автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Повышение эффективности использования радиолокационных систем дистанционного зондирования в сложных географических районах

^ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

■V

УДК 621.396.96 На правах рукописи

СОЛОМЕНЦЕВ Виктор Владимирович

"Повышение эффективности использования радиолокационных систем дистанционного зондирования в сложных географических

районах"

Специальность: 05.12.04 - Радиолокация и радионавигация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1998 г.

Работа выполнена па кафедре "Технической эксплуатации радиотехнического оборудования и связи" Московского государственного технического университета гражданской авиации (МГТУ ГА).

Научный консультант: действительный член академии

транспорта РФ, доктор технических наук, профессор Логвин А.И.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Кутуза Б.Г.,

действительный член академии транспорта РФ, заслуженный деятель науки ЛР, доктор технических наук, профессор Ходаковский В.А.,

заслуженный деятель науки РФ, лауреат Государственной премии, доктор технических наук, профессор Шахтарин Б.И.

Ведущая организация: Государственный научно-исследовательский институт "Аэронавигация", г. Москва.

Защита состоится " 5 " ноября 1998 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 072.05.03 по присуждению ученой степени доктора технических наук в Московском государственном техническом университете гражданской авиации по адресу:

125838, г. Москва, Кронштадтский бульвар, д.20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ ГА.

Автореферат разослан" 5 " октября 1998 г.

"Ученый секретарь диссертационного

совета, к. т. и., доцент ^Jf / J/f / A.C. Попов

dM

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Формулировка проблемы и ее актуальность

В последние годы во всем мире интенсивно развиваются различные методы изучения окружающей среды, среди которых наиболее важное значение приобрели методы дистанционного зондирования. Развитие этих методов стимулируется все ухудшающейся экологической обстановкой в мире, необходимостью решения различных геологических, геофизических, гидрофизических и других задач. Кроме того, большое значение приобретают задачи изучения лесных массивов, сельскохозяйственных угодий, поверхности Мирового океана, морей, рек я озер, горных массивов и т.д. Изучение перечисленных поверхностей и других необходимо для решения самых различных задач, к которым относятся:

- предупреждение и обнаружение лесных пожаров;

- оценка толщины и состояния снежного покрова;

- идентификация и классификация сельскохозяйственных угодий, оценка их состояния в динамике развития;

- оценка толщины и состояния ледового покрова как на суше, так и на морской акватории;

- определение мест загрязнения морских и речных акваторий и г. д.;

- оценка возможности посадки и взлета воздушного судна (ВС) га поверхности, специально не оборудованные для этих целей "санитарная авиация, авиация для выполнения :ельскохозяйственных работ, полярная авиация, пожарная авиация и '.д.).

Решение задачи по определению параметров подстилающих покровов, поверхности моря и атмосферы возможно с помощью активных радиолокаторов, использующих данные об отражаемости на различных поляризациях, способных анализировать статистическую структуру отраженных сигналов.

В процессе использования радиолокационная система дистанционного зондирования (РСДЗ) принимает отраженный от цели сигнал и по результатам анализа его параметров выносит решение о типе зондируемого объекта и его электрофизических свойствах.

Информация, получаемая в процессе дистанционного зондирования в требуемой форме передается потребителю: в виде карты зондируемого района, в виде средних и суммарных оценок интересующего параметра зондируемого объекта, в виде сообщения о наличии или отсутствии интересующего объекта с заданными электрофизическими свойствами.

В сложных географических районах применение РСДЗ усложняется отсутствием ориентиров и радиотехнических средств, позволяющих выполнить точную координатную привязку ВС, несущего РСДЗ, и передачу информации.

Эффективность применения РСДЗ зависит от характера использования получаемой в процессе зондирования информации. Этим же определяется и структура РСДЗ, которая в различных случаях может включать подсистемы измерений, координатной привязки и передачи информации. Эффективность выполнения поставленной перед РСДЗ задачи зависит от эффективности выполнения задач каждой подсистемой в отдельности.

Учитывая высокую стоимость создания и применения РСДЗ, их использование оправдано в том случае, если возможно получение

соответствующего эффекта - экономического, научного или социального характера. Поэтому повышение эффективности использования систем радиолокационного дистанционного зондирования является актуальной научной проблемой, имеющей большое народнохозяйственное значение.

Целью работы является повышение эффективности использования радиолокационных систем дистанционного зондирования в сложных географических районах.

Для достижения указанной цели потребовалось:

- классифицировать задачи радиолокационного дистанционного зондирования с точки зрения использования информации, получаемой при зондировании;

- сформулировать показатели разделимости классов сигналов радиозондирования и обосновать возможность их использования для повышения эффективности радиолокационных систем дистанционного зондирования;

- определить методы повышения эффективности классификации зондируемых объектов;

- определить методы обеспечения и повышения эффективности координатной привязки РСДЗ в сложных географических районах.

Методы исследования:

Исследования выполнены с использованием методов теории вероятностей, математической статистики, теории статистических решений, статистической радиотехники, теории радиолокации и радионавигации, а также с использованием статистического моделирования.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Классификация задач радиолокационного дистанционного зондирования с точки зрения использования информации, получаемой при зондировании.

2. Показатели эффективности решения задач радиолокационного дистанционного зондирования.

3. Обоснование показателя эффективности классификации сигналов радиозондирования - среднего количества информации по Кульбаку, содержащейся в параметрах принимаемого радиолокационного сигнала.

4. Аналитические соотношения, связывающие среднее количество информации по Кульбаку и параметры распределений при нормальном и при негауссовских распределениях параметров радиолокационных сигналов в одномерном и многомерном случаях.

5. Условия, обеспечивающие эффективное использование РСДЗ с точки зрения выбора той или иной аппроксимации экспериментальных данных.

6. Установление монотонности зависимости между средним количеством информации по Кульбаку, содержащейся в параметрах радиолокационного сигнала, и вероятностями ошибок классификации сигналов.

7. Условия, при которых вероятности ошибок классификации радиолокационных сигналов и среднее количество информации по Кульбаку, содержащейся в параметрах сигнала, достигают экстремальных значений.

8. Синтез алгоритмов расчета координат воздушного судна в полярных районах по результатом многопозиционного радиопеленгования.

9. Методики прогнозирования полей триангуляции, пеленгации и радиосвязи многопозиционных радиопеленгационных систем и позиций при их размещении на местности.

; Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

1. Для предложенной классификации задач радиолокационного дистанционного зондирования определены показатели эффективности их решения.

2. Обоснована возможность использования среднего количества информации по Кульбаку, содержащейся в параметрах радиолокационного сигнала, в качестве показателя эффективности классификации сигналов радиозондирования.

3. Установлена монотонная связь между средним количеством информации по Кульбаку, содержащемся в параметрах радиолокационного сигнала, и вероятностями ошибок классификации сигналов радиозондирования.

4. Получены аналитические соотношения для расчета среднего количества информации, содержащейся в параметрах радиолокационного сигнала, при

I негауссовских законах их распределения.

5. Построены двух и трехмерные зависимости среднего количества информации по Кульбаку от параметров распределения параметров радиолокационного сигнала.

6. Определены условия, при которых вероятности ошибок классификации и количество информации по Кульбаку достигают экстремальных значений.

7. Получены аналитические зависимости и построены соответствующие графики потерь информации при искажении параметров сигналов радиозондирования. Определены условия, при которых предпочтительно использовать тот или иной закон распределения для аппроксимации экспериментальных данных.

8. Синтезированы алгоритмы определения координат воздушного судна в полярных районах по результатам многопозиционного пеленгования.

Практическая ценность работы состоит в том, что ее результаты позволяют:

1. Проводить оценку эффективности использования радиолокационных систем дистанционного зондирования при решении задач картирования, измерения средних и суммарных характеристик и обнаружения объектов с заданными электрофизическими свойствами.

2. Проводить анализ и разрабатывать методы повышения эффективности классификации зондируемых объектов с использованием аналитического аппарата - среднего количества информации по Кульбаку, содержащейся в параметрах классифицируемых сигналов при нормальном и негауссовских законах их распределения.

3. Определять вероятность ошибок классификации сигналов по известным значениям параметров распределений

анализируемых параметров сигналов радиозондирования и количеству содержащейся в них информации.

4. Прогнозировать зоны триангуляции, пеленгации и радиосвязи многопозипиошшх радиопеленгационных систем и позиций при их размещении на местности.

Реализация работы.

Проведенные в диссертационной. работе исследования отражены в научно-исследовательских работах, выполненных в Московском государственном техническом университете гражданской авиации с 1984 по 1997 г. по техническим заданиям Федеральной авиационной службы, Росаэронавигации, ГосНИИ "Аэронавигация", научно-исследовательских и производственных предприятий РФ и во внедрении в организациях гражданской авиации, о чем имеются соответствующие акты внедрения.

Основные результаты работы внедрены в:

Методики и программное обеспечение прогнозирования эффективности размещения радиотехнических систем на местности, утвержденные Федеральной авиационной службой, Росаэронавигацией, ГосНИИ "Аэронавигация", а также в учебном процессе в МГТУ ГА в лекционных курсах и в 3 учебных пособиях.

Достоверность результатов основана на корректном применении методов математической статистики, теории информации, теории статистических решений, теории радиолокации и радионавигации, а также на корректном использовании методов статистического моделирования на ЭВМ, и на экспериментальных результатах, полученных в ходе государственных испытаний

радиопеленгационной системы "Нива" и ДКМВ пеленгаторов в Антарктиде.

Апробация работы.

Основные результаты были доложены и одобрены на научно-технических семинарах МГТУ ГА (МИИГА), ГосНИИ "Аэронавигация", на международных, всесоюзных и внутривузовских научно-технических конференциях МГТУ ГА (МИИГА) в 1985, 1998, на всесоюзных научно-технических конференциях "Статистические методы в теории передачи и преобразования информационных сигналов", (Киев, КИИГА, 1988), "Проблемы совершенствования радиоэлектронных комплексов и систем обеспечения полетов", (Киев, КИИГА, 1989), научно-технической конференции молодых специалистов "Формирование и обработка радиотехнических сигналов", (Черноголовка, 1993), Международной научно-технической конференции 1995 SBMO/IEEE (Бразилия, Рио де Жанейро, 1995), Международной научно-технической конференции ICEAA 95 (Италия, Турин, 1995).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 46 печатных работ, в том числе 3 учебных пособия и одно авторское свидетельство.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из Введения, шести глав, Заключения, списка литературы и 1 приложения. Диссертация содержит-^- ^ страниц текста, 57 рисунков, список литературы, включающий 208 наименований.

Во Введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель и задачи диссертации. Проведен анализ состояния исследований, связанных с особенностями обеспечения .эффективности использования радиолокационных систем дистанционного зондирования, приведены основные положения, выносимые на защиту. Изложены новые научные результаты и практическая ценность, дана структура диссертации и кратко раскрыто ее содержание по разделам, указана форма апробации и внедрения результатов работы.

В первой главе на основании анализа особенностей применения радиолокационных систем дистанционного зондирования в народнохозяйственных целях все множество задач, решаемых РСДЗ, разделено на три группы с точки зрения использования получаемой информации. Сформулирован общий подход к оценке эффективности РСДЗ при решения задач всех трех типов:

- задач картирования,

- задач оценки средних и суммарных значений интересующего параметра объекта в заданном районе;

- задач обнаружения объекта с заданными электрофизическими свойствами.

На основании анализа процесса решения задач сформулированы показатели эффективности РСДЗ для задач всех трех типов. В качестве показателей эффективности РСДЗ выбраны:

- при картировании - вероятности ошибок классификации объектов, характеристики случайного смещения выявленной границы раздела объектов относительно фактического положения;

- при измерении средних и суммарных значений параметра объекта — характеристики погрешностей измерений соответствующего параметра;

- при обнаружении объектов с заданными электрофизическими свойствами - вероятности ошибок обнаружения и в отдельных случаях характеристики случайной погрешности координатной привязки.

Проблемы повышения эффективности использования РСДЗ разделена на задачи повышения эффективности классификации объектов, координатной привязки и передачи информации.

Во второй главе сформулирована задача выбора показателя разделимости классов сигналов радиозондирования и предъявляемые к показателю требования. На основании анализа свойств информационных мер Котельникова, Шеннона, Кульбака и Байеса обоснована возможность использования в качестве показателя разделимости классов сигналов среднего количества информации по Кульбаку, содержащегося в параметрах сигнала радиозондирования, который удовлетворяет большинству требований, предъявляемых к такого рода показателям. В качестве самостоятельной выделена задача установления связи между средним количеством информации по Кульбаку, содержащейся в параметрах сигнала (далее по тексту - количество информации), и вероятностями ошибок классификации сигналов по этим. параметрам.

Получены соотношения в общем виде для вычисления количества информации как математического ожидания функции от логарифмов отношения правдоподобия

где X - реализация вектора параметров сигнала Т,

N - число классифицируемых объектов; и Щх) - апостериорные плотности распределения вероятностей вектора параметров для классов сигналов А; и А;, соответственно.

Показано, что в случае альтернативной классификации среднее количество информации по Кульбаку содержащееся в параметрах У сигнала для класса А; относительно А^, определяется следующим образом

где м\ ■ ], (,) - оператор математического ожидания по У/^Д1).

Установлено, что среднее количество информации по Кульбаку обладает следующими основными свойствами:

- инвариантно относительно взаимно однозначных отображений;

- аддитивно по отношению к независимым параметрам;

- Ьх ^ О, Ь1 & 0, 1ц тождественно не равно Ьг,

-г при увеличении размерности пространства параметров количество информации не убывает.

Проведен анализ свойств среднего количества информации по Кульбаку на примере нормального распределения параметров трцнятого сигнала.

Анализ зависимостей позволил определить основные свойства I принятом смысле количества информации, определить точки

экстремумов, а также определить условия, при которых количество информации, содержащееся в параметре сигнала для класса А1 относительно класса Аг, равно количеству информации для класса А2 относительно класса Аь

Получено соотношение для определения количества информации, содержащейся в п-мерном векторе нормально распределенных параметров и в серии из к выборок нормально распределенного параметра. Показано, что в случае обоснованности принятия гипотезы об их независимости, общее количество информации определяется суммированием количества информации, содержащейся в каждом параметре п-мерного вектора параметров и в каждом отсчете, соответственно. В случае классификации по к отсчетам параметра в стационарном случае количество информации увеличивается пропорционально числу отсчетов.

Анализ влияния искажений параметров радиолокационных сигналов на количество содержащейся в нем информации показал, что с увеличением искажений количество информации в параметре уменьшается и выявлен диапазон уровней искажений, в котором борьба с искажениями наиболее эффективна.

В третьей главе проведен анализ свойств количества информации по Кульбаку на примере наиболее часто используемых в радиолокационном дистанционном зондировании законов распределения параметров сигналов.

В частности показано, что при логнормальном распределении параметров сигналов радиозондирования выражение для количества информации совпадает с выражением для нормального распределения с точностью до замены параметров логнормального распределения шь и о*, на математическое ожидания (МО) т и

среднее квадратическое отклонение (СКО) а для нормального распределения, соответственно.

При распределении параметра сигнала по закону Вейбулла соотношение для количества информации принимает следующий вид:

/ - - N Г _ 1 / . \ ,

с,

+1-1

тде Ьь сь Ьг,С2 - параметры распределения Вейбулла для классов А1 и А2> соответственно; С - постоянная Эйлера; Г(-) - Гамма-функция.

Получено также соотношение для количества информации в общем виде, когда параметр сигнала подчиняется К-распределению

7™

(у, -У2)]пх +

+1п

где VI, Ьь Уг, Ь2 - параметры К - распределения для классов сигналов А] и А2; К(-) - модифицированная функция Бесселя второго

рода. 1

Выражение удалось упростить для частого случая, когда у=п+1.5, гдеп=0,1, 2,...,

У*» Г{щ +1.5)1 *(л+к)(ь-к + 1) К*" +15)] й к\

х

X 1п

.х^'е-Ч'Лс

Интеграл в последнем слагаемом приводится к громоздкому выражению с суммированием интегральных показательных функций. Однако, когда у1=1.5 и у2=2.5, что характерно для классификации волнующейся морской поверхности, соотношение принимает следующий компактный вид

где Щ-) - интегральная показательная функция.

Построены двух- и трехмерные зависимости количества информации от значений параметров распределений параметров принятых сигналов при различных законах распределения. На рис. 1 представлена трехмерная зависимость количества информации при распределении параметра сигнала по закону Вейбулла, а на рис. 2 карта уровней для той же зависимости. На карте уровней нетрудно заметить наличие области (между контурными линиями 1), где различие параметров распределений для разных классов практически не несет информации для классификатора. Аналогичные области найдены для других законов распределения • параметров сигналов.

Рис. 1. Зависимость количества информации в параметре сигнала, распределенном по закону Вейбулла от параметров распределения Ь> и с,.

с.

?ис. 2. Карта уровней количества информации в параметре сигнала, распределенном по закону Вейбулла, от параметров распределения

>1 и Сь

Разработана методика оценки потерь информации Д1 при принятии ошибочной гипотезы об одном законе распределения параметров сигналов при фактическом распределении параметров сигналов по другому закону. В соответствии с этой методикой построены трехмерные диаграммы и карты уровней потерь информации, в каждой точке которых обеспечивается равенство первых двух моментов для обоих распределений параметров.

Пример трехмерной диаграммы потерь при фактическом распределении параметра по К-распределению и принятии гипотезы о логнормальном распределении параметров приведен на рис. 3, а соответствующая карта уровней - на рис. 4. На рис. 4 звездочкой отмечено значение параметров альтернативного класса {У2=3, 112=0.45).

Из рисунков видно, что При и ь1>ьг или При у[<у2 и

Ь^Ьг предпочтительнее использовать в качестве модели . К-распределение. При у[>2/у2 и Ь1>Ь2 - логнормальное

распределение. Между контурами уровней -1<Д1<1 находится область, где ни одна из моделей распределений не имеет информационного преимущества.

Учитывая то, что первые два момента распределений в каждой точке диаграммы для обоих распределений равны, дополнительная информация содержится в моментах высших порядков. В случае использования неправильно выбранной модели распределения или при классификации только на основе математического ожидания и среднего квадратического отклонения информация, содержащаяся в высших моментах распределений теряется.

41

Рис 3. Диаграмма потерь информации Д1 при параметре сигнала, подчиняющемся К-распределению, и при принятии гипотезы о логнормальном распределении.

Рис 4. Карта уровней потерь информации при параметре сигнала, подчиняющемся К-распределению, и при принятии гипотезы о логнормальном распределении.

Выявленные свойства количества информации и возможность получения аналитических соотношений для оценки разделимости классов сигналов радиозондирования показали целесообразность ее использования в качестве мощного средства анализа эффективности классификации. Для окончательного принятия среднего количества информации по Кульбаку в качестве такого средства анализа необходимо установить монотонность зависимости с вероятностями ошибок классификации. Для установления этой зависимости проведен анализ вероятностей ошибок классификации.

Четвертая глава посвящена исследованию вероятностей ошибок классификации при нормальном распределении принятого РСДЗ сигнала.

Исследование связи между количеством информации, содержащейся в параметрах сигнала и вероятностями ошибок классификации может быть проведено на примере классификаторов, синтезированных по различным критериям. Ввиду того, что при решении рассматриваемых задач радиолокационного дистанционного зондирования типы объектов и модели распределения параметров отраженных от них сигналов, как правило, известны, исследования проводятся на примере байесовских классификаторов.

С учетом этого проведен анализ аналитических соотношений для определения вероятностей ошибок классификации при нормальном распределении параметров сигнала в одномерном и многомерном случаях. Построены соответствующие графические зависимости и отмечены их особенности при различных соотношениях МО и СКО параметров классифицируемых сигналов.

С целью получения ■ оценок вероятностей ошибок классификации, при отсутствии явных аналитических соотношений

для их вычисления, отработана методика статистического моделирования классификаторов.

В соответствии с методикой моделируется набор из М серий Х!,Х1, --,Х" по к независимых, распределенных по выбранному закону, отсчетов параметров сигналов Х{ = j=l,...,M

для класса Аь Для каждой серии вычисляется логарифм отношения правдоподобия, соответствующий моделируемому распределению и ■сравнивается с порогом. По результатам сравнения принимается решение о принадлежности сигнала классу А1 или А2. В качестве оценки вероятности ошибки первого рода принимается частота ошибочных решений

у° м

где Мд - количество ошибочных решений о принадлежности

сигнала классу А2. Аналогично оценивается вероятность ошибок второго рода.

Количество испытаний М выбирается из расчета обеспечения заданной погрешности оценки вероятности ошибок классификации е с доверительной вероятностью РЕ.

Результаты моделирования классификатора при нормальном распределении параметров сигналов показали хорошую сходимость с результатами расчетов по аналитическим соотношениям. Этот факт подтвердил корректность методики и позволил в дальнейшем оценивать вероятности ошибок классификации и при других законах распределения параметров.

В процессе моделирования классификаторов построены гистограммы логарифмов отношения правдоподобия. Гистограммы дают наглядную картину характера изменения вероятностей ошибок }й1ассификации первого и второго рода. Анализ характера изменения

I

I •

гистограмм и аналитических соотношений для вероятностей ошибок классификации показывает, что при равных средних квадратических отклонениях параметров классифицируемых сигналов гистограммы (рис. 5а) симметричны и нормально распределены, а вероятности ошибок первого и второго рода равны друг другу; при совпадении математических ожиданий и разных средних квадратических отклонениях (рис. 56) - гистограммы асимметричны, распределены по закону х\ вероятности ошибок классификации отличаются и могут превосходить уровень 0.5; при одновременно различающихся первых моментах (рис. 5в) - вероятности ошибок классификации отличаются, а логарифм отношения правдоподобия распределен по нецентральному %2 закону.

В пятой главе проведено исследование вероятностей ошибок классификации при негауссовских распределениях параметров сигналов и установление связи между вероятностями ошибок классификации и средним количеством информации по Кульбаку.

Ввиду отсутствия аналитических соотношений для вычисления вероятностей ошибок классификации, проведено статистическое моделирование работы классификаторов по методике, отработанной в предыдущей главе.

Для этого предварительно синтезированы классификаторы при негауссовских распределениях параметров сигналов. В качестве примера рассмотрены наиболее часто используемые при радиолокационном дистанционном зондировании распределения: логнормальное, Вейбулла и К-распределение.

Для оценки вероятностей ошибок классификации при К-распределенных параметрах сигналов разработана методика моделирования К-распределения.

а) П11=0, т2=1, 01=С2

б) т1=т2, СТ1=1.7С2

в) т!=2, т2=0.5, с?1=1, <т2=0.75 Рис. 5. Гистограммы отношений правдоподобия

Так как моделирование К-распределения не представляется возможным по стандартным методикам, разработанная методика моделирования базируется на физических принципах формирования отражений, подчиняющихся К-распределению.

В соответствии с методикой формируются реализации ц<,ь ¡=1, ...,М нормированного Гамма-распределения

где а - СКО моделируемого К-распределения, который используется в качестве среднего квадратического отклонения в стандартном генераторе нормального распределения. Так как среднее квадратическое отклонение для каждого отсчета К-распределения индивидуально, то для моделирования М реализаций используется одновременная работа М генераторов.

Полученная таким образом выборка усекается с целью исключения отрицательных реализаций и после коррекции математического ожидания и среднего квадратического отклонения используется при моделировании классификатора.

На рис. 6 в качестве примера приведена выборка из 1000 отсчетов случайной величины, подчиняющейся К-распределению, с параметрами у=3, Ь=0.466, характерными для волнующейся морской поверхности.

Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными (рис. 7) показало, что кумулятивная кривая

где v - параметр формы К-распределения. Выборки масштабируются

и преобразуются в параметр

а, =л/я,а2 , ¡=1,...,М ,

О 2С0 «» 600 800 . 1000

Рис. 6. Выборка из 1 ООО отсчетов К-распределения

Рис. 7. Моделирование К-распределения

моделированного К-распределения (помечена "О") наиболее близка к графику' функции распределения вероятностей теоретического К-распределения (сплошная линия) по сравнению с функциями для логнормального закона (штриховая линия), закона Вейбулла (штрих-нунктирная линия) и закона Релея (пунктирная линия), параметры которых рассчитаны по одной общей для всех выборочной совокупности отсчетов, полученной экспериментально при исследовании отражений от волнующегося моря.

В результате моделирования получены зависимости вероятностей ошибок классификации от параметров распределений, анализ которых показал, что:

- при взаимной замене параметров распределений для разных классов (например, с^сг или у^оуг) вероятности ошибок классификации меняются ролями;

- вероятности ошибок классификации тем больше, чем ближе друг к другу математические ожидания параметров классифицируемых сигналов;

- вероятности ошибок классификации первого и второго рода тем ближе друг к другу, чем меньше отличаются средние квадратические отклонения параметров.

Полученные в главах 2 и 3 зависимости и результаты моделирования позволили установить взаимосвязь между средним количеством информации по Кульбаку, содержащейся в параметрах отраженного сигнала, и вероятностями ошибок классификации. Пример таких зависимостей для нормального закона распределения параметров приведен на рис. 8 и рис. 9. Зависимость (рис. 8) получена изменением разности математических ожиданий параметров сигналов разных классов при различных отношениях СКО. Соответствующее параметрам распределений количество

Рис. В Зависимость вероятностей ошибок второго рода Р от количества информации 1\2.

"не. 9 Зависимость вероятностей ошибок первого рода а от :оличества информации 121.

информации Ii2 отложено по оси абсцисс, а вероятности ошибок классификации второго рода - по оси ординат. Аналогично получена зависимость (рис. 9) путем изменения отношения СКО при различных значениях отношения математических ожиданий. Из рис. 8 и рис. 9 видно, что с ростом количества информации ошибки классификации уменьшаются, а с уменьшением количества информации, содержащейся в параметрах сигнала, вероятности ошибок классификации увеличиваются. Так, при 01=02 увеличение количества информации на 10 бит приводит к уменьшению вероятностей ошибок классификации примерно на 12 дБ. Анализ полученных зависимостей для различных законов распределения параметров сигналов позволил сделать заключение о монотонной связи между количеством информации I12 и вероятностями ошибок классификации второго рода, а также между количеством информации I21 и вероятностями ошибок классификации первого рода.

Удалось также установить, что количество информации, содержащейся в параметрах сигнала и вероятности ошибок классификации достигают экстремума одновременно при условиях, определенных в главе 2.

Для оценки эффективности использования различных законов распределения вероятностей параметров принятых РСДЗ сигналов, проведен анализ влияния ошибок при выборе закона их распределения. Для этого смоделирована работа кл5ссификаторов сигналов, параметры которых распределены по разным законам, но имеют одинаковые математические ожидания и средние квадратические отклонения. В результате установлено, что меньшие вероятности ошибок классификации обеспечивает тот закон распределения параметров сигналов, который обеспечивает большее количество информации в параметрах сигналов. А при классификации только по математическому ожиданию и дисперсии потери информации, содержащейся в моментах распределений высшего порядка, приводят к увеличению вероятностей ошибок классификации. Так, при распределении параметров сигналов

радиозондирования по закону Вейбулла с параметрами С1=1.5, Ь)=8, с2=3.1, Ьг=3.5 увеличение параметра Ь] до Ь]=10 приводит к увеличению информационного преимущества по сравнению с лопюрмальным распределением на 10 бит и увеличению ' преимущества по вероятностям ошибок классификации на 2 дБ.

Разработанный аппарат анализа эффективности классификации позволил определить основные методы ее повышения, основанные на увеличении, количества информации, содержащейся в параметрах сигналов радиозондирования, и снижении потерь информации при классификации и вытекающие из полученных выше результатов. В качестве основных методов повышения эффективности классификации определены:

- увеличение числа анализируемых параметров с использованием методов разделения сигналов - частотных, пространственных, временных и поляризационных;

- выбор наиболее информативных параметров сигналов;

- увеличение числа отсчетов параметров, используемых при классификации;

- при прочих равных условиях использование модели распределения параметров сигналов, обеспечивающей наибольшее количество информации;

- построение и использование классификаторов, допускающих наименьшие потери информации, содержащейся в параметрах сигналов.

. В шестой главе в рамках общей задачи повышения эффективности использования РСДЗ рассмотрены методы повышения эффективности подсистем обеспечения координатной привязки и передачи информации в сложных географических районах.

Особенностью использования РСДЗ в сложных географических районах является недостаточное их оснащение радиотехническими средствами координатной привязки, а также использование малых воздушных судов, не оборудованных, как правило, высокоэффективными навигационными и радиосвязными

средствами (например, средствами спутниковых систем навигации и связи).

В связи с этим в сложных географических районах повышение эффективности использования РСДЗ возможно путем организации рационального использования уже имеющихся средств навигации и связи МВ, ДКМВ и ГКМВ диапазонов. Повышение эффективности координатной привязки в' первую очередь возможно за счет правильного выбора места установки датчиков координатной привязки.

В качестве другого эффективного метода организации координатной привязки и передачи информации, не требующего значительных материальных затрат, предложено внедрение многопозиционных радиопеленгационных систем.

В связи с этим проанализированы особенности построения и определены характеристики разработанных радиопеленгационных систем МВ диапазона для обеспечения полетов на малых высотах. Показано, что вследствие использования в имеющихся системах неоптимального алгоритма обработки пеленгационной информации возможности системы по повышению эффективности координатной привязки реализованы не в полной мере. Показано, что эффективность системы может быть существенно повышена путем проведения предварительных прогностических расчетов ее точности и рационального размещения позиций.

Для реализации данного направления повышения эффективности РСДЗ разработаны методики прогнозирования точности датчиков угломерной информации, а также полей триангуляции, пеленгации и связи многопозиционных радиопеленгационных систем МВ диапазона.

На основании анализа особенностей радиотехнического обеспечения полетов в районах Арктики и Антарктики показано, что повышение эффективности координатной привязки РСДЗ возможно за счет объединения радиопеленгаторов ДКМВ и ГКМВ диапазонов в единую радиопеленгационную систему, позволяющую определять координаты ВС при полетах в высоких широтах.

С целью реализации данного метода синтезирован алгоритм определения местоположения ВС в географической системе координат при полетах в Арктике и Антарктике. Разработанный алгоритм апробирован с использованием экспериментальных данных радиопеленгования в ДКМВ диапазоне в условиях Антарктиды. Обработка результатов пеленгования показала ■ возможность определения координат ВС в полярных районах с достаточной точностью для решения задач РСДЗ в полярных ; районах.

В Заключении подведены итоги проведенных исследований. Отмечено, что реализация предложенных методов повышения эффективности решения задач классификации объектов, координатной привязки и передачи информации в целом решает поставленную проблему повышения эффективности использования радиолокационных систем дистанционного зондирования в сложных географических районах.

Основные теоретические и практические результаты диссертации заключаются в следующем:

1. На основание анализа особенностей применения радиолокационного дистанционного зондирования проведена классификация задач дистанционного зондирования с точки зрения целевого использования получаемой при зондировании информации.

2. В рамках сформулированных задач дистанционного зондирования определен подход к оценке и выбраны показатели эффективности решения этих задач и установлена взаимосвязь общих показателей эффективности с показателями эффективности классификации объектов, координатной привязки и передачи информации.

13. На основе анализа информационных мер аналитически обоснована возможность использования среднего количества информации по Кульбаку, содержащейся в параметрах сигнала в качестве показателя разделимости классов сигналов при радиолокационном дистанционном зондировании.

4. Исследованы свойства среднего количества информации по Кульбаку при нормальном и негауссовском распределениях параметров принятого сигнала и получены аналитические соотношения для его вычисления.

5.- Построены двух- и трехмерные зависимости количества информации от параметров распределения параметров приинятого РСДЗ сигнала.

6. С использованием разработанной в работе методики моделирования и синтезированных классификаторов проведена оценка вероятностей ошибок классификации при нормальном и негауссовских распределениях параметров сигналов радиозондирования.

7. На основе анализа полученных зависимостей вероятностей ошибок классификации сигналов радиозондирования от количества информации установлена монотонность изменения вероятностей ошибок классификации сигналов от среднего количества информации по Кульбаку, содержащейся в параметрах сигналов, и показана возможность использования количества информации в качестве аналитического аппарата анализа эффективности классификации зондируемых объектов.

8. Установлено, что вероятности ошибок классификации и количество информации достигают экстремальных значений одновременно при одних и тех же условиях и определены эти условия.

9. Показано, что ошибки в выборе закона распределения параметров принятых сигналов приводят к потере информации, содержащейся в моментах распределений высших порядков, и к увеличению вероятностей ошибок классификации. Построены диаграммы потерь информации и по ним определены области значений параметров распределений, при которых более эффективно использование того или иного распределения для аппроксимации экспериментальных данных.

10. Определены методы повышения эффективности классификации сигналов с точки зрения увеличения количества информации и уменьшения потерь информации.

И. Проведен анализ и определены методы обеспечения и повышения эффективности координатной привязки и передачи информации в радиолокационных системах дистанционного зондирования в сложных географических районах.

12. Разработаны методики и программное обеспечение прогнозирования полей триангуляции, пеленгации и радиосвязи многопозиционных радиопеленгационных систем и позиций с учетом особенностей размещения на местности.

13. Синтезированы алгоритмы для определения местоположения ВС многопозиционной пеленгационной системой в полярных районах в географической системе координат и получены соотношения для расчета их точности. С использованием результатов экспериментов по пеленгованию в условиях Антарктиды показана возможность определения координат воздушного судна многопозиционной радиопеленгационной системой с точностью, достаточной для решения задач дистанционного зондирования.

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в работах:

1. Набатов О.С., Вдовиченко Н.С., Соломенцев В. В. Системы и устройства связи воздушных судов в ГА Учебное пособие для ВУЗов. -М.: Транспорт, 1988.

2. Криницин В.В.ДГогвин АИ., Соломенцев В. В. Цифровая обработка сигналов в радиотехнических устройствах. Аппаратная реализация цифровых устройств. Учебное пособие для ВУЗов ГА -ML: МИИГА, 1989.

3. Соломенцев В.В., Соколов В.В., Лутин Э.А., Набиуялин АН. Радиопеленгационный метод в ГА Учебное пособие для вузов ГА -М: МГТУ ГА.1993.

4. Соломенцев В.В., Вдовиченко НС. Комплексное использование средств навигации и связи для наблюдения за малыми воздушным« судами. Электронная техника. Сер. 10. Микроэлектронные устройства, вып. 3 (87), 1991, с. 42-43.

5. Соломенцев В В., Вдовиченко НС. Оптимизация связных и вычислительных ресурсов в радиотехнической системе. Электронная техника. Сер. 10. Микроэлектронные устройства, вып. 4 (88), 1991,с. 51-53.

6. Соломенцев В. В. Определение местоположения воздушного судна радиопеленгационной системой в полярных районах. Электронная техника Сер 10. Микроэлектронные устройства, вып. 3-4 (93-94), 1992, с. 28-31.

7. Саидов A.C., Асланов Г.К., Соломенцев В.В. Методы улучшения точностных характеристик АРП и АРПС, используемых для целей навигации и УВД. Совершенствование радиоэлектронных систем ГА и процессов их технической эксплуатации. Сборник научных трудов. - М.: МГТУ ГА, 1995, с. 3-7.

8. Саидов A.C., Асланов Г.К., Испарилов И.М., Соломенцев В.В. Об ошибках в работе судовых фазовых АРП, вызванных воздействием внешних факторов. Совершенствование радиоэлектронных систем ГА и процессов их технической эксплуатации. Сборник научных трудов, - М.: МГТУ ГА 1995, с. 20-26.

9. Михайлов Б.В., Соломенцев В.В. К вопросу оптимизации развития средств систем ОВД. Методы и средства дистанционного радиозондирования. Сборник научных трудов. -М.: МГТУ ГА, 1995, с. 90-96.

10. Асланов Г.К., Соломенцев В.В. "Винтовой эффект" в АРП и метод его устранения. Методы и средства дистанционного радиозондирования. Сборник научных трудов. - М.: МГТУ ГА, 1995, с 109-118.

11. Соломенцев В.В., Логвин O.A. Информативность комплексов дистанционного зондирования. Радиотехническое оборудование систем дистанционного зондирования. Межвузовский сборник научных трудов - М.: МГТУ ГА, 1996, с.3-7.

12. Логвин А.И., Соломенцев В.В. Анализ критериев разделимости классов объектов при решении задач дистанционного зондирования. Теория и практика функционального использования и эксплуатации радиоэлектронных систем ГА. Межвузовский сборник научных трудов. - М: МГТУ ГА, 1997, с. 108-113.

13. Соломенцев В.В. Особенности взаимодействия подсистем системы дистанционного зондирования при решении задач картирования в труднодоступных районах. Методы и средства дистанционного радиозондирования. Межвузовский сборник научных трудов. - М.: МГТУ ГА, 1997, с. 10-18.

14. Соломенцев В.В. Особенности применения вероятностных моделей сигналов в системах дистанционного зондирования.

. Методы и средства дистанционного радиозондирования. Межвузовский сборник научных трудов. - М: МГТУ ГА, 1997, с. 65-71.

15. Соломенцев В.В. Методы оценки эффективности систем дистанционного зондирования для решения народнохозяйственных задач. Методы и средства дистанционного радиозондирования. Межвузовский сборник научных трудов. -М.: МГТУ ГА 1997, с. 21-26.

16. Соломенцев В. В. Быстрая обработка сигналов в фразированных антенных решетках радиопеленгаторов. Теория и практика применения и совершенствования радиоэлектронных систем ГА. Межвузовский тематический сборник научных трудов. - М.: РИО МИИГА, 19S5, с. 122-126.

17. Соломенцев В. В.Точность пеленгации сигналов с помощью кольцевой антенной решетки при наличии собственных шумов приемников. Теория и практика функционального использования и эксплуатации радиоэлектронных систем ГА Межвузовский сборник научных трудов. - М.: РИО МИИГА, 1986, с. 144-148.

18. Соломенцев В. В., Пчелинцев C.B. Повышение точности пеленгации сигналов воздушных судов при УВД в районе аэродрома. Вопросы обеспечения безопасности полетов при УВД. Межвузовский сборник научных трудов. - Л.: ОЛАГА, 1986, с. 8993.

19. Соломенцев В.В., Костин C.B.,Титов АВ. Радиопеленгатор запросных сигналов ДМЕ. Теория и практика совершенствования радиообеспечения полетов. Межвузовский сборник научных трудов. -М: РИО МИИГА 1988, с. 94-101.

20. Соломенцев В.В. Компенсация отраженных сигналов в мопоимпульсном пеленгаторе с кольцевой антенной решеткой. Теория и практика радиоэлектронных устройств ГА и оптимизация процессов их технического обслуживания. Межвузовский сборник научных трудов - М.: МИИГА, 1989, с. 60-64.

21. Соломенцев В.В., Батанов М.С. Оценка погрешности пеленгации АРП-75, обусловленной влиянием подстилающей поверхности Радиотехнические устройства и системы ГА Межвузовский тематический сборник научных трудов. - М: МИИГА 1990, с. 6471.

22. Соломенцев В.В., Костин C.B. Влияние алгоритмов обработки информации в многопозиционной радиопелентационной системе на параметры ее рабочей зоны. Совершенствование методов контроля технического состояния и оценка эффективности функционирования АиРЭО ГА. Сборник научных трудов. - Рига: РАУ, 1991, с. 71-75.

23. Кузнецов A.A., Соломенцев В.В., Соколов В.В., Костин C.B., Батанов М.С., Адрилов ВВ. Методика и программа прогнозирования точностных характеристик квазидоплеровских радиопеленгаторов при их размещении на местности. Передовой производственный опыт и научно-технические достижения, рекомендуемые МГА для внедрения в ГА - М.: ЦНТИ ГА, № 6, 1991, с. 5.

24. Кузнецов A.A., Соломенцев ВВ., Павлов A.B., Костин C.B., Адрилов В В. Методика и программа расчета точностных характеристик радиомаяков VOR при их размещении на местности. Передовой производственный опыт и научно-технические достижения, рекомендуемые МГА для внедрения в ГА. - M.: ЦНТИ ГА, № 6, 1991, с. 6.

25. Соломенцев В В., Соколов В В. Определите местоположения ВС радиопеленгационной системой диапазона ДКМВ. Радиооборудование JIA для решения задач ПАНХ. Межвузовский тематический сборник научных трудов. - М.: РИО МИИГА, 1992, с. 89-94.

26. Соломенцев В В. Способы обеспечения достоверной оценки местоположения в многопозиционных радиотехнических системах. Теория и практика дистанционного зондирования. - М.: МГТУГА, 1993, с. 57-60.

27. Соломенцев В В., Соколов ВВ., Милославский С.Ю. Точность МРПС ДКМВ диапазона в условиях Антарктиды. Теория и практика дистанционного зондирования. Сборник научных трудов. - М: МГТУГА, 1993, с. 71-77.

28. Соломенцев В.В. Обработка сигналов квазидоплеровским пеленгатором диапазона УКВ при воздействии помех. Методы представления и обработки информации в радиотехнических системах. Сборник научных трудов. - М.: МИРЭА, 1993, с. 67-71.

29. Соломенцев В.В. Анализ вариантов пространственного построения многопозиционных радиотехнических систем. Проблемы совершенствования радиоэлектронных систем ГА и организации их технического обслуживания. Сборник научных трудов. -М: РИО МГТУГА, 1993, с. 131-133.

30. Соломенцев В.В. Прогнозирование параметров движения воздушных судов с учетом погрешностей автономных и корректирующих систем. Радиоэлектронные системы для мониторинга окружающей среды. Сборник научных трудов. - М.: МГТУГА, 1994, с.6-14.

31. Соломенцев В.В. Прогнозирование точности угломерных радиотехнических систем. Радиоэлектронные системы для мониторинга окружающей среды. Сборник научных трудов. -М.:МГТУ ГА, 1994, с. 62-69.

32. Соломенцев ВВ., Лотвин О.А., Сулаев С.А. Моделирование работы приемной аппаратуры при воздействии помех. Теория и практика совершенствования радиоэлектронных систем ГА. Сборник научных трудов. - М.: МГТУ ГА, 1994, с. 22-27.

33. Соломенцев В.В. Оценка качества функционирования многопозиционных радиотехнических систем гражданской авиации. Теория и практика совершенствования радиоэлектронных систем ГА. Сборник научных трудов. - М.: МГТУ ГА, 1994, с. 65-71.

34. Маркович Е.Д., Соломенцев В.В. Выбор рационального комплекса технических средств УВД, навигации и посадки, обеспечивающих безопасность полетов в районах УВД и аэродромов - М.: МГТУ ГА, 1995.

35. Logvin A.I., Solomcntsev V.V. Assessment of the influence of radiowaves propagation conditions on the operation of the high-frequency direction finding positioning system in the Antarctic conditions /1995 SBMO/ШЕЕ MTT-S International MICRO-WAVE and OPTOELEC-TRONICS CONFERENCE, Rio de Janeiro, Brazil, July 24-27, 1995, pp. 187-191.

36. Solomentsev V.V., Adrilov V.V. Modeling of the VOR beacon operation in multipath conditions of signal propagation /International Conference On Electromagnetics In Advanced Applications ICEAA 95, Torino 12-15 September 1995, pp. 235-239.

37. Соломенцев В.В. Оценка качества компенсации отраженных сигналов пеленгаторе с кольцевой антенной решеткой /Статистические методы в теории передачи и преобразования информационных сигналов. Тезисы ВНТК. - Киев: КНИГА, 1988, с. 33

38. Соломенцев В.В. Компенсация отраженных сигналов в пеленгаторе с кольцевой антенной решеткой при реальных условиях эксплуатации /Проблемы совершенствования процессов технической эксплуатации авиационной техники, инженерно-авиационного обеспечения полетов в условиях ускорения научно-технического прогресса. Тезисы ВНТК. - М.: МИИГА, 1988, с. 89.

39. Соломенцев В.В., Костин С.В. Исследование точностных характеристик многопозиционной радиопеленгационной системы. Проблемы совершенствования радиоэлектронных комплексов и систем обеспечения полетов /Тезисы докладов ВНТК. - Киев: КНИГА, 1989, с. 112.

40. Соломенцев В.В., Батанов М.С.,Костин С.В. Обработка сигнала связной радиостанции фазовым пеленгатором с учетом рельефа местности /Формирование и обработка радиотехнических сигналов. Сборник тезисов НТКМС. - Черноголовка, 1989, с. 39.

41. Соломенцев B.B , Костин СВ., Адрилов В.В. Эффективность многопозиционньгх радиопеленгационных систем /Научно-технический прогресс и эксплуатация воздушного транспорта. Тезисы докладов ВНТК-М.:МИИГА, 1990, с. 67-68.

42. Соломенцев В.В. Пространственно временная обработка сигналов в радиоэлектронных системах с кольцевыми антеннами /Радиоприем и обработка сигналов. Тезисы докладов VI ВНТК Российского НТОРЭС. - Нижний Новгород, 1993, с. 32.

43. Соломенцев В.В. Оптимизация пространственного размещения позиций радиотехнических систем на местности /Наука и техника ГА на современном этапе. Тезисы докладов МНТК - М.: МГТУ ГА, 1994, с. 114-115.

44. Соломенцев В.В. Информационный подход при оценке возможностей комплексов дистанционного зондирования /Современные научно-технические проблемы ГА Тезисы докладов МНТК. - М.: МГТУ ГА, 1996, с. 149

45. Соломенцев В.В. Моделирование угломерных радиотехнических систем VOR и DVOR /Современные научно-технические проблемы ГА. Тезисы докладов МНТК,- М.: МГТУ ГА, 1996, с. 279.

46. Кузнецов A.A., Соломенцев ВВ., Костин СВ. Пеленгатор. Авторское свидетельство №1767977. - М.: М1ТУ ГА,1993.

Соискатель

Соломенцев В.В.

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

и

[1

УДК ^ ^ У ^ Ыа правах рукописи

.....—------------------------------,

;; ..... . .

"ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ В СЛОЖНЫХ ГЕОГРАФИЧЕСКИХ

РАЙОНАХ"

Специальность: 05.12.04 - Радиолокация и радионавигация

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант Действительный член академии транспорта РФ, доктор технических наук, профессор Логвин А.И.

Москва -

1998 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

с.

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................... 6

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ........................................................... 14

1.1. Использование методов и средств радиолокационного дистанционного зондирования для решения

народнохозяйственных задач в труднодоступных районах........ 14

1.2. Эффективность применения радиолокационных систем дистанционного зондирования....................................................... 22

1.2.1. Задача картирования............................................................. 25

1.2.2. Задача измерения средних характеристик объектов дистанционного зондирования....................................................... 37

1.2.3. Задача обнаружения объекта с заданными электрофизическими свойствами ....................................................... ^

2. АНАЛИЗ РАЗДЕЛИМОСТИ КЛАССОВ СИГНАЛОВ В РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ................................... 44

2.1. Выбор показателя разделимости классов сигналов при

44

радиолокационном дистанционном зондировании......................

2.2. Свойства среднего количества информации по Кульбаку при нормальном распределении параметров сигналов радиозондирования......................................................................... 56

2.3. Количество информации при многомерном пространстве параметров сигналов радиозондирования..................................... 68

2.4. Влияние искажений параметров сигналов на их информативность............................................................................ 72

3. АНАЛИЗ РАЗДЕЛИМОСТИ КЛАССОВ ПРИ НЕГАУССОВСКИХ РАСПРЕДЕЛЕНИЯХ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛОВ РАДИОЗОНДИРОВАНИЯ..................................... 78

3.1. Разделимость классов сигналов при негауссовских законах распределения параметров радиолокационных

сигналов.......................................................................................... 79

3.2. Потери информации при ошибке в выборе распределения параметра сигнала радиозондирования........................................ 99

4. ВЕРОЯТНОСТИ ОШИБОК КЛАССИФИКАЦИИ ПРИ НОРМАЛЬНОМ ЗАКОНЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛОВ РАДИОЗОНДИРОВАНИЯ......... 121

4.1. Обоснование выбора решающих правил при классификации................................................................................. 122

4.2. Анализ классификатора при нормальном законе распределения параметров принятых сигналов........................... 125

4.3. Вероятности ошибок классификации при нормальном распределении параметров сигналов............................................ 127

4.4. Методика статистического моделирования классификаторов и оценки вероятностей ошибок классификации................... 134

5. ЭФФЕКТИВНОСТЬ КЛАССИФИКАЦИИ СИГНАЛОВ РАДИОЗОНДИРОВАНИЯ И МЕТОДЫ ЕЕ ПОВЫШЕНИЯ .... 148

5.1. Синтез классификаторов сигналов радиозондирования

при негауссовских распределениях параметров сигналов......... 149

5.1.1. Классификатор при логнормальном распределении параметров сигналов....................................................................... 149

5.1.2. Классификатор при распределении параметра по закону Вейбулла........................................................................................... 150

5.1.3. Классификатор при К- распределенном параметре

сигнала.............................................................................................. 151

5.2. Вероятности ошибок классификации при негауссовских распределениях параметров сигналов радиозондирования....... 153

5.2.1. Вероятности ошибок классификации при

логнормальном распределении параметров сигналов................ 153

5.2.2. Вероятности ошибок классификации при распределении параметров сигналов по закону Вейбулла.................................... 165

5.2.3. Моделирование K-распределения....................................... 175

5.2.4. Вероятности ошибок классификации при параметрах сигналов, подчиняющихся K-распределению.............................. 185

5.3. Связь среднего количества информации по Кульбаку и вероятностей ошибок классификации........................................... 192

5.4. Влияние ошибок в выборе аппроксимирующих распределений на эффективность классификации...................... 221

5.5. Информационные методы повышения эффективности классификации при радиолокационном дистанционном зондировании................................................................................... 230

5.5.1. Этап выбора информативных параметров.......................... 230

5.5.2. Этап построения классификатора........................................ 233

6. КООРДИНАТНАЯ ПРИВЯЗКА И ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ В РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ И МЕТОДЫ

ПОВЫШЕНИЯ ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ..................................... 243

6.1. Методы и средства обеспечения координатной привязки и

передачи информации..................................................................... 246

6.2 Повышение эффективности координатной привязки и передачи информации при полетах на малых высотах................ 249

6.2.1. Повышение точности датчиков координатной информации при их размещении на местности............................ 250

6.2.2. Повышение точности координатной привязки и обеспечение радиосвязи с использованием многопозиционных

пеленгационных систем................................................................. 258

6.3. Повышение эффективности координатной привязки и передачи информации в полярных районах.................................. 268

6.3.1 Радиотехническое обеспечение полетов в Арктических и Антарктических районах................................................................ 268

6.3.2 Синтез алгоритма определения местоположения ВС в

полярных районах пеленгационным методом.............................. 273

6.3.3. Оценка точности и зоны действия многопозиционных радиопеленгационных систем в полярных районах по

результатам экспериментальных исследований.......................... 293

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................ 308

ЛИТЕРАТУРА................................................................................. 311

ПРИЛОЖЕНИЕ............................................................................... 327

ВВЕДЕНИЕ

Формулировка проблемы и ее актуальность

В последние годы во всем мире интенсивно развиваются различные методы изучения окружающей среды, среди которых наиболее важное значение приобрели методы дистанционного зондирования. Развитие этих методов стимулируется все ухудшающейся экологической обстановкой в мире, необходимостью решения различных геологических, геофизических, гидрофизических и других задач. Кроме того, большое значение приобретают задачи изучения лесных массивов, сельскохозяйственных угодий, поверхности Мирового океана, морей, рек и озер, горных массивов и т.д. Изучение перечисленных поверхностей и других необходимо для решения самых различных задач, к которым относятся:

- предупреждение и обнаружение лесных пожаров;

- оценка толщины и состояния снежного покрова;

- идентификация и классификация сельскохозяйственных угодий, оценка их состояния в динамике развития;

- оценка толщины и состояния ледового покрова как на суше, так и на морской акватории;

- определение мест загрязнения морских и речных акваторий и т.д.;

- оценка возможности посадки и взлета воздушного судна (ВС) на поверхности, специально не оборудованные для этих целей (санитарная авиация, авиация для выполнения сельскохозяйственных работ, полярная авиация, пожарная авиация и т.д.).

Решение задачи по определению параметров подстилающих покровов, поверхности моря и атмосферы возможно с помощью активных радиолокаторов, использующих данные об отражаемости на различных поляризациях, способных анализировать статистическую структуру отраженных сигналов.

В процессе использования радиолокационная система дистанционного зондирования (РСДЗ) принимает отраженный от цели сигнал и по результатам анализа его параметров выносит решение о типе зондируемого объекта и его электрофизических свойствах.

Информация, получаемая в процессе дистанционного зондирования в требуемой форме передается потребителю: в виде карты зондируемого района, в виде средних и суммарных оценок интересующего параметра зондируемого объекта, в виде сообщения о наличии или отсутствии интересующего объекта с заданными электрофизическими свойствами.

В сложных географических районах применение РСДЗ усложняется отсутствием ориентиров и радиотехнических средств, позволяющих выполнить точную координатную привязку ВС, несущего РСДЗ, и передачу информации.

Эффективность применения РСДЗ зависит от характера использования получаемой в процессе зондирования информации. Этим же определяется и структура РСДЗ, которая в различных случаях может включать подсистемы измерений, координатной привязки и передачи информации. Эффективность выполнения поставленной перед РСДЗ задачи зависит от эффективности выполнения задач каждой подсистемой в отдельности.

Учитывая высокую стоимость создания и применения РСДЗ, их использование оправдано в том случае, если возможно получение

соответствующего эффекта - экономического, научного или социального характера. Поэтому повышение эффективности использования систем радиолокационного дистанционного зондирования является актуальной научной проблемой, имеющеи большое народнохозяйственное значение.

Целью работы является повышение эффективности использования радиолокационных систем дистанционного зондирования в сложных географических районах.

Для достижения указанной цели потребовалось:

- классифицировать задачи радиолокационного дистанционного зондирования с точки зрения использования информации, получаемой при зондировании;

- сформулировать показатели разделимости классов сигналов радиозондирования и обосновать возможность их использования для повышения эффективности радиолокационных систем дистанционного зондирования;

- определить методы повышения эффективности классификации зондируемых объектов;

- определить методы обеспечения и повышения эффективности координатной привязки РСДЗ в сложных географических районах.

Методы исследования:

Исследования выполнены с использованием методов теории вероятностей, математической статистики, теории статистических решений, статистической радиотехники, теории радиолокации и радионавигации, а также с использованием статистического моделирования.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Классификация задач радиолокационного дистанционного зондирования с точки зрения использования информации, получаемой при зондировании.

2. Показатели эффективности решения задач радиолокационного дистанционного зондирования.

3. Обоснование показателя эффективности классификации сигналов радиозондирования - среднего количества информации по Кульбаку, содержащейся в параметрах принимаемого радиолокационного сигнала.

4. Аналитические соотношения, связывающие среднее количество информации по Кульбаку и параметры распределений при нормальном и при негауссовских распределениях параметров радиолокационных сигналов в одномерном и многомерном случаях.

5. Условия, обеспечивающие эффективное использование РСДЗ с точки зрения выбора той или иной аппроксимации экспериментальных данных.

6. Установление монотонности зависимости между средним количеством информации по Кульбаку, содержащейся в параметрах радиолокационного сигнала, и вероятностями ошибок классификации сигналов.

7. Условия, при которых вероятности ошибок классификации радиолокационных сигналов и среднее количество информации по Кульбаку, содержащейся в параметрах сигнала, достигают экстремальных значений.

8. Синтез алгоритмов расчета координат воздушного судна в полярных районах по результатом многопозиционного радиопеленгования.

9. Методики прогнозирования полей триангуляции, пеленгации и радиосвязи многопозиционных радиопеленгационных систем и позиций при их размещении на местности.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

1. Для предложенной классификации задач радиолокационного дистанционного зондирования определены показатели эффективности их решения.

2. Обоснована возможность использования среднего количества информации по Кульбаку, содержащейся в параметрах радиолокационного сигнала, в качестве показателя эффективности классификации сигналов радиозондирования.

3. Установлена монотонная связь между средним количеством информации по Кульбаку, содержащейся в параметрах радиолокационного сигнала, и вероятностями ошибок классификации сигналов радиозондирования.

4. Получены аналитические соотношения для расчета среднего количества информации, содержащейся в параметрах радиолокационного сигнала, при негауссовских законах их распределения.

5. Построены двух- и трехмерные зависимости среднего количества информации по Кульбаку от параметров распределения параметров радиолокационного сигнала.

6. Определены условия, при которых вероятности ошибок классификации и количество информации по Кульбаку достигают экстремальных значений.

7. Получены аналитические зависимости и построены соответствующие графики потерь информации при искажении параметров сигналов радиозондирования. Определены условия, при которых предпочтительно использовать тот или иной закон распределения для аппроксимации экспериментальных данных.

8. Синтезированы алгоритмы определения координат воздушного судна в полярных районах по результатам многопозиционного пеленгования.

Практическая ценность работы состоит в том, что ее результаты позволяют:

1. Проводить оценку эффективности использования радиолокационных систем дистанционного зондирования при решении задач картирования, измерения средних и суммарных характеристик и обнаружения объектов с заданными электрофизическими свойствами.

2. Проводить анализ и разрабатывать методы повышения эффективности классификации зондируемых объектов с использованием аналитического аппарата - среднего количества информации по Кульбаку, содержащейся в параметрах классифицируемых сигналов при нормальном и негауссовских законах их распределения.

3. Определять вероятность ошибок классификации сигналов по известным значениям параметров распределений

анализируемых параметров сигналов радиозондирования и количеству содержащейся в них информации.

4. Прогнозировать зоны триангуляции, пеленгации и радиосвязи многопозиционных радиопеленгационных систем и позиций при их размещении на местности.

Реализация работы.

Проведенные в диссертационной работе исследования отражены в научно-исследовательских работах, выполненных в Московском государственном техническом университете гражданской авиации с 1984 по 1997 г. по техническим заданиям Федеральной авиационной службы, Росаэронавигации, ГосНИИ "Аэронавигация", научно-исследовательских и производственных предприятий РФ и во внедрении в организациях гражданской авиации, о чем имеются соответствующие акты внедрения.

Основные результаты работы внедрены в:

Методики и программное обеспечение прогнозирования эффективности размещения радиотехнических систем на местности, утвержденные Федеральной авиационной службой, Росаэронавигацией, ГосНИИ "Аэронавигация", в ГНПЦ ВИГСТАР, а также в учебном процессе в МГТУ ГА в лекционных курсах и в 3 учебных пособиях.

Достоверность результатов основана на корректном применении методов математической статистики, теории информации, теории статистических решений, теории радиолокации и радионавигации, а также на корректном использовании методов статистического моделирования на ЭВМ, и на экспериментальных результатах, полученных в ходе государственных испытаний

радиопеленгационной системы "Нива" и ДКМВ пеленгаторов в Антарктиде.

Апробация работы.

Основные результаты были доложены и одобрены на научно-технических семинарах МГТУ ГА (МИИГА), ГосНИИ "Аэронавигация", на международных, Всесоюзных и Внутривузовских научно-технических конференциях МГТУ ГА (МИИГА) в 1985 - 1998, на Всесоюзных научно-технических конференциях "Статистические методы в теории передачи и преобразования информационных сигналов", (Киев, КНИГА, 1988), "Проблемы совершенствования радиоэлектронных комплексов и систем обеспечения полетов", (Киев, КНИГА, 1989), научно-технической конференции молодых специалистов "Формирование и обработка радиотехнических сигналов", (Черноголовка, 1993), Международной научно-технической конференции 1995 8ВМО/1ЕЕЕ (Бразилия, Рио де Жанейро, 1995), Международной научно-технической конференции 1СЕАА' 95 (Италия, Турин, 1995).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 46 печатных работ, в том числе 3 учебных пособия и одно авторское свидетельство.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из Введения, шести глав, Заключения, списка литературы и 1 Приложения. Диссертация содержит 326 страниц текста, 57 рисунков, список литературы, включающий 208 наименований.

1. ПОСТАНОВКА ЗАДА�