СПОСОБ РАСПОЗНАВАНИЯ БАЛЛИСТИЧЕСКОЙ ЦЕЛИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОЦЕНОК ПЕРВОГО И ВТОРОГО ПРИРАЩЕНИЙ РАДИАЛЬНОЙ СКОРОСТИ
METHOD FOR BALLISTIC TARGET RECOGNITION USING ESTIMATES OF FIRST AND SECOND RADIAL VELOCITY INCREMENTS

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано в радиолокационных станциях (РЛС) для распознавания неманеврирующих баллистических целей (БЦ). Эту задачу необходимо решать для раннего предупреждения о пусках ракет, а также для минимизации ошибок прогноза баллистической траектории.
Известны способы и устройства распознавания летательных аппаратов (ЛА) по траекторным признакам, к которым относятся значения скорости, ускорения, высоты, а для БЦ - координаты ожидаемых точек ее падения. К недостаткам этих способов и устройств следует отнести возможность перекрытия траекторных признаков баллистических и аэродинамических целей (АЦ) по высоте и по скорости. Кроме того, при ограниченном времени наблюдения к РЛС предъявляются высокие требования к точности измерения параметров движения АЦ и БЦ, которые проблематично реализовать при больших ошибках или невозможности измерения угла места (высоты) и азимута [1].
Известен способ радиолокационного определения времени окончания активного участка баллистической траектории (АУТ) по оценкам скорости изменения произведения дальности на радиальную скорость обнаруженной цели [2]. Решение об окончании АУТ принимают в момент времени, когда знак оценок скорости изменения произведения дальности на радиальную скорость меняется с отрицательного на положительный.
Достоинство способа: высокая вероятность определения времени окончания АУТ при малом интервале сопровождения БЦ, так как не используются измерения угла места и азимута. Недостаток способа: высокая вероятность перепутывания БЦ на АУТ с приближающейся АЦ на участке маневра (разгона), так как оценки скорости изменения произведения дальности на радиальную скорость АЦ на участке ее разгона также отрицательны.
Известен способ и устройство радиолокационного обнаружения маневра баллистической цели на пассивном участке траектории (ПУТ) по оценкам первого приращения произведения дальности на радиальную скорость, определяемым в середине скользящего окна по двум фиксированным выборкам произведений дальности на радиальную скорость разного объема [3, 4]. Решение об окончании и начале маневра БЦ принимают в момент времени, когда абсолютная разность оценок становится больше среднеквадратической ошибки (СКО) определения этой разности.
Достоинство способа: высокая вероятность определения времени начала и окончания маневра при малом интервале сопровождения БЦ, так как не используются измерения угла места и азимута. Недостаток способа: высокая вероятность перепутывания БЦ, находящейся на ПУТ, с неманеврирующей АЦ, так как в обоих случаях абсолютная разность оценок становится меньше СКО определения этой разности.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения, то есть прототипом, является устройство распознавания неманеврирующей БЦ по выборкам произведений дальности на радиальную скорость [5].
Для устранения возможности перепутывания БЦ, находящейся на ПУТ, с неманеврирующей АЦ или другим небаллистическим летательным аппаратом (ЛА) производят комплексирование обнаружителя маневра БЦ на ПУТ, описанного в заявке [4], с обнаружителем маневра ЛА на линейной траектории.
Сущность прототипа поясняется схемой устройства распознавания неманеврирующей БЦ по выборкам из 4-х и 2-х произведений дальности на радиальную скорость, приведенной в фиг.1, где введены следующие обозначения:
1 - умножитель входных сигналов дальности и радиальной скорости;
2 - цифровой нерекурсивный фильтр (ЦНРФ);
2.1 - запоминающее устройство
2.2 - первый блок умножителей;
2.3 - первый сумматор;
2.4 - второй блок умножителей;
2.5 - второй сумматор;
3 - первый делитель;
4 - первое пороговое устройство (ПУ-1);
5 - вычислитель СКО;
6 - второй делитель;
7 - второе пороговое устройство (ПУ-2);
8 - 1 -я схема совпадения;
9 - 2-я схема совпадения;
10 - 3-я схема совпадения.
В умножителе 1 перемножают поступающие на его вход цифровые сигналы дальности и радиальной скорости, получают произведения дальности на радиальную скорость и подают их на вход ЦНРФ.
0
На выходе первого сумматора 2.3 (1-м выходе ЦНРФ) получают абсолютную разность оценок первых приращений произведения дальности на радиальную скорость по выборкам большего (N произведений) и меньшего объема (N - 2 произведений). При этом начало и конец выборки меньшего объема удалены по времени на один период измерения Т (период обзора РЛС) от начала и конца выборки большего объема:
Например, при N=4 оценку первого приращения  в середине «скользящего окна» в каждой выборке вычисляют путем оптимального взвешенного суммирования произведений измеренных значений дальности на измеренные значения радиальной скорости по формулам [5]:
В итоге формула абсолютной разности оценок имеет вид:
2
На выходе второго сумматора 2.5 (2-м выходе ЦНРФ) получают абсолютную разность оценок первых приращений произведения дальности на радиальную скорость |δ| по выборкам большего и меньшего объема. Но, в этом случае, начало выборки меньшего объема совпадает с началом выборки большего объема (началом «скользящего окна»). В итоге формула абсолютной разности оценок имеет вид:
В блоке 6 вычисляют СКО оценки первого приращения  по выборке меньшего объема [6, формула 4.63, С.308]:
где  - СКО измерения радиальной скорости.
При N=4 -
1
1
Затем эту СКО делят блоке 3 на разность |δ| и подают на вход первого порогового устройства 4 для сравнения с порогом П.
2
2
Разность |δ|, полученную на 2-м выходе ЦНРФ, делят в блоке 6 на СКО  и подают на 2-е пороговое устройство 7 для сравнения с порогом П. Значения порогов выбирают в соответствии с заданной вероятностью распознавания БЦ.
Распознавание неманеврирующей БЦ производится по следующему правилу:
- если  и  - неманеврирующая БЦ; (7a)
- если  и  - неманеврирующий ЛА; (7б)
- если  и  - маневрирующие ЛА или (7в) БЦ.
Для реализации этого алгоритма в устройство введены три схемы совпадения (блоки 8, 9 и 10).
При выполнении неравенств (7а) на выходе 1-й схемы совпадения (блок 8) выдается сообщение о том, что наблюдаемая цель является неманеврирующей БЦ. При этом левое неравенство обеспечивает однозначную селекцию неманеврирующей БЦ от всех маневрирующих ЛА, в том числе от маневрирующих БЦ. Правое неравенство обеспечивает однозначную селекцию неманеврирующей БЦ от всех неманеврирующих ЛА на линейной траектории.
При выполнении неравенств (7б) на выходе 2-й схемы совпадения (блок 9) выдается однозначное сообщение о том, что наблюдаемая цель является неманеврирующим небаллистическим объектом. В зависимости от высоты и скорости это могут быть самолеты, ГЗКР, ИСЗ и т.д.
При выполнении неравенств (7в) на выходе 3-й схемы совпадения (блок 9) выдается сообщение о том, что наблюдаемая цель является маневрирующим объектом. При этом выявляются все типы маневра (по скорости, по курсу, по высоте, по скорости и курсу и др.). Для уточнения типа маневрирующего объекта нужно использовать дополнительные траекторные или сигнальные признаки.
Достоинство прототипа: высокая вероятность распознавания неманеврирующей баллистической цели, то есть устранение возможности перепутывания ее с небаллистическими неманеврирующими летательными аппаратами (самолетами, гиперзвуковыми крылатыми ракетами и др.).
Недостатки прототипа:
- не определяется на каком участке траектории, то есть на восходящей или нисходящей ветви траектории, находится БЦ;
- на высотах до 30 км снижается вероятность распознавания из-за действия аэродинамической силы сопротивления воздуха.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение вероятности распознавания БЦ на высотах до 30 км, то есть в плотных слоях атмосферы, без использования измерений угла места и азимута, а также определение типа участка траектории, на котором находится БЦ.
Этот технический результат достигается тем, что в заявляемом способе распознавания баллистической цели с использованием оценок первого и второго приращений радиальной скорости так же, как в прототипе, измеряют дальность и радиальную скорость ЛА в цифровом виде. Далее перемножают измеренные значения дальности на радиальную скорость. Автосопровождение ЛА осуществляют в «скользящем окне», содержащем фиксированную выборку из N произведений дальности на радиальную скорость. В каждом положении «скользящего окна» определяют оценку первого приращения произведения дальности на радиальную скорость путем суммирования выборки из N произведений дальности на радиальную скорость  с весовыми коэффициентами  по формуле:
Полученные оценки  используют при распознавании БЦ.
В отличие от прототипа, согласно заявленного изобретения, в «скользящем окне» оценивают первое приращение радиальной скорости  путем суммирования содержащихся в «скользящем окне» N цифровых сигналов радиальной скорости с весовыми коэффициентами  по формуле:
Одновременно оценивают второе приращение радиальной скорости  путем суммирования содержащихся в «скользящем окне» N цифровых сигналов радиальной скорости  с весовыми коэффициентами  по формуле
cp
В итоге с использованием измеренных значений дальности r и радиальной скорости  в середине скользящего окна, оценок первого и второго приращений радиальной скорости  вычисляют оценку вертикальной скорости  ЛА в середине скользящего окна по формуле:
где дальность измеряется в метрах, радиальная скорость, ее первое и второе приращения в метрах в секунду.
Коэффициент 0,102 в формуле (9) получен путем деления единицы на ускорение силы тяжести на поверхности Земли
Далее вычисляют среднеквадратическую ошибку (СКО) определения вертикальной скорости  по формуле:
где  - среднеквадратическая ошибка измерения радиальной скорости.
Затем сравнивают отношение оценки вертикальной скорости к СКО этой оценки с порогом П, величину которого выбирают в соответствии с заданной вероятностью распознавания баллистической цели (БЦ). Решение о нахождении ЛА на восходящей или нисходящей ветви пассивного участка баллистической траектории (ПУТ), либо на активном разгонном участке траектории (АУТ), либо на участке аэродинамического маневра с торможением (AM) принимают по следующему правилу:
- если  и , то БЦ на восходящей ветви ПУТ;
- если  и , то БЦ на нисходящей ветви ПУТ;
- если , , то БЦ на АУТ;
- если , , то БЦ на AM;
- если , то небаллистический летательный аппарат.
Для подтверждения реализуемости заявленного технического результата в таблице 1 приведены результаты распознавания ракеты «Атакмс» с дальностью стрельбы 190 км предлагаемым способом на различных участках траектории при следующих исходных данных:
- РЛС типа «Резонанс»  находится в точке падения;
0
- оценивание параметров производится по выборкам из пяти измерений радиальной скорости (N=5), период обзора Т=5 с.
Предполагается, что отсутствуют пропуски измерений радиальной скорости. Оценки первого приращения произведения дальности на радиальную скорость и приращений радиальной скорости вычисляются в этом случае по формулам:
Результаты расчетов приведены в таблице 1.
i
Как видно из таблицы, на активном разгонном участке траектории, продолжающемся до 30 с полетного времени t, вертикальная скорость ракеты оценивается с большим отрицательным смещением, то есть оценки  противоположны по знаку истинным значениям вертикальной скорости  и превышают эти значения в десятки раз. Оценки первого приращения произведения дальности на радиальную скорость  также отрицательны.
В начале пассивного участка при отсутствии в выборке измерений с АУТ вертикальная скорость ракеты оценивается с положительным смещением, в разы превышающем ее истинное значение. Это смещение обусловлено действием аэродинамической силы сопротивления воздуха. В итоге вероятность распознавания БЦ приближается к единице, так как отношение .
В таблице 2 приведены результаты анализа вероятности распознавания ракеты «Атакмс» на нисходящей ветви траектории. При этом с 170-й секунды полета начинается аэродинамический маневр, то есть торможение ракеты. РЛС находится в 200 км за точкой падения.
Как видно из таблицы 2, на высотах более 35 км смещение оценки уменьшается существенно  из-за малой плотности воздуха. На меньших высотах смещение возрастает с увеличением дальности. На участке аэродинамического маневра смещение оценок может быть на порядок больше истинных значений. Оценки первого приращения произведения дальности на радиальную скорость  на всем пассивном участке положительны, на участке аэродинамического маневра существенно возрастают, а на активном участке траектории отрицательны.
Характер изменения во времени значений вертикальной скорости, ее оценок и высоты БЦ при нахождении РЛС в точке падения наглядно иллюстрируется графиками фиг.2.
В фиг.3 представлена упрощенная схема устройства реализации заявленного способа. Основу этого устройства образуют ЦНРФ оценивания первого и второго приращений радиальной скорости (блоки 3 и 4), выходы которых подключены к вычислителю вертикальной скорости (блок 5). В блоке 6 по результатам сравнения отношения оценки вертикальной скорости к ее СКО, вычисляемой в блоке 7, с порогом, а также учета знака оценки первого приращения произведения дальности на радиальную скорость, полученной в ЦНРФ блока 1, осуществляется селекция БЦ от других типов летательных аппаратов.
Таким образом, доказана реализуемость заявленного технического результата: повышена вероятность распознавания БЦ на высотах до 30 км, то есть в плотных слоях атмосферы, без использования измерений угла места и азимута, а также определяется тип участка траектории, то есть активный, пассивный и участок аэродинамического маневра, на котором находится баллистическая цель.
Список использованных источников
1. Методы радиолокационного распознавания и их моделирование / Я.Д. Ширман, С.А. Горшков, С.П. Лещенко, Г.Д. Братченков, В.М. Орленко // Зарубежная радиоэлектроника, №11, 1996 г., С.3-63.
2. Патент RU 2509319. Способ радиолокационного определения времени окончания активного участка баллистической траектории.
3. Патент RU 2524208. Способ радиолокационного обнаружения маневра баллистической цели на пассивном участке траектории.
4. Патент RU №2635657. Обнаружитель маневра баллистической ракеты по фиксированной выборке произведений дальности на радиальную скорость.
5. Патент RU №171271 (полезная модель). Устройство распознавания неманеврирующей баллистической ракеты по выборкам произведений дальности на радиальную скорость.
6. Кузьмин С.З. Цифровая обработка радиолокационной информации. -М.: «Радио и связь», 1967, 395 с.
7. Вооружение ПВО и РЭС России. Альманах. М.: Издательство НО «Лига содействия оборонным предприятиям», 2011, 504 с.