АДАПТИВНЫЙ СПОСОБ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ОТОЖДЕСТВЛЕНИЯ ПЕЛЕНГОВ С НАЗЕМНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
ADAPTIVE METHOD OF SPATIAL IDENTIFICATION OF BEARINGS WITH GROUND RADIO SOURCES AND SYSTEM FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к пассивной радиолокации. Преимущественно может использоваться в одно- и многопозиционных системах воздушного радиомониторинга для повышения эффективности отождествления пеленгов с наземными источниками радиоизлучения (ИРИ).
Современные наземные ИРИ используют радиосигналы с псевдослучайно изменяемыми параметрами (несущая частота, длительность и период повторения импульсов, параметры модуляции и др.). Это обстоятельство затрудняет, а в ряде случаев исключает возможность использования указанных данных для идентификации с ними пеленгов, измеряемых воздушными однопозиционными угломерными системами при решении задач радиомониторинга.
В этой связи возникает объективная необходимость использования для отождествления пеленгов с ИРИ координатной информации, инвариантной к изменению радиотехнических параметров сигналов.
Задача отождествления пеленгов с наземными ИРИ по координатной информации может быть решена способами, приведенными в [1] (выбран в качестве прототипа), а также в [2, 3].
Основные недостатки прототипа:
- радиус доверительной области (ДО) ИРИ в процессе обработки пеленгов не адаптируют к текущей точке пеленгования, а используют вычисленный применительно к точке пеленгования на траверзе радиус для отождествления пеленгов, измеренных из других точек. При этом значительное количество пеленгов, в первую очередь полученных в точках измерения, дальность до ИРИ из которых существенно больше расстояния до источников радиоизлучения по линии траверза, с ними не отождествляется;
- построение ДО ИРИ и отождествление пеленгов выполняют не в реальном масштабе времени, а после получения группы пеленгов.
Заявляемый способ обладает следующими основными преимуществами:
- адаптацией радиуса ДО ИРИ применительно к текущей точке пеленгования с учетом взаимного пространственного положения точек пеленгования и координат центра ДО, благодаря которой (адаптации) обеспечивается заданная достоверность (доверительная вероятность) попадания истинного пеленга в соответствующую ДО;
- последовательной обработкой измеренных пеленгов в реальном масштабе времени;
- более высокой вероятностью правильного отождествления пеленгов и оперативностью решения воздушными одно- и многопозиционными угломерными системами задач радиомониторинга.
Предлагаемый способ может использоваться как на этапе первичного (при отсутствии данных о местоположении (МП) ИРИ), так и вторичного (при наличии оценочных значений МП ИРИ или предварительно сгруппированных пеленгов) отождествления пеленгов.
Одновременно предлагается система пространственного отождествления пеленгов (в горизонтальной плоскости) с наземными источниками радиоизлучения, реализующая этот способ.
Сущность заявляемого способа поясняется на примере пеленгования однопозиционной воздушной системой радиомониторинга одного ИРИ (фигура 1).
i
i
Летательный аппарат (ЛА), оснащенный станцией радиомониторинга (СРМ), осуществляет прямолинейный полет по заданному маршруту. В процессе полета бортовая СРМ последовательно осуществляет пеленгование наземного неподвижного ИРИ из точек x для определения пеленгов по азимуту α, где
L - база пеленгования.
i
i
После измерения первого пеленга производится запоминание его значения и координат точки пеленгования (координат x, y ЛА в момент измерения первого пеленга).
1
2
оп
оп
При поступлении второго пеленга его значение и координаты соответствующей ему точки пеленгования также запоминаются. Затем выполняется вычисление угла пересечения первого и второго пеленгов γ=|α-α| и проверка удовлетворения значения данного угла условию 30°<γ=γ<120°, где γ - угол пересечения опорных пеленгов.
Если параметры первого и второго пеленгов не соответствуют данному условию, то этой же процедуре подвергаются очередные (вновь полученные) пеленги до тех пор, пока угол пересечения текущего пеленга с первым не попадет в указанный диапазон. Применительно к фигуре 1, (i-1)-й пеленг пересекается с первым, но не удовлетворяет заданному условию и поэтому не становится вторым опорным.
После попадания угла γ в указанный диапазон углов пересечения, оба пеленга (на фиг. 1 это 1-й и i-й пеленги для заявляемого способа, 1-й и (i+1)-й пеленги для способа-прототипа) считаются опорными, и производится оценка опорных координат ИРИ как точки их пересечения по формулам
12
1оп
2оп
где L - расстояние между 1-й и 2-й опорными точками нахождения ЛА в момент пеленгования, α и α - опорные пеленги на ИРИ из 1-й и 2-й опорных точек измерения соответственно.
Оцениваемые по двум опорным пеленгам координаты ИРИ используются для определения (задания) центра и радиуса ДО, а также вычисления оценочных значений дальностей до ИРИ из текущих точек пеленгования.
до
дов мп
Радиус доверительной области R, в которую попадают с заданной доверительной вероятностью (достоверностью) Р координаты истинного местоположения (МП) ИРИ (истинные пеленги), рассчитывается с использованием формулы [4]
где ρ - расстояние от центра ДО до точки истинного МП ИРИ,
α
σ - среднеквадратическая ошибка измерения пеленгов, D - дальность до ИРИ из точки пеленгования.
дов мп
дов мп
доi
Задавая Р, например, для Р=0,9, получаем выражение для расчета R применительно к каждой текущей (i-й) точке пеленгования
i
где D - дальность до ИРИ из текущей (i-й) точки пеленгования,
до
Радиус R ДОдля всех точек пеленгования в способе-прототипе вычисляется по формуле
т
где D - дальность до ИРИ по линии траверза.
доi
дoi
до
Из выражений (4) и (5) следует, что радиус ДО в заявляемом способе изменяется в зависимости от точки пеленгования: R=var, а в способе-прототипе остается одним и тем же для всех точек пеленгования: R=R=const.
Далее реализуется алгоритм отождествления ранее поступивших и очередных (вновь полученных) пеленгов с ИРИ, включающий следующие операции:
а
доi
- вычисление по известным координатам точки измерения пеленга, оценочным (опорным) значениям МП ИРИ и σ по формуле (4) радиуса доверительной области R для текущей точки пеленгования;
доi
i
i1
i2
i1
i2
- определение по известным координатам точки измерения пеленга, вычисленному R и оценочным значениям координат ИРИ углового размера ДО (сектора) Δβ=|β-β|, где β, (β) - угол наклона первой (второй) касательной к ДО из i-й точки пеленгования, в пределах которого происходит попадание в нее пеленга, измеренного из текущей точки пеленгования;
i1
i
i2
- проверку условия попадания пеленга на ИРИ из текущей точки пеленгования в пределы сектора β≤α≤β;
- отождествление пеленга, удовлетворяющего указанному условию, с ИРИ.
Проверка работоспособности и оценка эффективности предлагаемого технического решения проводились путем статистического имитационного моделирования на ЭВМ применительно к пеленгованию одного ИРИ.
Моделирование осуществлялось путем задания координат точек пеленгования и наземного ИРИ, по которым рассчитывались пеленги на него. К вычисленным пеленгам добавлялись ошибки их измерения. Отождествление пеленгов, имитирующих измеренные, проводилось заявляемым способом и способом - прототипом для восемнадцати вариантов исходных данных:
а
- СКО измерения пеленгов σ=0,3°:
т
1) значение отношения дальности до ИРИ по линии траверза к базе D/L=0,1 и количество пеленгов I=5, 15, 31 шт.;
т
2) D/L=0,3 и I=5, 15, 31 шт.;
т
3) D/L=0,6 и I=5, 15, 31 шт.;
a
- СКО измерения пеленгов σ=3,0°:
т
1) D/L=0,1 и I=5, 15, 31 шт.;
т
2) D/L=0,3 и I=5, 15, 31 шт.;
т
3) D/L=0,6 и I=5, 15, 31 шт.
Качество отождествления пеленгов оценивалось вероятностью их правильного отождествления  равной относительной частоте (отношение числа пеленгов, попадающих в ДО ИРИ, к общему числу измеренных на него пеленгов), а эффективность Э - отношением  где  вероятность правильного отождествления заявляемым способом,  вероятность правильного отождествления способом - прототипом.
Результаты оценки  и сравнительной эффективности Э предлагаемого способа и способа-прототипа, полученные путем статистического имитационного моделирования на ЭВМ в 100 опытах, а также данные по их надежности (достоверности) и точности приведены на фигурах 2-9 (сплошная линия относится к заявляемому способу, пунктирная - к способу-прототипу, а графики 1, 2, 3 - к значениям количества пеленгов I=5, 15, 31 шт. соответственно) и в таблицах 1-8.
а
т
На фигурах 2, 3 и в таблицах 1, 2 приведены результаты оценки вероятности правильного отождествления пеленгов заявляемым способом и прототипом для значений σ=0,3°; 3,0°, D/L=0,1 и I=5, 15, 31 шт.
Анализ представленных на графиках (фигуры 2, 3) и в таблицах 1, 2 данных показывает, что по вероятности правильного отождествления пеленгов заявляемый способ превосходит прототип в 1,5 раза при I=5 шт., в 1,8 раза при I=15 шт. и в 2,1 раза при I=31 шт.
Превосходство предлагаемого способа возрастает по мере увеличения количества обрабатываемых пеленгов и практически не зависит от СКО их измерения. Преимущество заявляемого технического решения достигается благодаря тому, что в нем, в отличие от прототипа, применяется адаптация радиуса (размера) ДО ИРИ к текущей точке пеленгования в соответствии с формулой (4). Размеры ДО ИРИ в способе - прототипе вычисляются по выражению (5) только для точки пеленгования на траверзе и без корректировки применяются для обработки пеленгов, полученных в остальных точках измерения, дальность из значительного числа которых до ИРИ может быть существенно больше расстояния до него по линии траверза. В частности, в анализируемом варианте исходных данных дальность до ИРИ из крайних точек пеленгования превосходит расстояние по линии траверза в 5,1 раза.
а
т
На фигурах 4, 5 и в таблицах 3, 4 представлены результаты сравнительной оценки вероятности правильного отождествления пеленгов для значений σ=0,3°; 3,0°, D/L=0,3 и I=5, 15, 31 шт.
Данные, приведенные на графиках (фигуры 4, 5) и в таблицах 4, 5 свидетельствуют о том, что по вероятности правильного отождествления пеленгов заявляемый способ превосходит прототип примерно в 1, 2 раза во всех вариантах по количеству пеленгов независимо от СКО их измерения.
Преимущество предлагаемого способа достигается за счет, во-первых, адаптации размера ДО ИРИ к текущей точке пеленгования и, во-вторых, благодаря использованию в формуле (4)вычисления радиуса ДО ИРИ математически обоснованного в соответствии с выражением (3) коэффициента пропорциональности, равного 2,146 (применяемый в способе - прототипе аналогичный сомножитель в формуле (5) равен двум).
а
т
На фигурах 6, 7 и в таблицах 5, 6 представлены результаты сравнительной оценки вероятности правильного отождествления пеленгов для значений σ=0,3°; 3,0°, D/L=0,6 и I=5, 15, 31 шт.
Анализ представленных на графиках (фигуры 6, 7) и в таблицах 6, 7 данных показывает, что по вероятности правильного отождествления пеленгов заявляемый способ превосходит прототип примерно в 1,1 раза во всех вариантах по количеству пеленгов независимо от СКО их измерения.
дов мп
Преимущество предлагаемого способа в этом варианте исходных данных достигается благодаря использованию для вычисления радиуса ДО ИРИ оптимального (по критерию доверительной вероятности) коэффициента, равного 2,146 при Р=0,9, вместо применяемого в способе - прототипе аналогичного сомножителя равного двум.
Показатели надежности (достоверности) и точности результатов оценки вероятности правильного отождествления пеленгов заявляемым способом и способом - прототипом для шести наихудших (при наибольших значениях СКО оценки вероятности правильного отождествления) исследованных вариантов, полученные путем статистической обработки данных 100 опытов, представлены на фигурах 8, 9 и в таблицах 7, 8.
дов оц
а
т
На графиках (фигура 8) и в таблице 7 приведены значения СКО, доверительной вероятности Р и доверительных интервалов оценки вероятности правильного отождествления пеленгов заявляемым способом и способом - прототипом для значений σ=0,3°; D/L=0,1 и I=5, 15, 31 шт.
дов оц
а
т
На графиках (фигура 9) и в таблице 8 приведены значения СКО, доверительной вероятности Р и доверительных интервалов оценки вероятности правильного отождествления пеленгов заявляемым способом и способом - прототипом для значений σ=3,0; D/L=0,1; I=5, 15, 31 шт.
Данные на фигурах 8, 9 и в таблицах 7, 8 свидетельствуют о том, что с 95 - процентной достоверностью значения оценок вероятности правильного отождествления пеленгов заявляемым способом и способом - прототипом, полученные путем статистического имитационного моделирования в 100 опытах, находятся в пределах доверительных интервалов:
и  - для четырех из шести наихудших (при наибольших значениях СКО оценки вероятности правильного отождествления) исследованных вариантов;
и  - для двух из шести наихудших вариантов.
На фигуре 10 представлена упрощенная структурная схема системы пространственного отождествления пеленгов с наземными источниками радиоизлучения, реализующей предлагаемый способ, где входные сигналы обозначены цифрами, а выходные - цифрами в квадратных скобках.
i
i
i
Система включает в себя бортовой пеленгатор (БП) для измерения пеленгов по азимуту α на ИРИ, навигационную систему (НС) для определения координат x, y летательного аппарата, устройство запоминания (УЗ), устройство сравнения (УС1), устройство сравнения (УС2), устройство вычисления (УВ1) и устройство вычисления (УВ2).
Перечисленные устройства, за исключением БП и НС, объединены в бортовую вычислительную систему (БВС).
Система работает следующим образом.
i
i
i
Сигналы от наземного ИРИ поступают на вход 1 бортового пеленгатора, измеряющего пеленги по азимуту α на ИРИ, которые с выхода [1] БП подаются на вход 1 УЗ. Одновременно с выхода [1] НС на вход 2 УЗ подаются значения координат точек пеленгованиях x, y.
После измерения первого пеленга УЗ производится запоминание его значения и координат точки пеленгования.
i
i
i
1
2
оп
При поступлении на вход 1 УЗ второго пеленга и координат соответствующей ему точки пеленгования, значения пеленга и координат запоминаются УЗ. Далее значения α, x, y, относящиеся к первому и второму пеленгам, поступают на вход 1 УС1, которое выполняет вычисление утла γ=|α-α| между ними и проверку удовлетворения значения данного угла условию 30°<γ=γ<120°.
Если это условие не выполняется, то система продолжает работать в режиме ожидания поступления очередного пеленга с выхода [1] БП.
После поступления на вход 1 УЗ вновь полученного (очередного) пеленга его параметры запоминаются, затем подаются на вход 1 УС1, которое выполняет вышеперечисленные операции.
оп1(2)
oп1(2)
оп1(2)
i
i
i
iт
iт1
iт2
В случае попадания угла γ в указанный диапазон углов пересечения, соответствующие два пеленга считаются опорными. Значения опорных пеленгов α и соответствующих им координат точек пеленгования x, y с выхода [1] УС1, а также параметры остальных пеленгов α, х, у c выхода [1] УЗ подаются на вход 1 и вход 2 УВ1 соответственно, которое вычисляет опорные координаты  ИРИ по формулам (1, 2), а также радиус ДО согласно (5) и угловой размер ДО Δβ=|β-β| для точки пеленгования по линии траверза (применяется только в прототипе).
i
i
i
i
i1
i2
Далее с выхода [2] УВ1на вход 2 УВ2 поступают значения  а с выхода [1] УЗ на вход 1УВ2 - параметры измеренных пеленгов α, x, y, которое вычисляет угловой размер ДО Δβ=|β-β| для каждой текущей точки пеленгования (применяется в заявляемой системе).
iт1
iт2
i1
i2
i
i
i
Затем с выхода [2] УВ1 на вход 2 УС2 поступают значения β, β, а с выхода [1] УВ2 на вход 3УС2 - β, β. Одновременно с выхода [1] УЗ на вход 1 УС2 подаются параметры измеренных пеленгов α, x, y.
iт1
i
iт2
i1
i
i2
1
1
1
i
i
i
I
I
I
По этим данным УС2 реализует проверку попадания текущих пеленгов в пределы сектора β≤α≤β (применяется только в прототипе) и в пределы сектора β≤α≤β (применяется в заявляемой системе), а также формирует список отождествленных с ИРИ пеленгов и соответствующих им координат точек пеленгования V=[α, х, у; …α, х, у; …α, х, y] в интересах потребителей.
Реализация заявляемого технического решения, включающего адаптацию радиуса ДО ИРИ к текущей точке пеленгования и обработку в реальном масштабе времени, позволит существенно повысить вероятность правильного отождествления пеленгов и, благодаря этому, точность определения МП ИРИ, а также оперативность решения воздушными одно- и многопозиционными угломерными системами задач радиомониторинга.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мельников Ю.П., Попов С.В. Радиотехническая разведка. - М.: Радиотехника, 2008.
2. Гребенников В.Б., Меркулов В.И., Тетеруков А.Г. Алгоритм многоцелевого сопровождения объектов в пассивной многопозиционной радиолокационной системе // Успехи современной радиоэлектроники. 2016. №2.
3. Уфаев В.А. Синтез алгоритмов межпериодной идентификации результатов синхронного многопозиционного пеленгования // Антенны. 2016. Вып. 6 (226).
4. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Определения, теоремы, формулы. М.: Наука, 1974.