автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Повышение оперативности и точности оценивания местоположения наземных источников радиоизлучения пассивными средствами летательного аппарата

На правах рукописи

Вызов Алексей Николаевич

ПОВЫШЕНИЕ ОПЕРАТИВНОСТИ И ТОЧНОСТИ

ОЦЕНИВАНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ НАЗЕМНЫХ ИСТОЧНИКОВ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ ПАССИВНЫМИ СРЕДСТВАМИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Специальность: 05.13.01 «Системный анализ, управление и обработка информации (технические науки)»

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Ш1АР2015

Санкт-Петербург, 2015 005560148

005560148

Работа выполнена в Балтийском государственном техническом университете «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова

Научный руководитель: Петров Юрий Витальевич

кандидат технических наук, доцент, доцент БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова

Официальные оппоненты: Мальцев Олег Григорьевич,

доктор технических наук, начальник научно-исследовательской лаборатории

ФНПЦ ОАО «Концерн «Гранит-Электрон»,

Одинцов Борис Владимирович, кандидат технических наук, начальник лаборатории . ОАО «НПП «Радар ММС»

Ведущая организация: АО «ЗАСЛОН», Санкт-Петербург.

Защита состоится ЛЗ апреля 2015 года в 14.00 на заседании диссертационного совета Д212.010.03 в Балтийском государственном техническом университете «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова по адресу: 190005, Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова и на сайте http://voenmeh.ru/science/dissertations

Автореферат разослан «¿У» февраля 2015 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Ю.В. Петров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Развитие радиолокации явилось важной

частью технической революции двадцатого века. Сейчас радиолокация

активно используется, например, в задачах навигации для определения

собственных параметров движения и положения в пространстве. Для

решения этой задачи используется как активная радиолокация с пассивным и

активным ответом, так и пассивная радиолокация. При этом активное

развитие с начала 50-ых годов 20 века получила спутниковая навигация,

построенная на принципах пассивной радиолокации, т.е. определения

собственного местоположения (МП) объекта по излучению сети опорных

станций (спутников). Эффективность таких систем показала актуальность

решения обратной задачи, то есть определения МП источников

радиоизлучения (ИРИ) с неизвестными координатами, обусловленной

растущим количеством излучающих объектов, а также преимуществами

пассивной радиолокации. Изначально для решения этой задачи

использовались многопозиционные системы, впоследствии стали применять

однопозиционные системы и системы с подвижными базами, что привело к

необходимости разработки новых методов определения МП. Так в качестве

подвижной базы можно использовать летательные аппараты (JIA).

Использование JIA при решении задачи определения МП наземных

ИРИ, а также проблемы повышения точности рассмотрены в различных

источниках[4,48,49].

Например, решение задачи определения МП ИРИ с борта ЛА в ВВС

США осуществляется с помощью самолетов армейской авиации RV-1D,

оснащенных системой «Quick Look II» с приёмо-обрабатывающей

аппаратурой AN/ALQ-133 для обнаружения целей, их распознания и

пеленгования[3]. Этот самолет выполняет задачу по вскрытию дислокации

радиолокационных станций (PJIC) противника в указанной зоне.

Определение МП PJIC происходит путем определения пеленгов и

последующей их обработки. Аппаратура имеет антенны с фазовыми

3

интерферометрами, обеспечивающими довольно точное пеленгование целей. В секторе 90° точность пеленгования составляет 0,5°. Сектор обзора, создаваемый с помощью аппаратуры каждого контейнера, может быть расширен до 120°, но в этом случае направление на цель измеряется с меньшей точностью[3].

Однако применение специализированного ЛА, как ЛУ-Ш, не всегда возможно по тем или иным причинам. Поэтому становится актуальным вопрос решения поставленной задачи с борта ЛА «общего» назначения. Так как такой ЛА должен решать широкий спектр задач, на его борту устанавливают унифицированное оборудование, что приводит к снижению точности измерения. Решение нескольких задач одновременно накладывает ограничения на вычислительные мощности, выделяемые на решения этих задач. Поэтому раньше и в настоящее время для задачи повышения точности определения МП ИРИ с помощью уменьшения влияния ошибок измерения активно используются методы наименьших квадратов (МНК) и экспоненциальная фильтрация, не требующие значительных вычислительных мощностей [20,49,75]. Однако в связи с бурным развитием вычислительной техники этот вопрос не стоит так остро, как всего пару десятилетий назад. Другим направлением решения этой задачи можно назвать применение специальных маневров, таких как метод трех пеленгов и спиральный метод[49,87]. Однако на практике зачастую используются оба направления совместно, проводя обработку полученных измерений пеленгов, при этом учитывая собственное движение ЛА. На практике существуют два критерия при решении поставленной задачи[49]:

— определение местоположения наземных источников радиоизлучения с заданной точностью за минимальное время;

— обеспечение максимально возможной точности определения местоположения наземных источников радиоизлучения за заданное время.

Цель работы:

Целью диссертационного исследования является повышение оперативности и точности оценивания местоположения наземных источников радиоизлучения путем разработки и исследования новых алгоритмов обработки информации бортовых радиолокационных пассивных средств.

Для достижения поставленной цели поставлены и решены следующие задачи:

— анализ методов определения местоположения наземных источников радиоизлучения и методов обработки результатов измерений при определении местоположения источников радиоизлучения бортовыми пассивными средствами;

— синтез алгоритмов повышения оперативности и точности оценивания местоположения источников радиоизлучения;

— анализ потенциальных характеристик разрабатываемых алгоритмов;

— оценка времени достижения заданной точности определения местоположения источников радиоизлучения и оценка точности определения местоположения источников радиоизлучения за заданное время;

— исследование характеристик разрабатываемых алгоритмов математическим моделированием и по натурным реализациям.

Объест исследования

Объектом исследования является процесс определения местоположения наземных источников радиоизлучения. Предмет исследования

Предметом исследования является повышение оперативности и точности оценки местоположения наземных источников радиоизлучения пассивными методами бортовыми пассивными средствами.

Методы исследования

Для решения поставленных задач использованы положения математической статистики и теории вероятностей, оптимальной и линейной фильтрации, теории принятия решений, статистического имитационного моделирования. Основные теоретические результаты подтверждены при внедрении результатов диссертационной работы.

Тематика работы соответствует областям исследования: 1. «Разработка методов и алгоритмов решения задач системного анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации», 2. «Разработка специального математического и программного обеспечения систем анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации» паспорта научной специальности 05.13.01.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

— алгоритм, основанный на проверке статистических гипотез о начальной дальности до ИРИ, позволяющий уменьшить время достижения заданной точности оценки местоположения наземного источника радиоизлучения и повысить вероятность достижения заданной точности за заданное время по сравнению с существующими методами;

— потенциальные характеристики разработанных алгоритмов, по которым можно оценить время достижения заданной точности определения местоположения наземных источников радиоизлучения или точность оценивания их местоположения за заданное время;

— результаты исследований разработанных алгоритмов, которые показали соответствие полученных теоретических и экспериментальных данных;

— методика оценки времени достижения заданной точности определения местоположения источников радиоизлучения, которая позволяет оператору во время полета заранее оценить требуемое время решения задачи, текущее ее состояние и оставшееся время до достижения заданной точности.

Научная новизна

Научной новизной обладают следующие результаты исследования:

— новый алгоритм, основанный на проверке статистических гипотез о начальной дальности до ИРИ, позволивший повысить оперативность и точность оценки местоположения наземных источников радиоизлучения по сравнению с существующими методами;

— потенциальные характеристики нового алгоритма, основанного на проверке статистических гипотез о начальной дальности до источников радиоизлучения;

— методика оценки времени достижения заданной точности определения местоположения источников радиоизлучения.

Практическая значимость

Практическая значимость результатов диссертационной работы заключается в том, что:

— применение разработанных алгоритмов позволяет сократить в 1,3-3,0 раза время достижения заданной точности по сравнению с многомерной расширенной калмановской фильтрацией и в 2,5-5,0 раз (по натурным реализациям до трех раз) по сравнению с экспоненциальной фильтрацией;

— внедрение предложенных алгоритмов повысило вероятность оценивания местоположения ИРИ с требуемой точностью за заданное время на 1050%;

— предложенная методика оценки времени достижения заданной точности определения местоположения источников радиоизлучения позволяет оператору во время полета заранее иметь информацию о требуемом времени решения задачи, текущем ее состоянии и оставшемся времени до достижения заданной точности;

— полученные результаты использованы в учебном процессе в дисциплинах, связанных с изучением основ радиолокации, радиолокационных и радионавигационных систем и комплексов.

Личный вклад автора

Научные результаты, представленные в диссертационной работе, получены соискателем либо самостоятельно, либо при непосредственном участии. Публикации

Основные положения диссертации изложены в 7 печатных работах, в том числе 2 работах, опубликованных в ведущих рецензируемых научных изданиях. Четыре публикации подготовлены без соавторов. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Апробация работы

Основные положения и результаты исследования докладывались и обсуждались на V и VI Общероссийской молодежной научно-технической конференции «Молодежь. Техника. Космос» (Санкт-Петербург, 2013 и 2014), 10-ой международной молодежной научно-технической конференции «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций «РТ-2014» (Севастополь, 2014), 12-ой открытой научно-практической конференции «Информационные технологам в области науки и техники (Санкт-Петербург, 2014), на секции "Радиоэлектроника" Санкт-Петербургской организации общероссийской общественной организации "Российское научно-техническое общество радиотехники, электроники и связи имени A.C. Попова" (Санкт-Петербург, 2015). Реализация результатов работы

Результаты диссертационной работы внедрены в научно-техническом центре АО «Заслон», а также используются в учебном процессе кафедры «радиоэлектронные системы управления» Балтийского государственного технического университета им. Д.Ф. Устинова при проведении теоретических и практических занятий по учебным курсам «Основы радиолокации» и «Радиолокационные системы и комплексы».

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, библиографического списка, включающего в себя 91 наименование, и двух приложений. Основной текст работы изложен на 130 страницах, содержит 53 рисунка и 21 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы.

В первой главе рассмотрены используемые в настоящее время методы обнаружения и идентификации источников радиоизлучения, проанализированы существующие методы определения местоположения источников радиоизлучения, проведен обзор методов обработки результатов измерений при определении местоположения источников радиоизлучения с борта летательного аппарата, обоснована необходимость разработки новых методов.

При проведении радиотехнического мониторинга последовательно решаются задачи: обнаружение источников радиоизлучения, их идентификация, измерение радиотехнических и пространственных (угловых) параметров и определение местоположения ИРИ. Задачи обнаружения, идентификации и измерений решаются посредством различных методов и в диссертации не рассматриваются. Измерения пеленгов происходят с ошибками до 3-5 градусов в зависимости от частотного диапазона и технической реализации измерителей.

При пассивной радиолокации местоположения источников радиоизлучения не может быть определено путем прямого измерения дальности. Дальномерный и угломерно-дальномерный методы определения местоположения источников радиоизлучения не могут быть применены вследствие того факта, что отсутствует информация о времени излучения сигнала. Используются различные методы определения местоположения: пеленгационно-энергетический, разностно-дальномерный, доплеровско-временной, геометрические методы, спиральный пеленгационный метод и другие. Так пеленгационно-энергетический метод прост в реализации, однако

обладает низкой точностью (20-30%). Разностно-дальномерный метод реализуем только при наличии нескольких пунктов приема и организации между пунктами связи для совместной обработки информации. Доплеровско-временной метод обладает низкой точностью по причине смещения «эталонной» частоты от частоты ИРИ. Триангуляционный метод прост в реализации. Недостаток метода: с увеличением дальности до источника радиоизлучения существенно возрастает погрешность измерения координат. Спиральный пеленгационный метод позволяет уменьшить влияние ошибок измерения пеленгов, но для этого необходима сложная траектория движения и большие затраты времени.

Для уменьшения влияния ошибок измерения пеленгов разработаны как методы обработки результатов измерения, так и методы маневрирования ЛА (спиральный пеленгационный метод). Применяемые на данный момент методы обработки результатов измерения обладают либо низкой точностью, либо требуют большого количества времени и вычислительных затрат. Методу наименьших квадратов необходимо большое количество времени (большой объем данных) для повышения точности. Метод весовых коэффициентов требует определения коэффициентов и обладает невысокой точностью. Метод учета систематической ошибки пеленгации наземного источника излучения с борта ЛА обладает низкой точностью, но позволяет сократить базовое время с 1.5 мин до 30 сек. Экспоненциальная фильтрация обладает невысокой точностью при коррелированных шумах, но проста в реализации. Фильтр Калмана обеспечивает хорошую фильтрацию данных, однако зависим от априорной неопределенности используемых в нем моделей, и требует настройки. Искусственная нейронная сеть, построенная на фильтре Калмана, позволяет существенно уменьшить время, однако требует длительного обучения.

Таким образом, требуется разработка новых методов и алгоритмов, которые позволят повысить точность и оперативность определения местоположения источников радиоизлучения по сравнению с используемыми в настоящее время, не требуя при этом больших вычислительных затрат.

Во второй главе проведен анализ потенциальных характеристик определения местоположения наземных источников радиоизлучения, предложена методика оценки времени достижения заданной точности, разработаны алгоритмы повышения оперативности и точности оценивания местоположения наземных источников радиоизлучения, проанализированы потенциальные характеристики разработанных алгоритмов.

При анализе потенциальных характеристик определения местоположения наземных источников радиоизлучения получены оценки статистических характеристик относительных погрешностей определения дальности до источника радиоизлучения, которые зависят от ошибок пеленгования и разницы пеленгов в начальный и конечный моменты времени. Анализ полученных результатов доказал целесообразность решения задачи в горизонтальной плоскости по причине большей динамики движения летательного аппарата в этой плоскости.

Предложена методика оценки времени решения задачи при различных значениях СКО ошибки измерения углов и дальности до цели, основанная на использовании полученных аналитических зависимостей. Это позволяет оператору во время полета заранее оценить требуемое время решения задачи, текущее её состояние и оставшееся время до достижения заданной точности.

Для повышения оперативности и точности оценки местоположения наземного источника радиоизлучения разработан алгоритм, основанный на использовании многомерного расширенного фильтра Калмана. В вектор состояния фильтра включены измеряемые углы азимута и места и не измеряемая дальность до ИРИ. Учитываются взаимосвязи между этими параметрами, использовано расширения вектора состояния.

Предложен новый алгоритм, основанный на проверке статистических гипотез о начальной дальности до источника радиоизлучения, который позволяет уменьшить время достижения заданной точности и повысить вероятность достижения заданной точности за заданное время. Алгоритм построен на наборе одномерных фильтров Калмана, в каждом из которых используется своя гипотеза о начальной дальности до цели. Мерой отличия служит сумма квадратов невязок измерений. За оценку начальной дальности

принимается та гипотеза, которая соответствует фильтру с минимальным значением суммы квадратов невязок. Блок схема алгоритма представлена на рисунке 1.

4 г

Вычисление горизонтальной скорости Л/г

> Г

О •->

Определение экстраполяции ковариационной матрицы ошибок Р1/0

Вычисление матрицы коэффициента усиления К*

Вычисление экстраполяции вектора состояния .1Р1/1-1

Вычисление ковариационной матрицы ошибок оценки вектора состояния Р|

Задание начального значения дальности Ок/о

I______

Определение | экстраполяции I вектора состояния | системы Х1/0 ■ |

15

Вычисление значения дальности Рк/|

Вычисление экстраполяции вектора состояния

Х1/1-1

Вычисления оценки состояния

Л

Вычисление суммы Ё 4 квадратов невязок |

Определение фильтра по минимуму суммы квадратов невязок

Рисунок 1 Блок схема алгоритма проверки статистических гипотез о начальной дальности до ИРИ 12

Получены аналитические зависимости, связывающие время, точность измерения пеленгов, ошибки прогнозирования и вероятность достижения заданной точности оценки местоположения источника радиоизлучения. Одна из них показана на рисунке 2.

Рисунок 2 Зависимость вероятности достижения заданной точности оценивания местоположения источника радиоизлучения от относительной ошибки прогнозирования и числа измерений

Так, например, при отношении квадрата ошибки прогнозирования к дисперсии ошибки измерения г2=0,1 для обеспечения вероятности достижения заданной точности оценки местоположения источника радиоизлучения 0,9 необходимо более 650 измерений (при частоте измерений 10 герц - 65 секунд).

В третьей главе проведен анализ натурных реализаций, приведены результаты исследования предложенных алгоритмов компьютерным моделированием и на натурных реализациях.

С целью оценки статистических характеристик ошибок измерений

пеленгов проведен анализ натурных реализаций, зарегистрированных в

13

процессе выполнения нескольких исследовательских полетов, который показал, что: 1) ошибки измерений имеют нормальное распределение; 2) математические ожидания ошибок измерений не превышают: азимутального угла - 0.6 град, угла места - 1.1 град.; 3) среднеквадратические отклонения ошибок измерения азимутального угла и угла места составляют 0.4-0.6 градусов; 4) корреляционные функции ошибок измерений носят экспоненциальный характер с интервалами корреляции порядка 2-3 секунд.

Для проведения исследований различных методов и алгоритмов определения местоположения ИРИ, оценки временных и точностных характеристик их работы было создано специализированное программное обеспечение, построенное по модульному принципу и представляющее собой функционально законченный продукт, на который получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Результаты исследований показали, что алгоритм проверки статистических гипотез о начальной дальности до источника радиоизлучения позволяет сократить в 1,3-3,0 раза время достижения заданной точности по сравнению с многомерным фильтром Калмана и 2.5-5,0 раз по сравнению с экспоненциальной фильтрацией. Так, например, при дальности до источника радиоизлучения порядка 100 км и СКО ошибок измерения пеленгов 1 градус для экспоненциального фильтра время достижения 10% точности составляет 160 секунд, для многомерного расширенного фильтра Калмана 120 секунд, а для алгоритма проверки статистических гипотез о начальной дальности до ИРИ 45 секунд.

Как показал проведенный анализ натурных реализаций, измерения углов

азимута и места могут иметь систематические ошибки и быть, кроме того,

коррелированы. С целью оценки влияния этих факторов на вероятность

достижения заданной точности оценивания дальности до источника

радиоизлучения был проведен ряд исследований, которые показали, что

наличие систематической ошибки незначительно влияет на вероятность

достижения заданной точности оценки дальности. Так, например, при

14

дальности до источника радиоизлучения 100 км, СКО ошибки пеленгации в 1 градус спустя 60 секунд вероятность достижения 10% точности при отсутствии систематической ошибки равна 1,00, а при её наличии 0,97. При коррелированных ошибках время достижения 10% точности увеличивается. Например, при дальности 100 км и точности измерения пеленгов 1 градус оно составило 90 секунд, тогда как при некоррелированных ошибках 45 секунд. Проведены исследования при наличии на борту летательного аппарата нескольких пеленгаторов. Обработка информации от всех имеющихся пеленгаторов позволяет сократить время достижения заданной точности на 20% при двух пеленгаторах, и на 40-50% при шести пеленгаторах.

Проведено исследование работы алгоритма проверки статистических гипотез о начальной дальности до ПРИ на натурных реализациях, которое показало его работоспособность и подтвердило результаты, полученные при компьютерном моделировании. Сравнение с экспоненциальной фильтрацией показало, что время достижения заданной точности оценивания дальности до ИРИ уменьшается примерно в три раза (на рисунке 3 - с 68 до 17 секунд).

При проведении исследований сравнивалось время достижения заданной точности оценивания дальности до ИРИ, полученное экспериментально и рассчитанное в соответствии с предложенной методикой. Результаты сравнения приведены на рисунке 4. Следует отметить хорошее их совпадение.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

Дальность до цели

-.150

а)

Дальность до цели

Время

б)

О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 2*0 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 «60 500 520 540 S60 580 600 620 640 660 680 700 720 740 760 780 600

В)

Рисунок 3 Временная диаграмма оценивания дальности до ИРИ для файла 153-1: а - алгоритм проверки статистических гипотез, б -алгоритм экспоненциальной фильтрации, в - оценки процентов выполнения задачи (в 10 отсчетах - 1 секунда)

Дальность, км

Рисунок 4. Время достижения заданной точности оценивания дальности до ИРИ, полученное экспериментально и рассчитанное в соответствии с предложенной методикой

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях.

Статьи в периодических рецензируемых научных изданиях из перечня российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук:

1 Вызов А.Н., Петров Ю.В.. Определение местоположения источника радиоизлучения пассивными средствами летательного аппарата / А.Н. Вызов, Ю.В. Петров // Вопросы радиоэлектроники, серия РЛТ. - 2014. -№ 4. 47-56 с.

2 Вызов А.Н., Петров Ю.В. и др. Анализ влияния дестабилизирующих факторов на искажения траекторных сигналов в бортовом радиолокаторе высокого разрешения / А.Н. Вызов, Ю.В. Петров, Н.Ю. Петров, С.А. Юхно. // Вестник Воронежского государственного университета, серия «Системный анализ и информационные технологии», № 1, 2015.

Публикации в других научных изданиях:

1 Вызов А.Н. Анализ ошибок определения дальности до источника излучения с помощью бортового пеленгатора [Текст] / А.Н. Вызов // Молодежь. Техника. Космос: V Общероссийской молодежной науч.-техн. конф./ Балт. гос. техн. ун-т. - СПб.; 2013. - С. 30-31.

2 Вызов А.Н. Анализ применения расширенного фильтра Калмана для определения дальности до источника радиоизлучения [Текст] / А.Н. Вызов // «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций»: матер. 9-й междунар. молодежной науч.-техн. конф. РТ-2013. — Севастополь, 2013. — С. 310.

3 Вызов А.Н. Программа для проведения исследований методов определения местоположения источника радиоизлучения [Текст] / А.Н. Вызов // Молодежь. Техника. Космос: труды VI Общероссийской молодежной науч.-техн. конф. — СПб, 2014. — С. 262.

4 Вызов А.Н. Сравнение пассивных методов определения дальности до источника радиоизлучения с одного самолета [Текст] / А.Н. Вызов, Ю.В. Петров // «Информационные технологии в области науки итехники»: матер. 12-ой открытой науч.-практической. конф.— Санкт-Петербург, 2014. — С. 26.

5 Вызов А.Н. Фильтр Калмана с изменяемой ковариационной матрицей для определения дальности до источника радиоизлучения / А.Н. Вызов // Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций: Материалы 10-ой международной молодежной научн.-техн. конф. -Севастополь: СевНТУ, 2014 - С. 235

Подписано в печать 20.02.2015. Формат 60x84/16. Печать трафаретная. Бумага документная. Усл. Печ. Л. 1.0. Тираж ЮОэкз. Заказ №6. Балтийский государственный технический университет

Типография БГТУ. 190005. Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1.