автореферат диссертации по транспорту, 05.22.13, диссертация на тему:Повышение эффективности функционирования автоматизированных систем управления воздушным движением на основе совершенствованич радиолокационного обеспечения путем внедрения методов радиополяриметрии

УДК 629.7.351

На правах рукописи

ДАО ТИ ТХАНЬ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

ВОЗДУШНЫМ ДВИЖЕНИЕМ НА ОСНОВЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ РАДИОЛОКАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПУТЕМ ВНЕДРЕНИЯ МЕТОДОВ РАДИОПОЛЯРИМЕТРИИ

Специальность 05.22.13 - Навигация и управление воздушный движением

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 2003г.

Работа выполнена на кафедре Авиационных радиоэлектронных систем Московского государственного технического университета гражданской авиации (федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования)

Научный консультант Заслуженный деятель науки и техники РФ,

профессор, доктор физико-математических наук

Козлов А.И.

Официальные оппоненты Лауреат Государственной премии РФ,

Заслуженный деятель науки РФ, профессор, доктор физико-математических наук

Лукин Д. С.

Лауреат Государственной премии РФ, Заслуженный деятель науки РФ, профессор, доктор технических наук

Шатраков Ю.Г.

Профессор, доктор технических наук

Логвин А.И.

Ведущая организация Гос НИИ «Аэронавигация»

Защита диссертации состоится « ()( » и ми Я 2003г. на заседании диссертационного совета Д 223.011.01 при Московском государственном техническом университете гражданской авиации по адресу ГСП-3, Москва, 125993,

А-493, Кронштадтский бульвар 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУГА.

Автореферат разослан « » О У 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 223.011.01 профессор, доктор технических наук

Камзолов С.К.

Общая характеристика работы.

Одним из важнейших факторов обеспечения безопасности полетов воздушных судов (ВС) в гражданской авиации (ГА) является эффективная и надежная работа автоматизированных систем (АС) управления воздушным движением (УВД). АС УВД широко внедряются в современной ГА и в перспективе вся мировая сеть ГА должна обслуживаться на основе АС УВД. Соответственно такие системы должны иметь высокие тактико-технические характеристики и высокие эксплуатационно-производственные показатели. В свою очередь, эти высокие характеристики и показатели АС УВД в определяющей степени зависят от качества поступающей радиолокационной информации с радиолокационных позиций. Это объясняется тем, что подавляющую часть информации для диспетчеров УВД поставляют системы радиолокационного обеспечения в рамках функционирующих систем радиотехнического обеспечения полетов. Поэтому вопросы совершенствования радиолокационных систем в структуре АС УВД и их модификации постоянно находятся в центре внимания специалистов ГА.

Отсюда вытекает актуальная и важная научная задача обеспечения требуемого качества функционирования АС УВД на основе совершенствования качества функционирования систем

радиолокационного обеспечения.

Целью работы является анализ и внедрение методов радиополяриметрии в современные радиолокационные комплексы АС УВД для существенного повышения эффективности функционирования радиолокационного обеспечения АС УВД.

Для достижения поставленной цели потребовалось:

[.Разработать методы оценки качества функционирования АС УВД и систем их радиолокационного обеспечения.

2.Установить взаимосвязи между показателями эффективност функционирования радиолокационных комплексов и АС УВД.

3.Разработать методы повышения эффективности функционировани радиолокационных комплексов АС УВД на основе внедрения методе радиополяриметрии.

^Проанализировать реальные условия эксплуатаци радиолокационных комплексов АС УВД, что выражается в учет негауссовского характера поляризационных радиолокационных сигналов.

5.Предложить методы подавления отражений радиолокационнь сигналов от местных предметов и подстилающей поверхности в 301 аэропорта на основе использования поляризационных свойств сигналов.

6.Провести широкие экспериментальные исследования в 301 аэропорта для выявления возможностей повышения эффективное функционирования радиолокационных комплексов (РЖ) АС УВД.

7.Обосновать и предложить на основе экспериментальных теоретических исследований алгоритмы поляризационной обработ сигналов в РЛК АС УВД.

На защиту выносится совокупность научных положен* теоретических и экспериментальных результатов, содержащих решен проблемы повышения эффективности функционирования АС УВД основе совершенствования их радиолокационного обеспечения, а именно

-методы оценки качества функционирования АС УВД и систем радиолокационного обеспечения;

-соотношения для взаимосвязей между показателями эффективное функционирования РЖ и АС УВД;

-методы повышения эффективности функционирования РЖ -УВД на основе применения методов радиополяриметрии;

-анализ негауссовских статистических характеристик поляризованных радиолокационных сигналов, отраженных от ВС в РЛК АС УВД;

-методы подавления отражений радиолокационных сигналов от местных предметов и от подстилающей поверхности в зоне аэропорта;

-экспериментальные результаты по определению статистических характеристик элементов матрицы рассеяния в реальных условиях эксплуатации РЛК АС УВД;

-алгоритмы поляризационной обработки радиолокационных сигналов в РЛК АС УВД для их внедрения в модернизированные системы.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые: -предложены модифицированные методы оценки качества функционирования АС УВД и систем их радиолокационного обеспечения;

-получены соотношения для взаимосвязей между показателями эффективности функционирования РЛК и АС УВД;

-разработаны методы повышения эффективности функционирования РЛК АС УВД на основе применения методов радиополяриметрии;

-выполнен анализ негауссовских статистических характеристик поляризованных радиолокационных сигналов, отраженных от ВС;

-разработаны методы подавления отражений радиолокационных сигналов от местных предметов и от подстилающей поверхности в зоне аэропорта;

-получены экспериментальные результаты по определению статистических характеристик элементов матрицы рассеяния в реальных условиях эксплуатации РЛК АС УВД;

-предложены алгоритмы поляризационной обработки радиолокационных сигналов в РЛК АС УВД.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные ней результаты позволяют:

-оценивать количественно эффективность функционирование А( УВД на основе количественных оценок эффективности функционировани РЖ;

-повышать эффективность функционирования РЖ АС УВД путе] использования поляризационных свойств радиолокационных сигналов;

-вычислять статистические характеристики поляризованнь: негауссовских радиолокационных сигналов;

-обеспечивать подавление отражений от местных предметов и с подстилающей поверхности, тем самым, уменьшая зоь нечувствительности РЛК АС УВД;

-находить статистические характеристики элементов матрг рассеяния на основе предложенной методики проведения эксперимента предложенных алгоритмов обработки результатов эксперимента;

-использовать алгоритмы поляризационной обработ! радиолокационных сигналов в РЖ АС УВД для повышен: эффективности их функционирования

Апробация.

Результаты работы докладывались на Международных научн технической конференции МГТУ ГА (2001г., 2003г.), на совместа научно-техническом семинаре МГТУ ГА и ОКБ "Компас" (Моек: 2001г.), на межкафедральных семинарах МГТУ ГА (1999 - 2003гг.).

Внедрение

Результаты работы внедрены в учебный процесс в МГТУ ГА, разработки ОКБ "Компас" и в аэропорту г.Ханой и г.Хошимин, о ч имеются соответствующие акты о внедрении.

Публикации.

По материалам диссертации опубликована 31 работа автора.

Содержание работы.

Во Введении обоснована актуальность проблемы повышения -эффективности функционирования АС УВД на основе совершенствования радиолокационного обеспечения путем внедрения методов радиополяриметрии. Формируется цель и основные задачи работы. Изложены полученные научные результаты и их практическая значимость. Указана структура диссертации и приведены сведения об апробации и публикациях.

В первой главе рассматриваются общие вопросы повышения эффективности использования радиотехнических средств обеспечения управления воздушным движением.

Автоматизированные системы УВД относятся к классу сложных иерархических систем. Для АС УВД можно сформулировать единый критерий эффективности, а именно, обеспечение требуемого уровня безопасности полетов ВС. Этот уровень безопасности полетов определяется многими факторами, где одним из решающих является человеческий фактор (экипаж и диспетчеры), но во многом безопасность полетов определяется качеством функционирования АС УВД.

Под эффективностью функционирования АС УВД будем понимать успешность выполнения поставленной конечной цели управления в рамках имеющихся ресурсов, т.е. успешность обеспечения заданного уровня безопасности полетов при обеспечении требуемой пропускной способности системы. Мерой эффективности функционирования АС УВД может служить обобщенный векторный показатель в пространстве состояний системы. В качестве показателя эффективности АС УВД в процессе ее функционирования примем вероятность Р выполнения системой в заданный промежуток времени А1 стоящих перед ней задач на любом произвольном отрезке времени [0, ?] ее эксплуатации при

определенных условиях окружающей среды в конкретной зоне управления воздушным движением.

Вероятность выполнения системой в заданный промежуток времени Л? стоящих перед ней задач состоит из произведения двух вероятностей: вероятности того, что безопасность полетов находится на требуемом уровне при числе обслуживаемых ВС, равном п, и вероятность того, что пропускная способность зоны УВД соответствует заданной.

Воздействие технических средств УВД, включая радиотехническое обеспечение полетов, влияет на эффективность функционирования АС УВД только через вероятность Рп (п) обеспечения требуемой пропускной способности, определяемой за тот же промежуток времени &.

Для проводимого в работе рассмотрения интерес представляет только уровень технической оснащенности радиолокационными средствами, т.к. подавляющее количество информации, которое поступает к диспетчеру, составляет именно радиолокационная информация.

В этой связи целесообразно определить взаимосвязь вероятност: обеспечения заданной пропускной способности сектора УВД характеристиками РЛС, обеспечивающих работу АС УВД.

В общем случае пропускная способность системы УВД буде зависеть от периода обновления, точности и достоверности получаемс диспетчером информации, качества и формы представления информац* диспетчеру, надежности работы технических средств АС УВД, чис. функциональных задач, решаемой системой УВД, числом одновремен! сопровождаемых системой ВС и вероятностью устойчиво автосопровождения ВС.

С учетом сказанного, учитывая, что общее число функциональ решаемых задач может быть равно у , выражение для вероятное обеспечения пропускной способности сектора УВД можно представит виде:

РпМ=РОспО

1 - П(1 - cc0ja0jT0jKürjP0j)

(1)

где Pn{no) - вероятность обеспечения заданной пропускной способности п0 ВС, «о - относительное число одновременно сопровождаемых ВС, Рос -относительная вероятность устойчивого автосопровождения, «о,- -относительная вероятность соответствия полученной информации у'-му определяемому параметру, crq,- - относительная среднеквадратичная погрешность определения у'-ой координаты местоположения ВС в пространстве, Го, - относительный период обновления диспетчерской информации при решении у'-ой задачи, Koq - относительный коэффициент готовности, Poj - относительная вероятность перекрытия области пространства восприятия диспетчера пространством воспроизведения сигналов.

Из формулы (1) вытекает, что на вероятность P[j(n0) с точки зрения качества работы PJ1C влияют три показателя: а0, a0¡, Г0 , если полагать, что надежность обеспечивается наличием резервного комплекта технических средств. Из этих трех параметров выделим cr0¡, так как этот параметр так или иначе связан с параметром а0, а Т0 считается соответствующим установленным требованиям.

Далее в работе анализируются вопросы эффективности функционального использования PJTC ГЛ и устанавливается связь эффективности функционирования АС УВД с эффективностью функционального использования PJIC ГА.

Пусть количественное значение показателя качества функционирования системы в виде вероятности /'(í, ) зависит от состояния системы в момент времени t¡, тогда можно использовать мгновенные и интервальные показатели качества функционирования, например, мгновенные показатели: математическое ожидание качества

функционирования в момент времени t = Г,-: £(*;)= Л-/[р(?;)], и коэффициент снижения качества функционирования -

= 0 < 1, где Р0 - некоторое наибольшее

Ра

возможное значение качества функционирования, причем часто принимают, что Р0 = const, соответствующее некоторой эталонной системе (полностью работоспособной, с номинальными значениями всех параметров и т.д.).

Обратим внимание на показатель уровня снижения качества функционирования. Для РЛС ГА практически любой обобщенный или частный показатель качества функционирования будет величиной вероятностной. Это связано с тем, что при функционировании любой РЛС неизбежно наличие шумов и помех в радиоканале и в самой РЛС. Эталонная радиосистема любого назначения может рассматриваться только как система, функционирующая при малых уровнях шума. Поэтому, в отличие от известных в литературе показателей, следует принять, что в данном случае Р0 также является вероятностной величиной, а поэтому: ^(/,-) = M[P{t¡)]lМ[Рй(?, )]•

В этом случае критерий качества функционирования может быть записан в следующем виде:

3 = min(jMHi,.)]-A/[Po(i,-)]), /,еМ (2)

при условии, что ccj = const, j = 2,N, N - общее число показателей РЛС ГА, где cij - другие показатели системы, не включающие в себя выбранный показатель качества функционирования, с^ =

Таким образом, качество функционирования показывает, насколько данная РЛС ГА в данный момент времени Г,- соответствует

эксплуатационно-тактическим характеристикам, заложенным в РЛС при изготовлении.

В этом плане целесообразно ввести показатели, которые характеризовали бы качество функционирования данной эксплуатируемой системы по отношению к ней самой, если ее показатели в результате определенных, технических и организационных мероприятий превышают показатели известных систем. Такие показатели можно назЕать показателями эффективности использования системы. Близость данных показателей к максимальному значению показывает, во-первых, целесообразность проведения тех мероприятий, при которых показатели системы повышаются, во-вторых, дают оценку степени приближения эксплуатируемой системы к оптимизированной (по определенным критериям). Если среди перечисленных выше показателей качества функционирования имеются абсолютные и относительные показатели, то показатели эффективности использования РЛС ГА по своему смыслу должны быть только относительными.

Будем полагать, что эффективность использования по назначению какой-либо системы или устройства (РЛС ГА, в частности) - это есть отношение качества функционирования данной системы или устройства в определенных условиях и возможно более высокому уровню функционирования, достигаемому при оптимизации режимов ее работы, либо при модернизации рассматриваемой системы или устройства.

Это можно записать в виде Эи = )/ Рм (/,), где Эм - показатель эффективности использования РЛС ГА, Р- показатель качества функционирования РЛС ГА в момент времени для соответствующих условий эксплуатации, Рм^ц) - то же для оптимизированной или модернизированной системы.

Главная задача показателя эффективности использования состоит том, чтобы продемонстрировать уровень возможного совершенствовали системы на основе известных достижений науки и техники, если выпускаемом оборудовании эти достижения по каким-либо причинам н используются.

Можно ввести следующие показатели эффективности использовани РЛС ГА:

1.Средняя эффективность использования в момент времени г,-, т.« отношение математических ожиданий, характеризующих среднее качеств! функционирования эксплуатируемой и модернизированной РЛС

о)

где Рм{г,) - качество функционирования модернизированной РЛС ГА в момент времени .

2.Средний коэффициент снижения эффективности использованш РЛС ГА

= -, (4)

-¿-т-МрМ] "«о""

где - качество функционирования модернизированной РЛС

ГА в момент времени г,- при эталонных условиях эксплуатации.

3.Среднее квадратическое отклонение эффективности использования

Гэ(г;)=

М

рМ

(5)

Повышение эффективности использования РЛС ГА возможно обеспечить с помощью внедрения методов радиополяриметрии, чему посвящается дальнейшее изложение материала.

Приводятся основные сведения о поляризационных свойствах электромагнитных волн, где показывается, что основной характеристикой для РЛС ГА является матрица рассеяния облучаемого объекта. Кроме того, рассмотрены вопросы поляризационного согласования приходящей электромагнитной волны (ЭМВ) с антенной системой РЛС, где показано, что целесообразно введение понятия «поляризационного шума» для оценки влияния поляризационного рассогласования на показатели функционирования РЛС.

Во второй главе рассматриваются вероятностные характеристики очищающих негауссовских частично поляризованных радиолокационных сигналов при наличии негауссовских помех от предметов в зоне аэродрома. Этот анализ необходим для получения основных характеристик, относящихся к введенному в 1 -й главе «поляризационному шуму». Для проведения анализа была определена вероятностная модель радиолокационного сигнала с учетом его поляризационных свойств, формируемых группами блестящих точек с детерминированной составляющей. Эта модель является обобщенной и справедливой для широкого класса гауссовских и негауссовских сигналов.

Рассмотрена оценка параметров распределения эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) радиолокационной цели. Были получены выражения, которые являются исходными при аппроксимации экспериментальных гистограмм мощности отраженных радиосигналов с целью проверки адекватности выбранной вероятности модели огибающей радиосигнала результатам экспериментальных исследований.

Получены вероятностные характеристики огибающей смеси негауссовских частично - поляризованных сигналов и помех от местных предметов в зоне аэропорта, в частности, статистические характеристики огибающей аддитивной смеси детерминированного сигнала и негауссовской помехи. Данные выражения достаточно громоздки и

приведены в диссертации, однако в ряде рассмотренных частных случаях они могут сходиться к известным распределениям, таким, как распределения Накатами, Райса и другим.

Полученные теоретические модели в большей степени отражают реальную картину описания статистических характеристик радиолокационных поляризованных сигналов, которые складываются при эксплуатации РЖ АС УВД, чем используемые в настоящее время модели.

Представленные аналитические выражения для описания поляризационных свойств радиолокационных сигналов могут служить основой для разработки алгоритмов поляризационной обработки сигналов, направленных на повышение эффективности функционирования РЛК Ас УВД, что, в свою очередь, должно привести к повышению функционирования АС УВД в целом.

В третьей главе исследуются вопросы поляризационного подавления отражений от местных предметов в трассовых РЛС УВД. В качестве трассовых РЛС УВД рассматривались РЛС «Утес», «Утес - М», «Скала» и другие.

В последние годы все большее внимание уделяется разработчиками радиолокационной техники устройствам управляемой поляризации, обладающим большими возможностями для уменьшения вредного влияния метеообразований и местных предметов на работу РЛС УВД.

В РЛС применяются устройства, создающие наиболее распространенные виды поляризации "линия" и "круг". В режиме круговой поляризации обеспечивается подавление сигналов от дождя порядка 15-20дБ, тогда как проведенные исследования показывают, что для обеспечения хороших рабочих характеристик обнаружения, сигналы 1 от дождя необходимо подавить на величину порядка ЗОдБ.

Наиболее эффективным видом поляризации, которую следует применять для подавления сигналов от метеообразований, является эллиптическая поляризация излучаемого сигнала.

Форма капли дождя под действием сил гравитации приобретает вид эллипсоида вращения, в связи с чем круговая поляризация оказывается менее эффективной по сравнении с эллиптической, дающей подавление на 8дБ больше.

Устройства управляемой поляризации могут ослаблять отражения от земных покровов примерно до 40дБ, но из-за шероховатости поверхности и несовершенства РЛС обеспечивают величину подавления, не превышающую 25дБ. Из этого следует, что в каждом конкретном случае желательно иметь как можно больше информации о поляризационных свойствах окружающих РЛС земных покровов и местных предметов. Эта информация даст возможность усовершенствовать (или создать новую) аппаратуру, использующую поляризационные эффекты, которая обеспечит более высокие коэффициенты подавления мешающих отражений и улучшит эффективность работы перспективных РЛС. На основании изложенного можно полагать, что в перспективных РЛС должны использоваться алгоритмы перестройки по поляризации.

Такие алгоритмы перестройки по поляризации позволят в наиболее полной степени использовать потенциальные возможности, заложенные в поляризационных эффектах.

Величина практически реализованного подавления отражений от подстилающих покровов и местных предметов в эксплуатируемых в предприятиях гражданской авиации РЛС составляет 50-60дБ, что не обеспечивает полного подавления отражений в ближней зоне РЛС. Именно поэтому, тем более, важно использовать все возможности, которые может дать поляризационная адаптация в РЛС.

Для построения указанных алгоритмов' потребовалась разработка поляризационных моделей подстилающих покровов на основе использования матрицы рассеяния.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований по определению поляризационных характеристик подстилающих покровов. Описана методика проведения экспериментов для нахождения элементов матрицы рассеяния подстилающих поверхностей и местных предметов. Измерения проводились на типовой трассовой РЛС ГА в дециметровом диапазоне длин волн. Прежде всего, представляли интерес статистические характеристики элементов матрицы рассеяния, плотности и функции распределения вероятностей. Для примера на рис. 1-3 показаны соответствующие зависимости для диагонального элемента матрицы рассеяния 5ц при различных объемах выборки, где V - объем выборки, соответствующий 1440 значениям параметра на азимутальных углах 0° - 360°; К, - объем выборки, соответствующий 720 значениям параметров на азимутальных углах 0°-100° и 280°-360°. К2 - объем выборки, соответствующий 720 значениям параметров на азимутальных углах 100°-280°.

На рис.4-6 показаны аналогичные зависимости для кроссового элемента матрицы рассеяния 5|2-

Анализ гистограмм и наиболее им соответствующих статистических распределений параметров матрицы рассеяния подстилающих покровов показывает, что даже при усреднении по всему сектору обзора (360°) измеренные поляризационные характеристики достаточно компактно группируются вокруг соответствующих средних значений. Это обстоятельство имеет важное практическое значение: достаточно эффективные системы поляризационного подавления мешающих отражений от местных предметов могут рассчитываться, исходя из полученных средних значений элементов матриц рассеяния.

Рис. 4. Плотность и функция распределения Э|2

Рис. 6. Плотность и функция распределения

Гистограммы и аппроксимирующие их законы распределения показывают, что для элементов 5(1 и 522 характерно наличие двумодального, а иногда и трехмодального вида распределения при объемах выборки У и У2, что свидетельствует, скорее всего, о начичии однократного и двукратного видов рассеяния. При объеме выборки К, распределение для 5И и 5,2 имеет унимодальный вид. Отношение максимальных величин 5П и к минимальным при объеме выборки 1440 составляет =6 дБ.

Резко отличается вид закона распределения для кроссового элемента 512; для него характерна унимодальность для объемов выборки V, К, и У2, и очень мала ширина кривой плотности распределения.

Для диагональных элементов МР характерно наличие сильной корреляции по азимутальным углам независимо от объемов выборки. При этом спадание до уровня 0,5 при объеме выборки У2 происходит при углах расстройки 15-20°, а для объема выборки V даже при углах в 40-50° -нормированная корреляционная функция не достигает уровня 0,7. Это говорит о наличии постоянной составляющей, обусловленной фоном, т.е. отражениями от земли.

Были также получены необходимые статистические характеристики для аргументов элементов матрицы рассеяния. Плотности распределения этих аргументов носят унимодальный характер, причем для них характерно практически полное отсутствие корреляции между соседними элементами разрешения безотносительно к объемам выборки V, У], У2. Кроме того, были получены плотности распределения и функции распределения степени поляризационной анизотропии д и полной ЭПР ст.

Для полной ЭПР при объемах выборки У{ и Уг характерны одномодальные плотности распределения с сильно разнесенными средними значениями 130 для К, и 300 - для У,. Это привело к тому, что

при объеме выборки V плотность распределения имеет двумодальный характер. Степень анизотропности оказывается более устойчивой к перемене выборки - значения степени поляризационной анизотропности группируются около значения 0,8 при этом ширина соответствующей кривой составляет величину порядка 0,2 (по уровню 0,5).

Полная ЭПР соседних элементов разрешения оказывается достаточно сильно коррелированной при различных объемах выборки.

Одним из возможных подходов к описанию распределений на базе системы математических формул является способ, основанный на отыскании семейства кривых Пирсона, при помощи которого можно удовлетворительно представить встречающиеся распределения.

Каждое семейство распределений Пирсона может быть получено из

решения дифференциального уравнения вида — =--- сЬс.

у С0+С,х + С2х"

В конечном итоге задача сводится к рассмотрению уравнения: С0 + С,,г + Сгх2 =0, корни которого зависят от дискриминанта

Каждому значению величины % соответствует определенное значение коэффициентов уравнения и, следовательно, определенный тип кривой распределения, т.е. величина х носит характер критерия. Три значения критерия х: X < 0 '> 0<х<1; X> 1 дают три главных типа распределения.

В Таблице 1 приведены рассчитанные значения параметра % для нескольких параметров элементов матрицы рассеяния, соответствующий | тип кривых Пирсона, а также соответствующий им вид распределения. При этом наиболее "распространенным" является третий тип кривых Пирсона и соответствующее у - распределение параметров.

Таблица 1.

Поляризационные статистические характеристики земной поверхности

Параметр Объем выборки Характеристики случайного процесса Тип- кривых Пирсона

Мат. ожид. Дисперсия Ср. кв. Асйм. Эксцесс. X

1.5,, К = 1440 6,23 4,02 2,01 0,74 0,84 18,96 ni (|z|>4)

У, = 720 7,64 3,60 1.90 -0,19 2,82 0,01 VII 1

У2 =720 4,21 0,47 0,68 0,44 0,12 -0,44

2.S,, V =1440 3,53 1,67 1,29 2,16 13,8 0.63 IV

У, = 720 4,22 1,66 1,29 2,21 18.8 0,45 IV

У2 = 720 2,84 0,72 0,85 4,34 36,4 5,14 III У>4)

3 .q Г = 1440 0,79 0,01 0,10 -3,14 24,0 1.54 VI

У\ = 720 0,77 0,01 0,11 -3,68 23,3 7,54 III (¡z\ > 4)

У2 = 720 0,80 0,01 0,08 -0,27 1,96 0,02 vn

4.a V = 1440 195,7 110,0 10,5 1,24 2,76 1,76 VI

Ух = 720 274,8 85,7 9,26 1,23 5,93 0,23 IV

У2 = 720 116,2 81,0 9,00 2,00 13,0 0,50 IV

Использование критерия Колмогорова для оценки соответствия эмпирического распределения теоретическому показало хорошее совпадение результатов.

Знание законов распределения сигналов, отраженных от подстилающих покровов, при различной поляризации сигналов позволяет выбрать тот вид поляризации, который является наиболее "энергетически выгодным" для данных условий, т.е. открывает возможность построения систем, оптимизирующих соотношение сигнал/помеха, и, как следствие, улучшающих тактические характеристики данной РЛ, что, в свою очередь, повышает эффективность использования АСУВД.

Полученные плотности распределения вероятностей свидетельствуют о правомочности рассмотрения негауссовской гипотезы для анализа поляризационных характеристик радиолокационных сигналов, о чем говорилось во второй главе.

В пятой главе анализируются проблемы, связанные с возможностью повышения эффективности процесса УВД путем управления поляризационным состоянием излучаемых радиоволн.

Анализ теоретических моделей и экспериментальных результатов показал, что для максимального использования поляризационных свойств радиолокационных сигналов необходимо непрерывно в процессе наблюдения за воздушными судами управлять поляризационным состоянием радиолокационных сигналов. Ниже поэтому рассматриваются и анализируются методы построения алгоритмов изменения поляризационного состояния электромагнитных волн и, кроме того, исследуются методы управления поляризационным контрастом между различными радиолокационными целями.

Можно предложить следующие возможные алгоритмы обработки радиолокационных сигналов:

1.Излучение на фиксированном линейном виде поляризации и одновременный прием в поляризационном базисе: горизонтальная поляризация - вертикальная поляризация.

2.Излучение на фиксированном линейном виде поляризации и последующее поляризационное усреднение флуктуации сигналов, принятых на горизонтальную и вертикальную поляризации.

3 .Поляризационное усреднение флуктуаций сигналов за время эллиптического сканирования вектора поляризации антенны РЛС.

4.Поляризационное усреднение флуктуаций сигналов за время линейного сканирования вектора поляризации антенны РЛС.

5.Поляризационное усреднение флуктуаций сигналов за время полного поляризационного сканирования (ППС) вектора поляризации излучаемой радиоволны.

Приведенные алгоритмы практически исчерпывают возможные видь поляризационной обработки сигналов и позволяют на основе единоп

подхода оценить их влияние на вероятностные характеристики флуктуаций сигналов, определяющих точностные характеристики PJ1C.

Заметим, что определение вероятностных характеристик флуктуаций сигналов с целью оценки эффективности приведенных алгоритмов представляет собой сложную статистическую задачу и приводят к интегралам, которые могут быть решены только численными методами. В работе поэтому были использованы методы имитационного моделирования. При моделировании предполагалось, что собственные значения и 122 являются случайными величинами,

распределенными по закону Накагами, в котором параметры определяют глубину флуктуаций и среднее значение мощности отраженного сигнала. Собственные поляризации Y\ и У2 полагались равномерно распределенными в интервале от -к! 2 до я!2, а разность фаз " равномерно распределенной в интервале от -ж до п. Выбор распределен!« Накагами обусловлен тем, что оно является частным случаем обобщенного негауссовского распределения, полученного во втором разделе работы, и позволяют провести имитационное моделирование с высокой точностью

Анализ полученных результатов моделирования показывает, что изменение соотношения интенсивностей сигналов приводит к смещению флуктуаций в сторону точки с большей интенсивностью. При этом наблюдается уменьшение средне квадратического отклонения (СКО) и увеличение математического ожидания (МО). Первый алгоритм поляризационной обработки не дает в общем случае выигрыша в точности определения радиолокационных характеристик по отношению к режиму работы на линейном фиксированном виде поляризации, который используется в настоящее время в PJIC ГА.

В то же время предложенные алгоритмы 2-5 поляризационного

усреднения флуктуаций сигналов оказывают существенное влияние на уменьшение МО и СКО. Наиболее эффективным из них являются пятый алгоритм и незначительно ему уступающий по эффективности четвертый алгоритм, позволяющие уменьшить СКО более, чем в 2 раза. При этом эффективность алгоритмов поляризационного усреднения зависит от соотношения интенсивностей отражения и глубины флуктуаций принимаемых сигналов. Наибольшая эффективность имеет место при одинаковой интенсивности отражения, при которой наблюдается максимальные СКО ошибок определения координат воздушных судов. По мере нарастания различий в интенсивности отражения наблюдается снижение эффективности усреднения.

Так для четвертого алгоритма изменение отношения интенсивностей отражения от 1:1 до 5:1 приводит к уменьшению СКО от 2,5 раз до 2,0 раз. Имеется в виду уменьшение СКО при использовании поляризационного усреднения по отношению к случаю, когда такое усреднение не используется.

Уменьшение глубины флуктуаций сигналов приводит также к снижению абсолютных значений СКО. Изменение глубины флуктуаций в четыре раза вызывает для режима работы на фиксированном виде поляризации изменение СКО в 1,5 раза.

Таким образом, проведенный анализ показывает, что алгоритмы поляризационного усреднения флуктуаций сигналов позволяет существенно уменьшить их влияние на точностные характеристики РЛС, т.е. аналогично повысить эффективность процесса УВД.

Одновременно в работе рассмотрены вопросы управления радиолокационным контрастом, под которым для двух объектов понимается отношение мощностей электромагнитных волн, отраженных от первого и второго объектов соответственно.

Показало, что для улучшения радиолокационного контраста двух объектов целесообразно использовать метод ортогонализации собственной поляризации приемной антенны и поляризации волны, отраженной от нежелательной цели; поляризационно-модуляционный метод,

регулирующий полное поляризационное сканирование ЭМВ; поляризационно-компенсационный метод, при котором осуществляется компенсация помехового сигнала в одном из каналов путем нахождения его в другом.

В этой же главе выполнены оценки эффективности функционирования АС УВД при использовании в РЛС методов радиополяриметрии.

На базе результатов, полученных в 1-й главе, было показано, что вероятность выполнения АС УВД своих функциональных задач (в частности, рассматривались 2 задачи) может быть представлена в виде формулы

где кп, - коэффициент, оценивающий воздействия «поляризационного шума», I = 1,2 , Ф(») - интеграл Лапласа.

Придавая различные значения параметрам и (с1ги)1 (в общем случае они все различаются, для окончательного упрощения можем принять их равными между собой), получим зависимость вероятности выполнения АС УВД своих функциональных задач вследствие введения специальных мер по учету поляризационных эффектов в РЛС наблюдения.

Анализ полученных зависимостей показывает, что эффективность функционального применения АС УВД может изменяться в зависимости от пределов изменения кщ и (с/ш);, от 0 до 1. Однако это несколько формальный подход, т.к. при излучении вертикально поляризованной

волны в случае, если в антенну приходит горизонтально поляризованная волна (и наоборот), приемная антенна вообще не примет отраженный сигнал. На практике максимальные потери мощности сигналов вследствие поляризационных эффектов могут быть более, чем в 2 раза, по отношению к излученной мощности. Отсутствовать поляризационные потери не могут просто по физической природе происходящих явлений, а поэтому в приведенной выше формуле подкоренное выражение меняется в пределах от 0,95 до 0,82. Соответственно выражение в скобках может меняться в пределах от 0,7 до 0,95. Таким образом, в худшем случае на практике искомый параметр может оказаться равным 0,8, в лучшем - 0,99. Это значит, что искомое отношение равно 1,21, что вполне соответствует эксплуатационной практике.

Заключение

В представленной работе решалась проблема повышения эффективности функционирования АС УВД на основе совершенствованш их радиолокационного обеспечения путем внедрения методоЕ радиополяриметрии.

Для решения названной проблемы были введены показателе эффективности функционирования АС УВД и РЛК АС УВД, а такж< получены аналитические выражения, связывающие эти показатели. Был< показано, что изменение показателей эффективности функционирование РЛК в значительной степени может влиять на изменение показателе! эффективности функционирования АС УВД в целом.

Одним из возможных путей существенного повышена эффективности функционирования РЛК АС УВД является применение методов радиополяриметрии в существующих РЛК ГА. Однаю применение этих методов потребовало соответствующего анализа | обоснования. Было показано, что учет или неучет поляризационног состояния приходящих в приемник РЖ радиолокационных сигнало

может изменить эффективность функционирования АС УД в несколько раз. При этом было отмечено, что в реальных условиях эксплуатации РЖ АС УВД поляризационные параметры радиолокационных сигналов, которые учитываются при обработке сигналов, носят статистический негауссовский характер, что потребовало проведения соответствующих исследований. Неучет негауссовского характера поведения поляризационных параметров радиолокационных сигналов не позволяет в полном объеме реализовать те преимущества, которые дают методы радиополяриметрии при их использовании в РЖ АС УВД.

Были определены основные вероятностные характеристики негауссовских частично-цоляризованных радиолокационных сигналов при наличии негауссовских помех от местных предметов в зоне аэропорта и от подстилающей поверхности. Эти вероятностные характеристики в дальнейшем послужили основой для решения задачи уменьшения зоны нечувствительности РЖ АС УВД и для повышения эффективности функционирования РЖ АС УВД в реальных условиях эксплуатации. Эту задачу удалось решить после проведения анализа влияния местных предметов на работу трассовых РЖ АС УВД и выделения источников отражений с определением их отражательных характеристик. Подробный анализ показал, что применение методов радиополяриметрии для борьбы с отражениями от земной поверхности и местных предметов в зоне аэропорта является эффективным средством существенного уменьшения зоны нечувствительности трассовых РЖ АС УВД и соответствующего повышения эффективности функционирования РЖ АС УВД.

Дтя подтверждения полученных результатов были выполнены масштабные экспериментальные исследования на реально действующем трассовом РЖ АС УВД. Была разработана методика проведения эксперимента и методика обработки результатов эксперимента. Полученные результаты полностью подтвердили теоретические

результаты, показывающие возможность резкого подавления отражений от местных предметов в зоне аэропорта и от подстилающей поверхности, а также возможности повышения эффективности функционирования трассовых РЛК АС УВД в рамках выбранных показателей его эффективности функционирования.

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований были предложены и проанализирована эффективность алгоритмов поляризационной обработки радиолокационных сигналов, предполагающих обеспечение непрерывного управлением поляризационным состоянием излучаемых радиоволн. Применение этих алгоритмов поляризационной обработки радиолокационных сигналов, позволило существенно повысить эффективность функционирования трассовых РЛК АС УВД, что, в свою очередь, позволило повысить эффективность функционирования АС УВД (в целом).

Конкретные расчеты показали, что эффективность функционирования АС УВД может меняться в разы в зависимости от поляризационного состояния радиолокационных сигналов в трассовых РЛК, однако в реальной ситуации АС УВД при введения алгоритмов поляризационной обработки радиолокационных сигналов эффективность увеличивается в 1,21 раза, что составляет значительную величину, учитывая сложность и объемность всей АС УВД в целом.

Таким образом, сформулированная цель диссертационной работы была достигнута, а проблема повышения эффективности функционирования АС УВД на основе совершенствования радиолокационного обеспечения решена.

Основные результаты работы опубликованы в следующих работах автора:

1.Дао Ти Тхань. Применение методов радиополяриметрии для повышения эффективности функционирования автоматизированных систем управления воздушным движением (монография). M.: Изд. Российского университета дружбы народов. 2003г. 184с.

2.Дао Ти Тхань. О некоторых новых возможностях использования динамических режимов радиополяриметрии для улучшения различения радиолокационных целей. Научный Вестник МГТУГА, сер. Радиофизика и радиотехника, №12, 1999, с.53-57.

3.Дао Ти Тхань. Статистические характеристики поляризационных параметров радиолокационных целей. Научный вестник МГТУГА, серия Радиофизика и радиотехника, №24. 2000, с.133-135.

4.Дао Ти Тхань. О некоторых новых возможностях улучшения различения радиолокационных целей. Научный вестник МГТУГА, серия Радиофизика и радиотехника, №24, 2000, с. 142-146.

6.Дао Ти Тхань. Об одном методе использования динамического режима радиополяриметрии для улучшения различения радиолокационных целей. Научный вестник МГТУГА, серия Радиофизика и радиотехника, №24, 2000, с.233-234.

7.Thanh D.C. Phat hien tin hieu rada bang Phuong phap chon loc phan cuc. Tap chi ky thuat va trang bi - Tong cuc ky thuat - Bo quoc phong Viet nam. - № 1. 2001.

8.Дао Ти Тхань. Вероятностные характеристики огибающей смеси негауссовских частично-поляризованных сигналов и помех от местных предметов в зоне аэропорта (негауссовский сигнал и негауссоаская помеха). Научный Вестник МГТУГА, сер. Радиофизика и радиотехника, №39, 2001, с. 129-136.

9.Дао Ти Тхань. Вероятностные характеристики огибающей смеси негауссовских частично-поляризованных сигналов и помех от местных предметов в зоне аэропорта (детерминированный сигнал и негауссовская помеха). Научный Вестник МГТУГА, сер. Радиофизика и радиотехника, 2001, №39, с.137-142.

10. Дао Ти Тхань. Вероятностные характеристики огибающей смеси негауссовских частично-поляризованных сигналов и негауссовских помех при условии, что сигнал является детерминированным. Тезисы докладов МНТК "Гражданская авиация на рубеже веков", МГТУГА, Москва, 2001, с.89.

11 .Дао Ти Тхань. Вероятностные характеристики огибающей смеси негауссовских частично-поляризованных сигналов и негауссовских помех. Тезисы докладов МНТК "Гражданская авиация на рубеже веков", МГТУГА, Москва, 2001, с.94.

12.Дао Ти Тхань. Точность измерения характеристик РЛС ГА и ее влияние на эффективность функционирования АС УВД. Научный вестник МГТУГА, серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов, №35. 2001, с.103-111.

13. Дао Ти Тхань. Вероятностные характеристики угловых флюктуаций радиолокационных сигналов, отраженных от протяженных объектов. Научный вестник МГТУГА, серия Радиофизика и радиотехника, №36, 2001, с.77-84.

14.Дао Ти Тхань, Андреев Г.К. Методы повышения точности пеленгации наземных радиолокационных объектов. Тезисы докладов МНТК "Гражданская авиация на рубеже веков", МГТУГА, Москва, 2001, с.74.

1 З.Дао Ти Тхань, Андреев Г.К. О влиянии отражений от местных предметов на функционирование трассовых РЛС УВД. Научный вестник МГТУГА, серия

Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов, №35, 2001, с.87-94.

16.Дао Ти Тхань, Андреев Г.Н. О влиянии отражений от местных предметов на функционирование трассовых РЛС УВД. Труды LVI научной сессии, посвященной Дню радио, М.: Российское научно-техническое общество радиотехники, электроники и связи им. А.С.Попова, 2001, том 2, с.245-249.

17.Дао Ти Тхань, Козлов А.И. Обобщенная модель отражения радиоволн от протяженных радиолокационных объектов. Тезисы докладов МНТК "Гражданская авиация на рубеже веков", МГТУГА, Москва, 2001, с.88.

18.Дао Ти Тхань, Колядов Д.В. Поляризационная обработка радиолокационных сигналов, отраженных от протяженных объектов. Научный вестник МГТУГА, серия

■ Радиофизика и радиотехника, №36,2001, с.91-95.

19.Андреев Г.Н., Дао Ти Тхань. Факторы, влияющие на точность определения угловых координат целей, расположенных на аэродроме и методы повышения точности их пеленгации. Научный Вестник МГТУГА, сер. Радиофизика и радиотехника, 2001, №39, с.150-157.

20.Андреев Г.К., Дао Ти Тхань. О показателях эффективности использования радиотехнических средств обеспечения воздушного движения. Научный вестник МГТУГА, серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов, №35, 2001, с.95-102.

21.Козлов А.И., Дао Ти Тхань. Обобщенная модель отражения радиоволн от радиолокационных целей, характерных для ГА. Научный Вестник МГТУГА, сер. Радиофизика и радиотехника, 2001, №39, с.143-149.

22.Козлов А.И., Дао Ти Тхань. Об обратных задачах при радиолокационном зондировании подстилающих покровов. Научный вестник МГТУГА, серия Радиофизика и радиотехника, №36,2001,с.55-61.

23.Козлов А.И., Андреев Г.Н., Дао Ти Тхань, Колядов Д.В.. Поляризационные характеристики земных покровов в дм-диапазоне волн (экспериментальные результаты). Научный вестник МГТУГА, серия Радиофизика и радиотехника, №36, 2001, с. 101-109.

24.Колядов Д.В., Дао Ти Тхань, Баландинский A.A. Поляризационная обработка радиолокационных сигналов, отраженных от протяженных объектов. Научный вестник МГТУГА, серия Радиофизика и радиотехника, №54, 2002, с.26-31.

25.Дао Ти Тхань. Влияние изменения характеристик РЛС ГА на эффективность функционирования АС УВД. Научный вестник МГТУГА, серия Радиофизика и радиотехника, №54, 2002, с.87-91

26.Дао Ти Тхань.Обнаружекие радиолокационных сигналов методами поляризационной селекции. Журнал «Техника и снаряжение», Главное техническое управление Министерства Обороны СРВ, №1+2, 2000г., с.22-24.

27.Дао Ти Тхань. Влияние поляризационного отношения на вероятность обнаружения радиолокационных сигналов. Журнал «Техника и снаряжение», Главное техническое управление Министерства Обороны СРВ, №7+8, 2000г., с.35-38.

28.Дао Ти Тхань. О возможностях повышения эффективности управления воздушным движением путем использования методов быстрого обнаружения радиолокационных целей в РЛС с управляемой поляризации. Журнал «Труды Института механики Национального Центра фундаментальных наук и технологий СРВ, №4, 2002г., с.43-52.

29.Дао Ти Тхань. Влияние поляризационной анизотропии подстилающих покровов на вероятность их распознавания. Журнал «Техника и снаряжение», Главное техническое управление Министерства Обороны СРВ, №4,2002г., с.34-37.

30. Дао Ти Тхань. Использование поляризационных характеристик радиолокационных сигналов при обнаружении малоразмерных целей на фоне подстилающей поверхности. Журнал «Концепция создания интегрированного оборудования, навигации, посадки, связи и наблюдения». Москва, 2002г., с.24-31.

31.Дао Тя Тхань. Методы улучшения различения радиолокационных целей на фоне подстилающей поверхности в бортовых радиолокационных станциях. Журнал «Концепция создания интегрированного оборудования, навигации, посадки, связи и наблюдения». Москва, 2002г., с.36-43.

Соискатель

Дао Ти Тхань

Печать офсетная 1,86 усл.печ.л.

Подписано в печать 16.04.2003 г.

Формат 60x84/16 2,0 уч.-изд. л.

Заказ № \Ш! Тираж 100 экз.

Московский государственный технический университет ГА 125993 Москва, Кронштадтский бульвар, д.20 Редакционно-издательский отдел ¡25493 Москва, ул. Пулковская, д. 6а

© Московский государственный технический университет ГА, 2003