования РЛИ Отличие условий получения ЦРГ при испытаниях на стенде (при отсутствии движения носителя) и во время реального полета учитывается путем декомпозиции из математической модели РСА элемента СФРЛИ и рассмотрении этого элемента как самостоятельной сложной системы при сохранении неиз-

менными входов и выходов. И хотя это утверждение следует из теории сложных систем, оно не является очевидным. Убедимся в его истинности. Рассмотрим СФРЛИ как самостоятельную сложную систему (рис.3).

Опорная функция для сжатия по азимуту при съёмке с орбиты представляется в виде:

Ьобр .л с*. = КобРА ехр {Мх,х{,у)} (1),

где КобрА(х,х„у) - амплитудный коэффициент, учитывающий компенсацию диаграммы направленности (ДН) антенны, неравномерность потерь распространения и весовую функцию, ехр {дг, л,, >■)} - фазовый коэффициент, вид которого определяется режимом съёмки, как описано ниже, х - координата ОТЦ вдоль траектории носителя, в терминах задачи синтеза РЛИ называемая азимутом, у - наклонная дальность ОТЦ, - координата КА вдоль траектории.

При съёмке с орбиты фазовый коэффициент опорной функции сжатия по азимуту должен компенсировать фазовую задержку распространения сигнала от КА до снимаемой точки (х,у) на земле и обратно, определяемую по формуле

<Р(х, *,> >0 = ~г(х,х,,у) (2),

где г(х,х1,у)=^гг2+(х,-хУ (3)

- расстояние от снимаемой точки до КА, или, если ограничиться первым членом разложения корня в степенной ряд,

г(х,х„у)«гу+~(х,-х)2

Гу + 2г.

1 1 2 /ич

+—*■*,+—-Х- (4). г* 2г„

у /

Зависимость фазы от х, представляется в виде

<р(х>. У) = <р0 О. у) + Я, (у)' * ■ х, + а2(у) • х,2 (5),

. Ал

где <р0(х,у) = --

х2

- постоянная (не зависящая от л:,) составляющая на-

чальной фазы принимаемого сигнала, отражённого от точки (х,у), а1(у) = -^—— коэффициент, определяющий вид линейного члена, аг(у) = -^-— коэффициент

квадратичного члена. Если также из амплитудного множителя выделить множитель, зависящий только от переменной синтеза апертуры дг,, то опорную функцию для сжатия по азимуту удобно представить в виде

ЬсьАХ'Ь >У)= ^

= К1 обРл (*> у) ■ Кг^л (*,) ■ ехр {т (X, >0} • ехр {уа, (у)■ х■ х,} • ехр {>2 (>-) • х?}

Фазовые множители в формуле (7) при сжатии по азимуту несут различные функции: ехр{]сра(х,у)} - постоянная составляющая начальной фазы, которая в опорной функции сжатия по азимуту может быть опущена; ехр{уа2(^) дг,2} - фазовая составляющая, обеспечивающая фокусировку РЛИ; схр Уа^у)-х-х^ -фазовая составляющая, обеспечивающая построение РЛИ точки с координатой (х,у). Вид этого фазового множителя наилучшим образом подходит для реализации сжатия по азимуту методом гармонического анализа.

Воспользовавшись тем, что «фокусирующая» фазовая составляющая не зависит от координат х снимаемых точечных целей, можно представить сжатие по азимуту в виде двух последовательно выполняемых операций:

каждый столбец равной дальности матрицы траекторного сигнала, соответствующий координате у, почленно умножается на «фокусирующий» коэффициент, где «строчный» номер элемента в столбце соответствует координате КА хь в которой произведена съёмка данной строки;

• над каждым столбцом матрицы «сфокусированного» траекторного сигнала, содержащей линейную фазовую составляющую, выполняется преобразование Фурье. Последние две операции составляют гармонический анализ (один из методов сжатия по азимуту).

При испытаниях на стенде (имитация съёмки ОТЦ путём замыкания сигнала через шлейф) фаза принимаемого сигнала постоянна в течение всего сеанса, т.е. а2(у) = 0 и а,(у) = 0. Это означает, что первый этап сжатия по азимуту (фокусировка) является вырожденным, т.е. матрица траекторного сигнала умножается на тождественно-единичную «фокусирующую» матрицу. Дальнейший же синтез изображения методом гармонического анализа ничем не отличается от штатного. При этом нулевой линейный член показателя в (6) как функции от X] соответствует тому, что траекторный сигнал при съёмке ЦРГ через шлейф имеет такой же вид, как при съёмке с орбиты имеет траекторный сигнал ОТЦ с нулевой координатой х (азимутом). Результатом синтеза РЛИ по шлей-фовой ЦРГ с постоянной в течение всего сеанса фазовой и временной задержкой должно быть изображение ОТЦ на нулевой азимутальной координате в системе координат синтезированного изображения.

Так как важной функцией КНО является оценка сквозных характеристик РСА, в частности, пространственного разрешения, дана методика приведения ширины аппаратной функции отклика к пространственному разрешению РСА.

Обобщая вышеизложенное, можно сделать следующие выводы. 1. Разработанные в свете ТСС модели КНО, РСА и их ДЭ имеют широкий

спектр применения, начиная от согласования и уточнения технических характеристик и разработки конструкторской документации до проведения испытаний и штатной эксплуатации РСА.

2. Предложенные математические модели удобны для реализации на ЭВМ благодаря матричной структуре, легко допускают изменение параметров ДЭ, замену одного ДЭ другим с сохранением входов и выходов без нарушения структуры программы. Возможность сохранения матриц входных и выходных векторов для каждой итерации позволяет хранить и протоколировать результаты как математического, так и полунатурного моделирования, что в условиях значительного количества подлежащих контролю параметров является несомненным достоинством системного подхода.

3. Адаптация модели КНО для наземных испытаний на стенде полунатурного моделирования позволяет формировать входное воздействие, идентичное отражению сигнала от одиночной точечной цели, получить ЦРГ, имеющие вид, близкий к результату съёмки в условиях реального полёта, и синтезировать радиолокационное изображение имитированной ОТЦ.

4. Возможность отображения векторных составляющих комплексного РЛИ в программном обеспечении КНО позволит анализировать РСА как линейную систему при решении задач, связанных с испытаниями.

5. Разработанная методика приведения ширины аппаратной функции отклика к пространственному разрешения даёт возможность оценить сквозные характеристики проектируемого и испытываемого РСА.

6. Применение принципа декомпозиции к действующему элементу «СФРЛИ» подтверждает корректность синтеза изображения при наземных испытаниях на стенде полунатурного моделирования в условиях отсутствия движения носителя.

В четвёртом разделе дано описание стенда полунатурного моделирования и его возможностей, а также приведены результаты испытаний фрагмента космического РСА на этом стенде. Стенд полунатурного моделирования позволяет с помощью аппаратных шлейфов имитировать отражение зондирующего сигнала от одиночной точечной цели с моделированием параметров, оказывающих влияние на вид аппаратной функции отклика: уровня отражённого сигнала, уровня шума, доплеровского изменения фазы, соответствующего смещению ОТЦ по азимуту. Структурная схема стенда с указанием шлейфов, имитирующих входное воздействие на испытываемые фрагменты БРЛК, приведена на рисунке 4. Стрелкой (1) на рисунке 4 условно обозначено имитационное моделирование радиоголограммы.

ППМАФАР

Рисунок 4 - Структурная схема стенда полунатурного моделирования

Для обеспечения достоверности результатов был проведен сравнительный анализ результатов моделирования, обработки результатов испытаний макета и обработки ЦРГ, записанных при испытаниях самолётного РСА разработки корпорации «Фазотрон-НИИР» с фазовой манипуляцией зондирующего сигнала кодом Баркера.

Для обработки ЦРГ самолётного РСА процедура сжатия по дальности программы синтеза изображения была дополнена опорными функциями, соответствующими кодам Баркера, которые отличаются от используемых в проектируемом РСА лишь количеством элементов модулирующей последовательности. Для сжатия по азимуту использовался один и тот же алгоритм - гармонический анализ.

Результаты двумерного синтеза АФО по имевшимся экспериментальным ЦРГ с модуляцией кодами Баркера, а также по имитационным моделям ЦРГ без искажений с таким же законом модуляции приведены на рис. 5...7.

а) модель б) измеренный сигнал

Рисунок 5 - Огибающая зондирующего импульса, модулированного кодом Баркера

а) модель б) измеренный сигнал

Рисунок 6 - ЦРГ сигнала, модулированного кодом Баркера

¡¡ряя»!

| Р В»»*

а) модель б) обработка измеренной ЦРГ

Рисунок 7 - Двумерная функция отклика, синтезированная по ЦРГ с модуляцией кодом Баркера

Результат обработки представленных на рис. 6 модельной и экспериментальной ЦРГ демонстрирует как корректную работу программы синтеза изображения, так и соответствие предварительной оценки пространственного разрешения, составляющей 3 м, сквозным характеристикам, полученным по результатам штатной эксплуатации самолётного РСА (З...5м по изображениям реальных участков местности).

1;1

а) модель б) измеренный сигнал

Рисунок 8 - Огибающая зондирующего импульса (М-последовательность)

шя

I ШВШШШШШШШЯ.....■ 300

з5о

I лШШШШк% 400

450 500

а) модель б) измеренный сигнал

Рисунок 9 - ЦРГ сигнала, модулированного М-последовательностью

а) модель б) обработка измеренной ЦРГ

Рисунок 10 - Двумерная функция отклика, синтезированная по ЦРГ с модуляцией М-последовательностью

Для сравнения, на рис. 8... 10 приведены результаты обработки ЦРГ, полученной на стенде полунатурного моделирования, и модели «идеальной» ЦРГ с использованием этой же программы синтеза. Расчётный размер элемента разрешения по дальности, соответствующий тактовой частоте модуляции 200 МГц, составляет 0,75 м. Сравнение стендовой ЦРГ и результатов её обработки (рис.86...106) с результатами испытаний самолётного РСА (рис.56...76) и имитационного моделирования (рис. 8а... 10а) показывает: 1) корректность алгоритмов сжатия подтверждается сходством формы главного лепестка функций отклика и видов боковых лепестков, расположенных на оси азимута (рис. 66, 10а,б), а также снижением боковых лепестков на оси дальности при увеличении длины модулирующей последовательности; 2) искажения сигналов в реальных

трактах (рис. 56, 86) вызывают повышение относительных уровней боковых лепестков, расположенных на оси дальности, по сравнению с результатами моделирования (рис. 7а, 10а), но не приводят к существенному ухудшению фактического пространственного разрешения по сравнению с расчётным. Сходство приведенных результатов исследования проектируемого космического РСА и самолётного РСА, показавшего соответствие техническим требованиям в ходе эксплуатации, позволяет прогнозировать применимость выбранных технических решений.

3 0.8 g

5 0.6

0.40.2

Cl i-

Azimuth, resolution cells

-10 -io

Range,

Двумерная АФО (главный лепесток) Сечение по наклонной дальности Рисунок 11 - Шлейф 3 (РПч = 2 ГГц)

-1-

Azimuth, resolution cells

-10 -ю

\ù

Range.

Двумерная АФО (главный лепесток) Сечение по наклонной дальности

Рисунок 12 - Шлейф 6 через измерительную антенну на передачу и излучатель АФАР на приём

На рис. 11,12 (а, 6) приведены АФО, полученные при обработке ЦРГ, записанных при проверках макета с замыканием шлейфов 3, 6 по схеме рис.4. В тракт шлейфа 6 входили технологические кабели общей длиной более 15 м, измерительная антенна и излучатель. Этот эксперимент является примером про-

верки фрагментов приёмо-передающего тракта БРЛК на соответствие предлагаемому в данной работе системному критерию. Суммарная неравномерность АЧХ шлейфа 6 в полосе частот зондирующего сигнала превышала 2,5 дБ, что существенно хуже требований по АЧХ к линейному тракту, однако расширение главного лепестка сечения АФО по наклонной дальности наблюдается только на уровнях ниже минус 20 дБ.

Двумерная АФО (главный лепесток) Сечение по азимуту

Рисунок 13 - Шлейф 5, фаза возвращённого сигнала постоянна

Двумерная АФО (главный лепесток) Сечение по азимуту

Рисунок 14 - Шлейф 5, фаза возвращённого сигнала изменяется линейно В то же время, например, на АФО, приведенной на рис. 14 и описанной ниже, отчётливо наблюдаются боковые лепестки в точках (-8; 0) и (0; —5), свидетельствующие о необходимости устранения в аппаратуре ряда схемотехнических недостатков, присутствующих в макете. Для выявления таких БЛ косвенным способом (по виду АЧХ и ФЧХ радиотракта) потребовались бы измерения

комплексного коэффициента передачи с хорошим разрешением по частоте и последующий пересчет результата измерений во временную область. Проблематичной являлась бы и формулировка технических требований к характеристикам тракта в терминах АЧХ, ФЧХ, выполнением которых гарантировалось бы ограничение уровней боковых лепестков радиолокационного изображения.

На рис. 13, 14 показаны результаты полунатурного моделирования изменения фазы отражённого сигнала по линейному закону, соответствующего смещению имитируемой ОТЦ по азимуту в направлении полёта. На стенде это достигалось отстройкой частоты гетеродина приёмника. Результаты данного эксперимента и проведенного параллельно имитационного моделирования демонстрируют сохранение вида и качества АФО и корректность отображения имитируемой ОТЦ в координатах синтезируемого РЛИ при изменении азимута, но в то же время позволяют выявить и исследовать особенности аппаратуры, порождающие дополнительный боковой лепесток в сечении азимута (рис.14).

Обобщая вышеизложенное, отметим, что математические модели РСА, его фрагментов и КНО, построенные в свете теории сложных систем, оказали определяющее влияние на разработку структуры стенда полунатурного моделирования и методик испытаний. Результаты испытаний, проведенных с использованием полунатурного моделирования входных воздействий, подтвердили соответствие основных характеристик макета аппаратуры предварительным расчётам и результатам математического моделирования. Сравнение результатов испытаний и предварительного моделирования позволило выявить ряд не учтённых в модели эффектов и для уточнённого исследования внести коррекции в соответствующие действующие элементы модели - СФРГ, линейный тракт приема (ЛТ ПРМ).

Целесообразность применения системотехнического подхода к построению модели и её сравнению с экспериментальными результатами, учитывающего предсказанное теорией свойство слабопредсказуемости сложной системы, подтверждается проведенными испытаниями. Построенная по такому же принципу математическая модель с предусмотренной возможностью её коррекции по результатам испытаний и эксплуатации должна использоваться на всём жизненном цикле РСА.

В заключении сформулированы основные научные и практические результаты, полученные в диссертационной работе.

Разработка, исследование и создание модели КНО на основе ТСС реализует комплексный системный подход к проверкам характеристик космического РСА и его составных частей.

Подход к испытаниям составных частей как элементов единого целого и их непосредственная проверка на соответствие системному критерию РСА являются необходимым условием корректного функционирования составной части в составе РСА, подтверждения сквозных характеристик и выполнения требований по назначению.

Созданный стенд полунатурного моделирования для проверки сквозных характеристик космического РСА дает возможность проведения испытаний изделия в условиях, имитирующих условия съёмки с космической орбиты.

Программа, реализованная на ЭВМ, имеет возможность сохранения и протоколирования результатов как математического, так и полунатурного моделирования, что в условиях значительного количества подлежащих контролю параметров является несомненным достоинством.

Адаптация модели КНО для наземных испытаний на стенде полунатурного моделирования позволяет формировать входное воздействие, идентичное отражению сигнала от одиночной точечной цели, получить цифровые радиоголо-раммы, имеющие вид, близкий к съёмке в условиях реального полёта, и синтезировать радиолокационное изображение имитированной ОТЦ. Применение принципа декомпозиции к действующему элементу «СФРЛИ» подтверждает корректность синтеза изображения при наземных испытаниях на стенде полунатурного моделирования в условиях отсутствия движения носителя.

Разработанная методика приведения ширины аппаратной функции отклика к пространственному разрешению даёт возможность оценить сквозные характеристики проектируемого и испытываемого РСА.

На стенде полунатурного моделирования имеется возможность углублённого исследования эффектов, измерение которых после запуска невозможно или осложнено.

Предложенный КНО позволяет корректно выполнить преобразование ЦРГ, записанной при обращённом или самолётном эксперименте, для проверки параметров в штатных режимах.

Путём проведения более полного объема проверок на стенде полунатурного моделирования, а затем использования уточнённой математической модели можно сократить время на проведение внешней калибровки во время штатной эксплуатации, заменив возможно большее число проверок изделия, находящегося в штатной эксплуатации, проверками с использованием средств КНО.

Перечисленные результаты позволяют считать поставленные научные задачи решёнными, а цель исследования - достигнутой.

Публикации

Содержание диссертации опубликовано в следующих работах.

1. Лепёхина Т.А. Исследование комплекса автономных испытаний приемопередающей аппаратуры космического радиолокатора с синтезированной апертурой в свете теории сложных систем // Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли: Материалы IV научно-технической конференции. - М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова, г.Адлер, 2007, стр. 163-168.

2. Лепёхина Т.А. Методика применения моделей комплекса наземной отработки при проведении испытаний радиолокаторов с синтезированной апертурой // Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли: Материалы VII научно-технической конференции. - М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова, г.Адлер, 2010, стр. 225-230.

3. Лепёхина Т.А. Моделирование комплекса наземных испытаний космического радиолокатора с синтезированной апертурой на основе теории сложных систем // журнал «Вопросы радиоэлектроники». Серия: радиолокационная техника (РЛТ), выпуск 1. -М.:2008, стр. 72-82.

4. Лепёхина Т.А. Основные принципы моделирования комплекса наземной отработки космических радиолокаторов с синтезированной апертурой методом сложных систем // Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли: Материалы II научно-технической конференции. -М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова, г.Адлер, 2005, стр. 28-30.

5. Лепёхина Т.А., Лось В.О., Николаев В.И., Чикачёв B.C. Методы проверки аппаратной функции отклика приемо-передающей аппаратуры космического радиолокатора дистанционного зондирования Земли // 17-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммукационные технологии», КрыМиКо, 2007, т.2, стр. 847-848.

6. Лепёхина Т.А., Николаев В.И. Исследование аппаратной функции отклика фрагмента космического радиолокатора дистанционного зондирования Земли // 19-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммукационные технологии», КрыМиКо, 2009, т.2, стр. 951-952.

7. Лепёхина Т.А., Николаев В.И. Методы наземных испытаний приемопередающей аппаратуры радиолокаторов с синтезированной апертурой // Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли: Материалы III научно-технической конференции. М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова, г.Адлер, 2006.

8. Лепёхина Т.А., Николаев В.И. Стенд полунатурного моделирования для проверки сквозных характеристик космических РСА апертурой // Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли: Материалы VII научно-технической конференции. М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова, г.Адлер, 2010, стр. 231-236.

9. Лепёхина Т.А., Николаев В.И., Омельянов A.C. Теория сложных систем как инструмент моделирования радиотехнических комплексов апертурой // Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли: Материалы VII научно-технической конференции. М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова, г.Адлер, 2010, стр. 246-251.

Ю.Лепёхина Т.А., Николаев В.И., Семёнов М.А. Моделирование приемопередающей аппаратуры как составной части сложной системы - комплекса наземной отработки космического радиолокатора с синтезированной апертурой // 18-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и теле-коммукационные технологии», КрыМиКо, 2008, т.1, стр. 295-296.

П.Лепёхина Т.А., Николаев В.И., Семёнов М.А. Моделирование приемопередающей аппаратуры космического радиолокатора дистанционного зондирования земли как сложной системы // 17-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммукационные технологии», КрыМиКо, 2007, т.2, стр. 849-850.

12.Лепёхина Т.А., Николаев В.И., Семёнов М.А., Толстов Е.Ф. Лабораторные исследования сквозных характеристик приёмо-передающей аппаратуры космических радиолокаторов с синтезированной апертурой // Труды XXV Симпозиума «Радиолокационное исследование природных сред», СПб, 2008, стр. 205-210.

13.Лепёхина Т.А., Николаев В.И., Сиганьков В.И. Исследование влияния не-равномерностей АЧХ, ФЧХ радиотракта на аппаратную функции отклика космического РСА методом математического моделирования // Микроэлектроника и информатика - 2010. 17-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. - М.: МИЭТ, 2010, стр. 261.

14.Лепёхина Т.А., Николаев В.И., Сиганьков В.И. Результаты лабораторных испытаний макета космического радиолокатора с синтезированной апертурой // Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли: Материалы VI научно-технической конференции. - М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова, г.Адлер, 2009, стр. 55-59.

15.Лепёхина Т.А., Николаев В.И., Тарасенко A.M. Исследование статистики боковых лепестков функции отклика РСА с зондирующим сигналом, модулированным М последовательностью, для определения шумового эквивалента апертурой // Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли: Материалы VII научно-технической конференции. -М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова, г.Адлер, 2010, стр. 237-245.

16.Лепёхина Т.А., Николаев В.И., Титов М.П., Четверик В.Н. Анализ математической модели комплекса наземных испытаний космической РСА // Труды XXIV Симпозиума «Радиолокационное исследование природных сред», СПб, 2007, стр. 185-195.

17.Лепёхина Т.А., Николаев В.И., Чарыков И.В., Чикачёв B.C. Оценка разрешающей способности космического радиолокатора с синтезированной апертурой на основе лабораторных испытаний приемо-передающей аппаратуры // Микроэлектроника и информатика - 2007. 14-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. - М.: МИЭТ, 2007, стр. 308.

18.Лепёхина Т.А., Николаев В.И., Четверик В.Н. Анализ результатов испытаний макета приемо-передающей аппаратуры космического радиолокатора с синтезированной апертурой апертурой // Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли: Материалы V научно-технической конференции. М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова, г.Адлер, 2008, стр.160 - 163.

19.Лепёхина Т.А., Николаев В.И., Четверик В.Н. Исследование аппаратной функции отклика приемо-передающей аппаратуры космического радиолокатора с синтезированной апертурой // Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли: Материалы IV научно-технической конференции. М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова, г.Адлер, 2007, стр. 154-158.

20.Лепёхина Т.А., Николаев В.И., Четверик В.Н. Оценка потенциальной разрешающей способности космического радиолокатора с синтезированной апертурой с фазовой манипуляцией зондирующего сигнала по результатам анализа функции отклика сквозного тракта приёмо-передающей аппаратуры // Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли: Материалы V научно-технической конференции. М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова, г.Адлер, 2008, стр.142-145.

21.Лепёхина Т.А., Семёнов М.А., Тарасенко A.M. Моделирование и обработка радиоголограмм для оценки основных характеристик радиолокатора с синтезированной апертурой // Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли: Материалы V научно-технической конференции. - М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова, г.Адлер, 2008, стр.154-157.

22.Семёнов М.А., Николаев В.И., Лепёхина Т.А. Анализ результатов испытаний формирователя зондирующего сигнала с модуляцией М-последователь-ностью // Микроэлектроника и информатика - 2008. 15-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. - М.: МИЭТ, 2008, стр.236.

23.Семёнов М.А., Николаев В.И., Лепёхина Т.А. Исследование переходных процессов при формировании зондирующего импульса в радиолокационной системе с синтезированной апертурой // Микроэлектроника и информатика -2006. 13-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. - М.: МИЭТ, 2006, стр. 240.

ЛР № 063109 от 04.02.1999 г

Формат 60x90/16. Заказ 962. Тираж 100 экз.

Печать офсетная. Бумага для множительных аппаратов.

Отпечатано в ООО "ФЭД+", Москва, ул. Кедрова, д. 15, тел. 774-26-96

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Лепехина, Татьяна Александровна

Введение.

1 Анализ разработок по исследованию систем наземных испытаний многодиапазонных космических РСА.

1.1 Космическая радиолокация в России и за рубежом.

1.2 Анализ современных подходов к задаче наземных испытаний космических РСА.

1.3 Концепции математического моделирования.

1.4 Выводы по разделу.

2 Обоснование и разработка системы наземных испытаний.

2.1 Теория сложных систем как инструмент создания модели комплекса наземной отработки РСА.

2.2 Модель комплекса наземной отработки космического РСА как сложной системы.

2.3 Модель РСА в свете теории сложных систем.

2.4 Описание моделей элементов РСА как составных частей сложной системы.

2.5 Алгоритм реализации математической модели на ЭВМ.

2.6 Выводы по разделу.

3 Методика применения моделей комплекса наземной отработки.

3.1 Методики применения моделей КНО для решения конкретных задач.

3.2 Возможности и достоинства системного подхода к построению моделей КНО.

3.3 Модель комплекса наземной отработки для обращенного эксперимента.

3.4 Принципы адаптации математической модели КНО для стендов полунатурного моделирования.

3.5 Модель комплекса наземной отработки для стендов полунатурного моделирования.

3.6 Применение принципа декомпозиции к системе формирования радиолокационного изображения для обоснования методик наземной проверки сквозных характеристик космического РСА.

3.7 Приведение ширины аппаратной функции отклика к пространственному разрешению РСА.

3.8 Выводы по разделу.

4 Экспериментальные исследования и моделирование макета космического

PC А, анализ результатов.

4.1 Описание экспериментального стенда.

4.2 Результаты моделирования и испытаний.

4.3 Выводы по разделу.

Введение 2010 год, диссертация по радиотехнике и связи, Лепехина, Татьяна Александровна

Расширение круга задач, решаемых с помощью космических радиолокаторов с синтезированной апертурой (РСА), влечёт за собой предъявление к ним всё более высоких требований, усложнение аппаратуры и систем обработки. Всё большее количество стран, в том числе развивающихся, становятся операторами систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) с радиолокаторами на борту, способными обеспечить разрешающую способность не хуже 1 м. К сожалению, среди них нет ни одного российского. С чем связано такое положение дел, трудно трактовать однозначно, особенно если учесть успехи советской и российской космической радиолокации конца прошлого века. В настоящее время складывается тенденция к ориентированию отечественных заказчиков на использование радиолокационных данных иностранных спутников, что может поставить страну в зависимость от зарубежных космических средств наблюдения. В сложившейся ситуации, учитывая новизну отечественной разработки, к которой предъявляются требования на уровне лучших мировых стандартов, особую роль приобретает тщательное проведение полного цикла наземных испытаний космического РСА.

Актуальность темы диссертационной работы обусловлена тем, что от структуры, качества и продуманности технических решений комплекса наземной отработки (КНО) зависит степень выполнения космическим РСА возложенных на него задач. При проведении испытаний только на составных частях РСА, без проверки их связей и взаимного влияния, принципиальные системные характеристики могут быть потеряны, поэтому разработка КНО и исследование его как целостной сложной системы является важной и актуальной задачей. Работы об исследовании КНО неизвестны или недоступны, однако известно, что такие комплексы есть, дорогостоящие и тщательно проработанные, использующие последние достижения измерительного приборостроения, постоянно совершенствующиеся методики измерений, новые возможности вычислительных средств и программного обеспечения, широко применяющие математическое и полунатурное моделирование.

Таким образом, целью настоящей диссертационной работы является повышение информативности и эффективности комплекса наземной отработки космического РСА.

Для достижения указанной цели в работе проводилось исследование комплекса наземной отработки космического РСА как сложной системы.

Решение поставленной задачи включает следующие шаги.

1) Разработка в свете теории сложных систем (ТСС) универсальной модели КНО, которая может быть адаптирована для различных типов РСА; выбор структуры функционально-ориентированной математической модели применительно к поставленной задаче.

6) Адаптация математической модели КНО для обращенного эксперимента и стендов полунатурного моделирования.

7) Тестирование предложенных моделей и системы формирования радиолокационного изображения (РЛИ) путем сравнения с результатами, полученными при испытаниях самолетного РСА с сигналом, манипулированным по фазе кодом Баркера.

8) Разработка и создание макета приемо-передающей аппаратуры с использованием зондирующего сигнала, манипулированного по фазе М-последовательностыо.

10) Проведение испытаний макета на стенде полунатурного моделирования.

11) Анализ результатов испытаний макета фрагмента космического РСА на стенде полунатурного моделирования.

Для решения поставленных задач применены: математический аппарат описания моделей сложных систем, теория радиолокационных сигналов, теория радиолокаторов с синтезированной апертурой, а также методы математического моделирования.

В данной работе получены следующие новые научные результаты.

2) Обосновано применение декомпозиции к составным частям КНО и разработаны их математические модели.

3) Разработана методика применения математической модели КНО для решения конкретных задач, в том числе обращенного и самолётного эксперимента, полунатурного моделирования.

Практическая значимость исследования

Стенд полунатурного моделирования имеет набор регулируемых аппаратных средств (шлейфов) для подачи зондирующего сигнала с выхода передатчика на вход приёмника по единственному каналу, что имитирует его отражение от одиночной точечной цели (ОТЦ). Комплексное РЛИ имитированной ОТЦ, синтезированное по записанной таким способом радиоголограмме, называется аппаратной функцией отклика (АФО). Аппаратура стенда позволяет моделировать и имитировать параметры, оказывающие влияние на вид АФО, такие как уровень отражённого сигнала, уровень шума, доплеровскос изменение фазы, соответствующее смещению ОТЦ по азимуту.

В первом разделе проведен обзор состояния и развития космической радиолокации в России и в мире, отмечена возрастающая роль данных ДЗЗ, получаемых средствами космических РСА во всех сферах человеческой деятельности, и обусловленное этим ужесточение требований к РСА не только как к средству наблюдения, но и как к измерительной системе. Проанализированы достоинства и недостатки различных подходов к испытаниям космических РСА. Отмечено, что подход к испытаниям, ограниченный только проверкой составных частей, привлекателен для менеджеров проекта с точки зрения его дешевизны, минимизации трудовых и временных затрат, но может быть оправдан только при серийном производстве изделий, если первый образец уже прошёл полный цикл испытаний и показал хорошие результаты при эксплуатации, а характеристики разрабатываемого изделия идентичны эксплуатируемому.

Из обзора следует, что математическое и полунатурное моделирование становится основным инструментом исследования, прогнозирования характеристик и проведения испытаний на всех стадиях жизненного цикла космических РСА, а также калибровки и диагностики аппаратуры при сопровождении эксплуатации.

Второй раздел посвящен исследованию комплекса наземной отработки РСА путём математического моделирования. Показана целесообразность выбора предложенной О.Ланге теории сложных систем в качестве инструмента исследования комплекса наземной отработки РСА. Вводятся понятия действующих элементов (ДЭ), входных и выходных векторов, матрицы структуры системы, матрицы связей, оператора (функции) преобразования и способа действия элемента, а также поверхности системы. Способ действия элемента представляется операторным или функциональным уравнением. Рассматривается частный случай, когда функция преобразования постоянна и время рассмотрения достаточно мало - такое, что изменение функции преобразования в зависимости от времени можно считать линейным. Показано, что КНО и его ДЭ обладают свойствами СС: уникальностью, слабопредсказуемостью и негентропийностью. При исследовании КНО и его ДЭ будем пользоваться объектно-ориентированными моделями -моделями, направленными на исследование определенной группы свойств объекта, отражающих определенную грань его сущности.

Согласно ТСС, при моделировании следует руководствоваться введёнными В.В.Дружининым и Д.С.Конторовым основными принципами системотехники (физичности, моделируемости и целенаправленности) и следующими из них постулатами, которые определяют границы применимости объектно-ориентированной модели. Такие модели строятся на основании эксперимента, который планируется исходя из задач исследования, и уточняются по результатам измерений, проведенных в ходе эксперимента.

В свете ТСС делается попытка дать корректное математическое описание структуры моделей КНО и его составных частей, пригодное для создания алгоритмов и их дальнейшей реализации на ЭВМ. Предложена идеология построения объектно-ориентированных моделей

КНО согласно основным принципам ТСС.

Вводится понятие системного критерия (СК) как общесистемного свойства, определённого для конкретной объектно-ориентированной модели, выполнение которого для системы и её подсистем является необходимым условием выполнения системой основных требований по назначению. Обосновывается необходимость проверки изделия и его подсистем на соответствие системному критерию на всех этапах его жизненного цикла.

Для радиотехнической модели РСА в качестве системного критерия предлагаются параметры комплексного радиолокационного изображения ОТЦ. Тогда для радиотехнической модели КНО таким системным критерием будут аппаратная функция отклика, получаемая при наземных испытаниях РСА, и её параметры.

Представлены математические модели КНО, РСА и тех действующих элементов, которые оказывают существенное влияние на основные характеристики РСА: приёмопередающей аппаратуры (ППА), формирователя зондирующих сигналов (ФЗС) и системы формирования радиолокационного изображения (СФРЛИ).

Путём декомпозиции с сохранением входных и выходных векторов из модели ПП выделяется элемент ФЗС, который рассматривается как отдельная СС и к которому также применяется декомпозиция, чтобы показать возможность его модификации для использования в моделях ПП с другими видами модуляции зондирующего сигнала (ЛЧМ, код Барксра). С использованием математической модели ФЗС с модуляцией М-послсдователыюстью, построенной в свете ТСС, проводилось исследование статистических характеристик боковых лепестков расчётной АФО в зависимости от длины последовательности и закона чередования полиномов с целыо дальнейшего использования результатов для расчёта шумового эквивалента системы при оценке радиометрической чувствительности.

Декомпозиция с сохранением входных и выходных векторов также применялась к СФРЛИ с целыо обоснования возможности применения модели КНО для решения конкретных задач, в том числе испытаний на полунатурном стенде, обращенного и самолётного эксперимента.

Приведено подробное описание алгоритма программной реализации предложенных математических моделей.

В третьем разделе описаны методики применения моделей КНО с позиций теории сложных систем для решения конкретных задач, проанализированы возможности и достоинства системного подхода к построению моделей. Общая модель КНО, описанная в разделе 2, была адаптирована для задач обращённого эксперимента, полунатурного моделирования. Также предложены методики её использования для самолётного эксперимента и условий штатной эксплуатации. Приведены математические модели КНО для обращённого эксперимента и стенда полунатурного моделирования. Дано подробное математическое описание структуры моделей КНО для этих вариантов. Для обоснования корректности методик наземной проверки сквозных характеристик космического РСА к системе СФРЛИ применён принцип декомпозиции, показана возможность применения штатного алгоритма синтеза изображения для испытаний на стенде при отсутствии движения носителя.

Так как стенды полунатурного моделирования применяются уже на этапе испытаний РСА и его составных частей, приведены методики, с помощью которых при использовании математической модели КНО в составе стенда полунатурного моделирования можно учесть следующие факторы: отличие закона изменения фазы имитированного отражённого сигнала от реального; отсутствие естественной задержки распространения сигнала; отсутствие составляющей шума антенны, направленной на Землю. Описаны возможные аппаратные способы формирования задержки, регулировки уровня шума и варианты аппаратной реализации ФОС на стендах.

Показано, что отличия условий обращенного эксперимента и штатного режима съёмки (отличие траекторий, отсутствие земной поверхности в поле обзора, необходимость механической ориентации антенны испытываемого аппарата) также могут быть учтены в математической модели КНО.

Таким образом, для применения общей модели КНО к решению конкретной задачи следует выполнить следующие шаги: адаптировать общую модель к конкретной задаче и математически описать ее структуру; получить ЦРГ на реальной аппаратуре; исследовать, имеется ли в модели вход, на который можно для получения АФО подать в качестве входного вектора реальную ЦРГ без дополнительных преобразований; если подходящего входа нет, выполнить такие преобразования ЦРГ, чтобы использовать имеющийся вход.

В четвёртом разделе проводится анализ результатов математического и полунатурного моделирования и испытаний макета космического РСА. Приведен состав и дано описание стенда полунатурного моделирования. Описана система формирования радиолокационного изображения и её возможности. Показаны способы моделирования внешних воздействий на стенде.

Приведены результаты синтеза АФО с помощью СФРЛИ, полученные при использовании в качестве входных данных ЦРГ, записанных при испытании макета, и имитационных моделей ЦРГ, а также результаты контрольной обработки ЦРГ с модуляцией кодом Баркера, записанных при испытаниях действующей самолётной системы; проведен их сравнительный анализ.

С помощью математической модели исследована зависимость вида боковых лепестков аппаратной функции отклика и распределения их амплитуд от длины и порядка чередования модулирующих М-последовательностей.

Показано, что характеристики АФО, полученных в условиях всех проведенных экспериментов, подтверждают выполнимость разрабатываемым РСА требований по пространственному разрешению. В то же время приводится пример эксперимента, показывающего, что ограничение условий испытаний РСА фиксированным случаем переменного параметра может привести к неполному исследованию характеристик аппаратуры.

В заключении приведены выводы о решении поставленной научной задачи.

Достоверность основных положений и выводов диссертации подтверждается корректным использованием математического аппарата, результатами математического моделирования, а также сравнением радиолокационных изображений, полученных при двух способах формирования входных данных, имитирующих съёмку одиночной точечной цели: имитационном (программном) и полунатурном (с использованием макета аппаратуры и стенда). Проведенный сравнительный анализ РЛИ с результатами обработки экспериментальных радиолокационных данных, полученных в ОАО «Корпорация «Фазотрон НИИР» при наземных испытаниях РСА авиационного базирования с фазовой манипуляцией зондирующего сигнала кодом Баркера, подтверждает корректность предложенных методик.

На защиту выносятся

1.- Способ представления и математического описания модели КНО как сложной системы.

2. Методика применения математической модели КНО для решения конкретных задач: обращенного эксперимента, полунатурного моделирования, самолётного эксперимента и сопровождения эксплуатации.

3. Математическое описание структур общей модели КНО и адаптаций этой модели для задач обращенного эксперимента и полунатурного моделирования.

4. Модифицированная математическая модель синтеза РЛИ для испытаний на стенде, построенная на основе декомпозиции системы формирования РЛИ как элемента модели КНО.

5. Стенд полунатурного моделирования для испытаний макета фрагмента космического РСА с использованием зондирующего сигнала, манипулированного по фазе М-последовательностыо, на котором реализована имитация одиночной точечной цели, получены цифровые радиоголограммы, синтезированы аппаратные функции отклика.

6. Экспериментальные результаты испытаний макета фрагмента космического РСА и их сравнение с результатами математического моделирования и обработки экспериментальных радиолокационных данных, полученных при наземных испытаниях самолётного РСА.

Апробация работы. По материалам диссертации сделаны доклады на XXIV, XXV Симпозиумах «Радиолокационное исследование природных сред» (г. Санкт-Петербург, 2006,

2007 гг.), ХУ11-Х1Х Международных Крымских конференциях «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (Крым, г.Севастополь, 2007 2009 гг.), II-VII научно-технических конференциях «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли» (Краснодарский край, 2005-2010 гг.).

Благодарности

Я сердечно благодарна своему научному руководителю, доктору технических наук, профессору Евгению Федоровичу Толстову за наставления, помощь и поддержку в работе.

Выражаю глубокую признательность нашему генеральному директору Владимиру Николаевичу Четверику за проявленное внимание, ценные научные идеи и предоставленную возможность выполнить эту работу.

Моя искренняя благодарность сотрудникам, инженерам и руководителям отделов ОК-8, принимавших участие в совместных исследованиях.

Большое спасибо дружной команде моего отдела, моим единомышленникам за участие в проведении испытаний, за поддержку и понимание. Особенно хочу отметить моих коллег главного специалиста Вадима Игоревича Николаева и инженера Михаила Алексеевича Семёнова, критические замечания которых внесли существенный вклад в улучшение моей работы.

Заключение диссертация на тему "Исследование комплекса наземной отработки космического радиолокатора с синтезированной апертурой как сложной системы"

4.3 Выводы по разделу

1. Математические модели РСА, его фрагментов и КНО, построенные в свете теории сложных систем, оказали определяющее влияние на разработку структуры стенда полунатурного моделирования и методик испытаний. Результаты испытаний, проведенных с использованием полунатурного моделирования входных воздействий, подтвердили соответствие основных характеристик макета аппаратуры предварительным расчётам и результатам математического моделирования. Сравнение результатов испытаний и предварительного моделирования позволило выявить ряд не учтённых в модели эффектов и для уточнённого исследования внести коррекции в соответствующие действующие элементы модели - СФРГ, линейный тракт приема (ЛТ ПРМ).

2. Целесообразность применения системотехнического подхода к построению модели и её сравнению с экспериментальными результатами, учитывающего предсказанное теорией свойство слабопредсказуемости сложной системы, подтверждается проведенными испытаниями. Построенная по такому же принципу математическая модель с предусмотренной возможностью её коррекции по результатам испытаний и эксплуатации должна использоваться на всём жизненном цикле РСА.

Заключение

Адаптация модели КНО для наземных испытаний на стенде полунатурного моделирования позволяет формировать входное воздействие, идентичное отражению сигнала от одиночной точечной цели, получить цифровые радиоголограммы, имеющие вид, близкий к съёмке в условиях реального полёта, и синтезировать радиолокационное изображение имитированной ОТЦ.Применение принципа декомпозиции к действующему элементу «СФРЛИ» подтверждает корректность синтеза изображения при наземных испытаниях на стенде полунатурного моделирования в условиях отсутствия движения носителя.

Разработанная методика приведения ширины аппаратной функции отклика к пространственному разрешения даёт возможность оценить сквозные характеристики проектируемого и испытываемого РСА.

Перечень сокращений

АРУ Автоматическая регулировка усиления

АС Антенная система

АФАР Активная фазированная антенная решетка

АФО Аппаратная функция отклика

АЦП Аналогово-цифровой преобразователь

АЧХ Амплитудно-частотная характеристика

БАОС Бортовая аппаратура обработки сигналов

БАУК Бортовая аппаратура управления и контроля

БЗУ Буферное запоминающее устройство

БЛ Боковой лепесток

БО Боковой обзор

БПФ Быстрое преобразование Фурье

БРЛК Бортовой радиолокационный комплекс

БСУ большая система управления

ВК Встроенный контроль

ГВЗ Групповое время запаздывания гл Главный лепесток

ДЗЗ Дистанционное зондирование Земли дн Диаграмма направленности

ДЭ Действующий элемент

ЕМР Единица младшего разряда

ЕСКД Единая система конструкторской документации зс Зондирующий сигнал

ЗУ Запоминающее устройство

ИБСУ Имитатор бортового синхронизирующего устройства ид Исходные данные

КА Космический аппарат кд Конструкторская документация кмсс Комплекс многоканальной спектральной съемки

КНО Комплекс наземной отработки

КПА Контрольно-проверочнная аппаратура

КРЛИ Комплексное РЛИ ксц Комплекс слежения за целью

ЛТ ПРМ Линейный тракт приема лчм Линейно-частотная модуляция

МШУ Малошумящий усилитель

НКУ Наземный комплекс управления

НРЛК Наземный радиолокационный комплекс ог Опорный генератор отц Одиночная точечная цель

ПЗУ Постоянное запоминающее устройство по Программное обеспечение пп Приемопередающая (аппаратура)

ППА Приемо-передающая аппаратура

ППМ Приемо-передающий модуль

ПРЛО Пассивный радиолокационный отражатель пч Промежуточная частота

ПЭВМ Персональная ЭВМ

РГ Радиоголограмма

РЛ Радиолокатор

РЛИ Радиолокационное изображение

РЛК Радиолокационный комплекс

РЛР Радиолокационный рельеф

РЛС Радиолокационная станция

РПП Регенератор ПП

РСА Радиолокатор с синтезированной апертурой

САРЛИ Система анализа РЛИ ск Системный критерий ско Среднеквадратичное отклонение

СНО Система носителей и ориентации

СОРЛ Система ориентации радиолокатора

СР Спутник-ретранслятор сс Сложная система сси Сервер синтеза изображений

СУДН Система управления ДП

СУПР Система управления переключением режимов

СФИД Система формирования исходных данных

СФРГ Система формирования радиоголограмм

СФРЛИ Система формирования РЛИ сшп Сверхширокополосный тз Техническое задание тм Телеметрический тсс Теория сложных систем

ТТХ Тактико-технические характеристики

ФЗС Формирователь зондирующих сигналов

ФМ Фазовая манипуляция

ФО Функция отклика

ФОС Формирователь отраженных сигналов

ФЧ Формирователь частот

ФЧХ Фазо-частотная характеристика

ЦРГ Цифровая радиоголограмма

ЦУИ Центр управления испытаниями шэ Шумовой эквивалент

ЭВМ Электронная вычислительная машина

Библиография Лепехина, Татьяна Александровна, диссертация по теме Радиолокация и радионавигация

1. Неронский Л.Б., Михайлов В.Ф., Брагин И.В. Микроволновая аппаратура дистанционного зондирования поверхности Земли и атмосферы. Радиолокаторы с синтезированной апертурой антенны /Учеб. пособие/ СПбГУАП. СПб., 1999. Ч. 2. 220 е.: ил.

2. Радиолокационные системы воздушной разведки, дешифрирование радиолокационных изображений. Под ред.Л.А.Школьного. М.: изд. ВВИА им.проф. Н.Е.Жуковского, 2008.

3. Cote S., Srivasfava S., Le Dantec P., Hawkins B. From Commissioning to Extended Mission: 9 Years of Maintaining RADARSAT-1 Image Quality Performance // Proc. of EUSAR'2006, Dresden, Germany. May 16-18, 2006.

4. Кучейко A.A. Итоги запусков спутников съемки Земли в 2009 году. -http://rnd.cnews.ru/tech/reviews/indexscience.shtml72010/01/12/375927.

5. Российский и белорусский спутники полетят в космос в паре в конце года. -Интерфакс-АВН. Новости Роскосмоса. http ://www. federal space .ru/main.php?id=2&nid= 10485.

6. Ржига О.Н. Новая эпоха в исследовании Венеры. М.: Знание, 1988. -http://www.astronaut.ru/bookcase/books/rziga/ rziga.htm.

7. Space. LACROSSE/ONYX. Radar Imaging Reconnaissance Satellite. Веб-сайт http://www.globalsecurity.org/space/systems/lacrosse.htm.

8. Андронов А. Космические радары: «9:0» не в пользу России. — R&D.CNews http://vsrww.cnews.ru/reviews/index.shtml72007/12/21/280675

9. Борисов Ю.П., Цветнов В.В. Математическое моделирование радиотехнических систем и устройств. М.: Радио и связь, 1985.

10. Прохоренко H.H. Надежность и себестоимось целевого продукта химико-технологических систем. Химическая промышленность сегодня. 2007. № 2. С. 3743.

11. Bachmann М., Schwerdt М., Bräutigam В., Döring В. Final Results of the TerraSAR-X In-Orbit Antenna Model Verification. Proc. of EUSAR'2008, Friedrichshafen, Germany. - June 2-5, 2008.

12. Brautigam В., González J. II., Schwerdt M., Bachmann M. Radar Instrument Calibration of TerraSAR-X. EUSAR 2008.

13. SAR-Lupe. The innovative program for satellite-based radar reconnaissance. -Материалы веб-сайта http://www.ohb-system.de/ tlfíles/ system/ images/ mediathek/ downloads/ pdf/ SAR-Lupe.pdf.

14. Rosich В., Torres R., Navas I., Monti-Guarnieri A., Meadows P.J. ASAR calibration performance: a review after four years of operation. Proc. of EUSAR'2006, Dresden, Germany / - May 16-18, 2006.

15. Desnos Y.-L., Buck C., Laur H., Suchail J.-L., Torres R., Duesmann В., Closa J. The ENVISAT ASAR Calibration and Validation Plan. Proceedings of the CEOS SAR Workshop, Toulouse, 26-29 October 1999, ESA SP-450, March 2000.

16. Freeman A. SAR Calibration. An overview // IEEE Trans, on GRS. Nov, 1992, XI, vol.30, no.6, pp.1107-1121.

17. Gibbons M.D., Gregson S.F. Planar near field testing of the ENVISAT ASAR active phased array antenna. Proceedings 4th international Symposium on Environmental Testing for Space programmes, Liege, Belgium, 12-14 June 2001 (ESA SP-467 August 2001).

18. Madsen S.N., Christensen E.L., Skou N., Dali J. The Danish SAR System: Design and Initial Tests. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, Vol.29, No.3, May 1991

19. Torres R., Buck C., Guijarro J., Suchail J-L, and Schonenberg A., The ENVISAT ASAR Instrument Verification and Characterization. CEOS SAR Workshop, 2-29 October 1999, ESA-SP 450.

20. Schied E., Rostan F., Ostergaard A., Traver I. N., Snoeij P. The Sentinel-1 C-SAR Internal Calibration. EUSAR 2010, p.341.

21. Torre A., Kapece P. COSMO-SkyMed SAR Instrument Calibration Approach. EUSAR 2006, 023.

22. Braun H., Kicherer S. External Calibration for CRS-1 and SAR-Lupe // Proc. of EUSAR'2006, Dresden, Germany. June 16-18, 2006.

23. Grenier С., Barnard I., Arsenault P. The RADARSAT-2 Synthetic Aperture Radar Phased Array Antenna Performance Analysis Methodology. EMS Technologies. — EUSAR 2004, Ulm, Germany.

24. Schwerdt M., Döring В., Zink M., Schrank D. In-Orbit Calibration Plan of Sentinel-1. -EUSAR 2010, p.350.

25. Cote S., Srivasfava S., Le Dantec P., Lukowski Т., Hawkins R. Monitoring RADARSAT-1 Elevation Beam Pattern using the Canadian Boreal Forest: an Experiment//Proc. of EUSAR'2006, Dresden, Germany. May 16-18, 2006.

26. Richard J., Dumper K., Heliere F., Buck C. An innovative calibration concept for space SAR using an active antenna with improved efficiency, reliability and radiometric accuracy. Proc. of EUSAR'2006, Dresden, Germany. May 16-18, 2006.

27. Torres R., Zink M. Efficient Calibration of Active-Phased-Array S ARs. EUSAR 2006.

28. Schwerdt M., Bräutigam В., Bachmann M. Döring В. TerraSAR-X Calibration Results // Proc. of EUSAR'2008, Friedrichshafen, Germany. June 2-5, 2008, vol.1, pp.91-94.

29. Schwerdt M., Schrank D., Bachmann M., Schulz С., Döring В., Gonzales J. H. TerraSAR-X Re-Calibration and Dual Receive Antenna Campaigns performed in 2009. -EUSAR 2010, p.218.

30. Boerner E., Uhlmann H.F. SAR simulation studies using SARIS. — EUSAR 2002, Cologne, Germany.

31. Thomas G. Using AGILENT ADS to specify synthetic aperture radars. — EUSAR 2002, Cologne, Germany.

32. Gonzalez M.J., Gomez В., GarcialM., Cuerda J. M., del Castillo J., Casal N., Vega E., Alfaro N., Braeutigam B. SIMS AR: INTA simulator of SAR missions. EUSAR 2010, p673.

33. Neronskiy L.B., Verba V.S., Kurochkin A.P., Los V.F., Osipov I.G., Ostrovsky A.G. Modelling of Signal Transformation in Spaceborne UWB Short Pulse SAR. EUSAR 2006, p02-06.

34. Neronskiy L.B., Verba V.S., Likhansky S.G., Pushkov D.V., Elizavetin I.V. Phenomenological Approach to SAR Signal Processing Simulation. // Proc. of EUSAR'2004, Ulm, Germany. May 25-27, 2004, Ulm, Germany - pp.1005-1008.

35. Wen L., Tao Z. A New SAR Echo Simulation Method of 3D Natural Scene. EUSAR 2010, p661.

36. Wen L., Tao Z. Design and Implementation of Real-time SAR Echo Simulator for Natural Scene. EUSAR 2010, p657.

37. Яковлев A.M. Универсальная бортовая система регистрации радиоголограмм. — Сб. науч. статей под ред. Е.Ф.Толстова. — МО РФ, Смоленск, 2005.

38. Ланге О. Целое и развитие в свете кибернетики. — В сб.: Исследования по общей теории систем. — М., Прогресс, 1969, с.181-251.

39. Дружинин В.В., Конторов Д.С. Системотехника. — М.: Радио и связь, 1985.

40. Фридман Д., ван Ньювенхёйзен П. Супергравитация и унификация законов физики. — Успехи физических наук, 1979 г., май, т.128, вып.1, М.: Наука, 1979. -http://www.e-biblioteka.lt/ resursai/ Uzsienio%201eidiniai/ UspechiFizNauk/ 1979/ ufn795/ r795e.pdf

41. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. — М.: Наука, 1968.

42. Денисов А. А., Колесников Д. Н. Теория больших систем управления: Учебное пособие для вузов. — JL: Энергоиздат, Ленингр, отд-ние, 1982.

43. Романов В.Н. Системный анализ для инженеров. — СПб.: СЗГЗТУ, 2006.

44. Лепёхина Т.А., Николаев В.И., Титов М.П., Четверик В.Н. Анализ математической модели комплекса наземной испытаний космической РСА // Труды XXIV Симпозиума "Радиолокационное исследование природ-ных сред", СПб, 2007, стр. 185-195.

45. Исакаев В.Э., Карпов O.A., Титов М.П., Толстов Е.Ф. Математическое описание бистатической РСА как сложной системы. — Материалы XXIV Всероссийского симпозиума «Радиолокационное исследование природных сред» (Санкт-Петербург, апрель 2006)

46. Варакин Л.Е. Теория сложных сигналов. — М.: Сов.радио, 1970. 376 с.

47. Lenz R., Lambrecht A., Wiesbeck W. Potentials of SAR Antenna Pattern Recognition using Active Ground Receivers. Proc. of EUSAR'2006, Dresden, Germany. - May 1618, 2006.

48. Snoeij P. Transponder Development for Sentinel-1. — EUS AR 2010, p.354.

49. Лепёхина Т.А. Моделирование комплекса наземных испытаний космического радиолокатора с синтезированной апертурой на основе теории сложных систем // журнал "Вопросы радиоэлектроники". Серия: радиолокационная техника (РЛТ), выпуск 1. -М.:2008, стр. 72-82.

50. Кондратенков Г.С., Потехин В.А., Реутов А.П. Радиолокационные станции обзора земли. М. Радио и связь, 1983.

51. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны. Под ред. В.Т.Горяинова. М.: Радио и связь, 1988

52. Толстов Е.Ф., Яковлев A.M., Карпов O.A. Радиолокационный комплекс аппаратуры наблюдения в программе «Открытое небо» // Радиотехника №11. Сер. «Радиолокационные системы и системы радиоуправления» №2. Вып.6. 1995.

53. Neronskiy L.B., Koshevarov G.A., Melnikov L.Ya., Likhansky S.G. Correction of Equipment Distortions in Data From Ekor-Al SAR on «Almaz-1» Satellite // Proc. of EUSAR'2000, Munich, Germany. May, 23-25, 2000, pp.453-456.

54. Шахгеданов В.Н. Авиационная система наблюдения «Открытое небо». Наукоемкие технологии. 2004, №8-9. - С.101-109.1. С.54-57.

Похожие работы

Радиотехника и связь
05.12.00