Устройство распознавания неманеврирующей баллистической ракеты по выборкам произведений дальности на радиальную скорость

Полезная модель относится к радиолокации и может быть использована в радиолокационных станциях (РЛС) для распознавания неманеврирующих баллистических ракет (БР) на невозмущенной баллистической траектории. Эту задачу необходимо решать для раннего предупреждения о пусках ракет, а также для того, чтобы не допустить появления методических ошибок определения параметров баллистической траектории. В частности, координаты точки падения ракет малой и средней дальности, вычисленные по радиолокационным измерениям, произведенным на участке маневра, могут определяться с недолетом или перелетом от нескольких десятков до нескольких сотен километров.
Известны способы и устройства распознавания летательных аппаратов (ЛА) по траекторным признакам, к которым относятся значения скорости, ускорения, высоты, а для БР - координаты ожидаемых точек падения. К недостаткам этих способов и устройств следует отнести возможность перекрытия траекторных признаков баллистических и аэродинамических целей (АЦ и БЦ) по высоте и по скорости. Кроме того, к РЛС предъявляются высокие требования к точности измерения параметров движения АЦ и БЦ при ограниченном времени наблюдения. Эти требования проблематично реализовать при грубых измерениях азимута и угла места [1].
Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели, то есть прототипом, является способ радиолокационного обнаружения маневра БЦ на пассивном участке траектории (ПУТ) по выборке произведений дальности на радиальную скорость и устройство обнаружения маневра (УОМ), описанное в патенте №2524208 [2].
Достоинством прототипа является высокая вероятность обнаружения маневра на ПУТ, то есть распознавания неманеврирующей БР среди других классов маневрирующих летательных аппаратов (маневрирующих БР, гиперзвуковых крылатых ракет (ГЗКР), самолетов) за счет устранения влияния ошибок измерения азимута и угла места.
Сущность распознавания неманеврирующей БР способом-прототипом поясняется схемой обнаружителя маневра по выборкам из 4-х и 2-х произведений дальности на радиальную скорость, приведенной на фиг. 1.
0
В РЛС измеряют дальность и радиальную скорость в цифровом виде, производят перемножение этих сигналов и получают произведения дальности на радиальную скорость. Автосопровождение цели осуществляют в «скользящем окне» из 4-х произведений дальности на радиальную скорость . В «скользящем окне» формируют две фиксированные выборки из полученных произведений, при этом выборка меньшего объема из 2-х произведений  входит в состав выборки большего объема из 4-х произведений . При этом начало и конец выборки меньшего объема удалены по времени на один период измерения (период обзора РЛС T) от начала и конца выборки большего объема, то есть от краев «скользящего окна». В каждой выборке вычисляют сглаженное значение, то есть оценку, первого приращения  в середине «скользящего окна» путем оптимального взвешенного суммирования произведений измеренных значений дальности на измеренные значения радиальной скорости по формулам:
0
Затем эти оценки делят на T и получают оценки скорости изменения произведения дальности на радиальную скорость  и . Далее вычисляют абсолютную разность этих оценок  и делят ее на СКО оценки в выборке меньшего объема .
В каждом новом положении «скользящего окна» сравнивают отношение  порогом K. Если это отношение меньше порога, принимают решение об отсутствии маневра. Решение об обнаружении маневра принимают в момент времени, когда значение полученного отношения абсолютного приращения оценок скорости изменения произведения дальности на радиальную скорость к СКО оценки становится больше порога. Это обусловлено тем, что при отсутствии маневра значение абсолютной разности  мало, а с началом маневра это значение возрастает скачком из-за появления ускорений по горизонтальным декартовым координатам и отличием вертикального ускорения от ускорения силы тяжести.
Как показано в табл. 3 (фиг. 7) описания патента №2524208 [2], маневр ракеты «Атакмс», то есть ее распознавание среди маневрирующих целей, обнаруживается способом-прототипом с вероятностью, близкой единице. В известном способе обнаружения маневра по абсолютному приращению скорости изменения горизонтальной координаты (смотри табл. 2) маневр практически не обнаруживается при грубых измерениях азимута и угла места.
К недостаткам прототипа следует отнести невозможность селекции (распознавания) неманеврирующей БР от неманеврирующих летательных аппаратов, летящим по линейной траектории (самолеты, искусственные спутники Земли (ИСЗ), ГЗКР и др.). Это обусловлено тем, что разность  близка нулю для всех этих типов ЛА из-за отсутствия ускорений по координатам.
Техническим результатом полезной модели является повышение вероятности распознавания неманеврирующей БР как от неманеврирующих, так и от маневрирующих летательных аппаратов.
Указанный технический результат достигается тем, что заявленное устройство распознавания неманеврирующей баллистической ракеты по выборкам произведений дальности на радиальную скорость содержит, как и прототип, последовательно соединенные умножитель входных сигналов, цифровой нерекурсивный фильтр (ЦНРФ), включающий запоминающее устройство из N-1 линий задержки или других устройств задержки на период измерения дальности и радиальной скорости, первый блок умножителей из N-1 или из N умножителей, где N - объем выборки произведений дальности на радиальную скорость, второй блок умножителей и два сумматора, а также первый делитель, второй вход которого соединен с выходом вычислителя среднеквадратической ошибки (СКО), первый вход которого подключен к входным сигналам дальности, выход первого делителя подключен к первому входу порогового устройства, на второй вход которого подается пороговый сигнал. Второй выход ЦНРФ соединен с входом второго делителя.
В отличие от прототипа, согласно полезной модели, первый и второй блоки умножителей содержат одинаковое количество умножителей. Первый выход ЦНРФ соединен с входом первого делителя. Второй вход вычислителя СКО подключен к входным сигналам радиальной скорости. Выход второго делителя подключен к первому входу дополнительно введенного второго порогового устройства, на второй вход которого подается пороговый сигнал. Выходы пороговых устройств подключены к входам трех дополнительно введенных схем совпадения, выходы которых являются выходами заявленного устройства. При этом на выходе первой схемы совпадения формируют сообщение о том, что сопровождаемая цель является неманеврирующей баллистической ракетой, на выходе второй схемы совпадения - неманеврирующим небаллистическим летательным аппаратом, а на выходе третьей схемы совпадения - маневрирующим летательным аппаратом.
Сущность заявленной полезной модели поясняется схемой устройства распознавания неманеврирующей БР по выборкам из 4-х и 2-х произведений дальности на радиальную скорость, приведенной на фиг. 2, где введены следующие обозначения:
1 - умножитель входных сигналов дальности и радиальной скорости;
2 - 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
В отличие от прототипа, на выходе первого сумматора 2.3 (1-м выходе ЦНРФ) получают абсолютную разность оценок первых приращений произведения дальности на радиальную скорость по выборкам большего и меньшего объема. При этом начало и конец выборки меньшего объема удалены по времени на один период измерения (период обзора РЛС T) от начала и конца выборки большего объема:
Для того чтобы получить значение  на выходе сумматора 2.3 для первого блока умножителей заранее вычисляют весовые коэффициенты из разности выражений (1) и (2):
Запоминающее устройство 2.1, первый умножитель 2.2 и первый сумматор 2.3 работают так же, как в прототипе. Текущее произведение  умножают в блоке 2.2 на весовой коэффициент 0,3 и подают на сумматор 2.3. Произведения, полученные в предыдущих обзорах  и задержанные на один, два и три обзора, умножают на свои весовые коэффициенты (-0,9, 0,9 и -0,3) и подают одновременно с текущим произведением  на сумматор 2.3. В итоге на выходе первого сумматора получают разность.
В блоке 6 вычисляют СКО оценки первого приращения по выборке меньшего объема:  [3, формула 4.63, с. 308]. Затем эту СКО делят в блоке 3 на разность  и подают на вход первого порогового устройства.
В отличие от прототипа, на выходе второго сумматора 2.5 (2-м выходе ЦНРФ) получают абсолютную разность оценок первых приращений произведения дальности на радиальную скорость по выборкам большего и меньшего объема. Но, в этом случае, начало выборки меньшего объема совпадает с началом выборки большего объема (началом «скользящего окна»).
Весовые коэффициенты для второго блока умножителей вычисляют из разности выражений  и . В итоге получают весовые коэффициенты для второго блока умножителей 2.4 (0,3; 0,1; -1,1; 0,7).
Разность , полученную на 2-м выходе ЦНРФ, делят в блоке 6 на СКО  и подают на второе пороговое устройство.
В итоге на выходе ПУ-1 выдается сообщение о наличии или отсутствии маневра на баллистической траектории (на ПУТ), а на выходе ПУ-2 выдается сообщение о наличии или отсутствии маневра на линейной траектории.
Распознавание неманеврирующей БР производится по следующему алгоритму:
Для реализации этого алгоритма в устройство введены три схемы совпадения (блоки 8, 9 и 10).
При выполнении неравенств (5а) на выходе 1-й схемы совпадения (блок 8) выдается сообщение о том, что наблюдаемая цель является неманеврирующей баллистической ракетой. При этом левое неравенство обеспечивает однозначную селекцию неманеврирующей БР от всех маневрирующих ЛА, в том числе от маневрирующих БР. Правое неравенство обеспечивает однозначную селекцию неманеврирующей БР от всех неманеврирующих ЛА на линейной траектории.
При выполнении неравенств (5б)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 (5в) 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 объекта нужно использовать дополнительные траекторные или сигнальные признаки.
Таким образом, заявленный технический результат достигается за счет совместного использования обнаружителя маневра на пассивном участке баллистической траектории и обнаружителя маневра на линейной траектории по выборкам произведений дальности на радиальную скорость.
Для доказательства реализуемости заявленного технического результата на графиках фиг. 4, 6 и 8 приведены результаты оценки вероятности распознавания тактической (ТБР), оперативно-тактической (ОТБР) и баллистической ракеты средней дальности (БРСД) в РЛС метрового диапазона «Резонанс-Н» с грубыми измерениями угла места и азимута , дальности  и высокоточными измерениями радиальной скорости  [4].
Как видно из табл. 1, фиг. 3 и табл. 2, фиг. 5, значения высоты и скорости ТБР, ОТБР и самолетов перекрываются. В заявленном устройстве ТБР распознается с высокой вероятностью  через четыре обзора (20 секунд) после окончания активного участка траектории (АУТ). ОТБР «Атакмс» также распознается с высокой вероятностью на пассивном участке, а маневр на конечном участке траектории обнаруживается практически без запаздывания (фиг. 6). Как видно из фиг. 8, БРСД «Дунфэн-21» распознается с вероятностью, близкой единице, так как на ПУТ значения отношений  и  на входах первого и второго пороговых устройств находятся в пределах от пяти до тридцати, а момент окончания АУТ фиксируется через четыре обзора (фиг. 8). В этом случае неманеврирующая БР распознается на фоне неманеврирующих и маневрирующих искусственных спутников Земли.
Таким образом, достигнут технический результат заявленной полезной модели: повышена вероятность распознавания неманеврирующей БР как от неманеврирующих, так и от маневрирующих летательных аппаратов.
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 №2524208. Способ радиолокационного обнаружения маневра баллистической цели на пассивном участке траектории.
3. Кузьмин С.З. Цифровая обработка радиолокационной информации. - М.: «Радио и связь», 1967, 395 с.
4. Вооружение ПВО и РЭС России. Альманах. М.: Издательство НО «Лига содействия оборонным предприятиям», 2011, 504 с.