СПОСОБ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ В УСЛОВИЯХ ДЕЙСТВИЯ НЕПРЕДНАМЕРЕННЫХ ПОМЕХ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF ESTIMATION OF EFFICIENCY OF RADIOELECTRONIC MEANS IN CONDITIONS OF ACTION OF UNINTENTIAL INTERFERENCE AND SYSTEM THEREFOR

Изобретение относится к области электромагнитной совместимости (ЭМС) радиоэлектронных средств (РЭС), имеющих, в том числе режим приема и осуществляющих совместное функционирование в условиях действия непреднамеренных помех на объекте с ограниченными геометрическими (пространственными) размерами.
Современные РЭС [1] совместно решают задачи, связанные с приемом, обработкой и передачей информации, в том числе и в составе группировки (объекта) [2, 3]. При этом в результате их совместного взаимодействия возникает проблема ЭМС, обусловленная, в частности, существованием «паразитных» электродинамических связей, приводящих к взаимовлиянию РЭС друг на друга по каналам «антенна-антенна», вследствие чего эффективность их функционирования (далее - эффективность) может существенно снижаться [2, 3]. Вместе с тем решение проблемы обеспечения ЭМС без адекватной оценки эффективности каждого РЭС при их совместном функционировании в условиях действия НП по каналам «антенна-антенна» практически невозможно [2]. В этой связи получение такой оценки для РЭС в условиях действия НП по каналам «антенна-антенна» является актуальной задачей.
В общем случае задача оценки эффективности РЭС в условиях действия НП может быть решена способом анализа стохастического процесса смены работоспособных состояний РЭС (выбран в качестве прототипа) [3]. В основе способа-прототипа лежит определение вероятностей перехода РЭС из состояния в состояние, использующееся для дальнейшего расчета его эффективности. Получение таких вероятностей является главным достоинством способа-прототипа, позволяющем численно оценить потенциальную способность РЭС выполнения своих задач в нормальном (работоспособном) состоянии для конкретного момента времени. Однако, гипотеза о марковском характере процесса перехода РЭС из состояния в состояние, предложенная в [3], является определенным допущением, т.к. такие переходы на практике могут реализовываться по разным статистическим законам.
Заявляемый способ обладает следующими основными достоинствами:
1) отсутствием необходимости поиска, а также проведения других необходимых исследований по установлению характера и параметров процесса, адекватно отражающего смену состояний РЭС во времени;
2) универсальностью показателя эффективности, применимого к любому типу РЭС, имеющему, в том числе режим приема, и условиям его функционирования;
3) адекватным и точным учетом непреднамеренного электродинамического влияния РЭС друг на друга по каналам «антенна-антенна», требуемым в интересах оценки эффективности РЭС и обеспечения ЭМС при их совместной работе;
4) возможностью оценки эффективности функционирования РЭС в реальном масштабе времени, начиная с заданного числа циклов (опытов).
Заявляемый способ может быть использован при принятии решений о необходимости применения мер обеспечения ЭМС для РЭС, функционирующих в составе, например, какого-нибудь объекта.
Одновременно, предлагается система для оценки эффективности РЭС, имеющих, в том числе режим приема, реализующая этот способ.
Сущность заявляемого способа поясняется на основе следующих математических моделей.
В общем случае достаточно полной математической моделью технического состояния (ТС), например, i-го РЭС является модель с тремя состояниями [3]:  где  - работоспособное состояние;  - состояние полного отказа;  - состояние временного отказа. Временные отказы  возникают из-за условий работы, имеющих отклонения от заданных, в результате, например, действия преднамеренных и/или непреднамеренных помех. Смена таких состояний может описываться дискретным марковским процессом. Тогда показатель эффективности РЭС W(t), учитывающий ТС РЭС в способе-прототипе, представляется в виде [3]
n
y
yn
n
yn
где P(t)=[p(t)], W(t)=[w(t)],  - векторы-столбцы безусловных вероятностей p(t) технического состояния РЭС и соответствующие им ус-ловные показатели эффективности w(t) в момент времени t, назначаемые экспертным путем.
T
Так как использование формулы (1) на практике является проблематичным, а вычисление безусловных вероятностей P(t) осуществляется с определенными допущениями, объясняемыми марковостью дискретного случайного процесса смены состояний [3], то в предлагаемом способе используется модель ТС с двумя состояниями. Работоспособное состояние  и состояние временного отказа  обусловленное действием НП, а также показатель эффективности, адекватно отражающий смену ТС. Процесс смены ТС анализируемого РЭС показан на фигуре 1.
В качестве показателя эффективности в заявляемом способе предлагается вероятность потенциального выполнения, например, i-ым РЭС своих задач в цикле функционирования, характеризующая его потенциальную способность к решению назначенных задач в условиях действия НП. Этот показатель эквивалентен вероятности  работоспособного состояния  на интервале времени цикла функционирования. Такая вероятность зависит от отношения суммарной длительности времени работоспособного состояния i-го РЭС (суммарный интервал времени, в пределах которого отсутствуют НП, способные преодолеть заданный порог обнаружения) к общей длительности времени работы на прием в цикле функционирования, и может быть представлена в виде
где k - переменная цикла суммирования;
K - количество опытов (число реализаций);
- время (интервал) работы i-го РЭС на прием (длительность интервала работы РЭС в режиме приема) в j-ом цикле функционирования;
- суммарное время действия НП, превысивших установленный порог обнаружения  в k-ой реализации j-го цикла функционирования i-го РЭС, определяемое выражением
Здесь  - временной интервал превышения порога  а-ой НП, не пересекающийся на интервале  с другими НП;
i
L(k, j) - общее количество НП, взаимно не пересекающихся во времени, но преодолевших порог i-го РЭС на интервале ;
i
G(k, j) - общее количество групп НП, образующихся на интервале  в результате случайного взаимного пересечения во времени и превысивших порог i-го РЭС;
g(b)
b
τ(k, w, j) - временной интервал превышения порога b-ой группой НП, представляемый в виде
b
где w - число НП, взаимно пересекающихся во времени в b-ой группе;
- вектор-строка  - моментов времени окончания НП b-ой группы, представляемая выражением
- вектор-строка  - моментов времени начала НП b-ой группы, представляемая выражением
НП
вх_ПУ
вых_ПУ
Пример образования во времени непересекающихся НП (одиночные НП) и взаимно пересекающихся НП (группы НП) на интервале  на выходе порогового устройства (ПУ) показан на фигуре 2 (зависимость напряжений НП U и напряжений на входе и выходе ПУ U, U от времени t).
Суть заявляемого технического решения заключается в последовательной реализации следующих операций:
- определение текущего режима работы и параметров, например, i-го РЭС, являющихся существенными для этого режима с точки зрения задач исследования;
- оценка электромагнитной обстановки в соответствии с выражением (3);
- расчет эффективности, например, i-го РЭС на основе показателя (2).
Реализация способа оценки эффективности на примере i-го РЭС в условиях действия НП осуществляется системой, представленной на фигуре 3, в три этапа.
min
Этап определения текущего режима работы РЭС. На этом этапе определяются установленные рабочие параметры i-го РЭС: время работы на прием в j-ом цикле функционирования  порог обнаружения  минимальное число опытов (реализаций) K=K.
i
ОК_прд
i
ПК_прд
i
ВК_прд
ОК_прд
ПК_прд
ВК_прд
Этап анализа электромагнитной обстановки (ЭМО). После определения текущего режима работы в предлагаемой системе осуществляется анализ ЭМО. Непосредственно анализу предшествует прием и обработка в приемнике (ПРМ) НП, представляющих собой сигналы s(ƒ, t), s(ƒ, t), s(ƒ, t), излучаемые передатчиками (фигура 3). При этом их учет осуществляется как по основным ƒ, так и по побочным ƒ, а также внеполосным ƒ частотам (каналам) передачи [2].
нп
Поступая на вход ПРМ, НП, в зависимости от мощности Р и порогового уровня ПРМ  могут превышать порог, в результате чего может снижаться эффективность РЭС по причине его перехода в состояние временного отказа  (фигура 1). При этом, например, мощность НП от n-го ПРД, поступая на вход m-го ПРМ, может быть представлена в виде [2]
n
где P - мощность на выходе n-го передатчика;
n
G - коэффициент усиления (КУ) передающей антенны;
m
G - КУ приемной антенны;
nп
ƒ - частота НП, создаваемой n-м передатчиком;
ν
k - ν-ый (ν=1, 2, …) коэффициент ослабления НП;
mn
r - кратчайшее расстояние между m-ым приемником и n-ым передатчиком;
0
с - скорость света.
i
ОК_прм
i
ПК_прм
i
ВК_прм
ОК_прм
ПК_прм
ВК_прм
Если в пороговом устройстве ПРМ принимается решение о преодолении НП порога, то в результате могут быть определены временные промежутки, на которых НП в виде s(ƒ, t), s(ƒ, t), s(ƒ, t) по соответствующим каналам приема проникают на выход ПРМ (фигура 3). Здесь ƒ - вектор основных частот ПРМ; ƒ - вектор побочных частот ПРМ; ƒ - вектор внеполосных частот ПРМ.
Этап расчета эффективности. На данном этапе осуществляется вычисление вероятности потенциального выполнения РЭС назначенных задач в цикле его функционирования по формуле (2), которая в классическом ее представлении на примере оценки эффективности i-го РЭС имеет вид
где  - вероятность функционирования i-го РЭС в состоянии временного отказа  (фигура 1), которая в соответствии с геометрической интерпретацией вероятности может быть представлена [4]
g
G
g
G
где S - мера области g, содержащейся в области G, a S - мера всей рассматриваемой области G. Так, в выражении (7) в качестве таких мер могут использоваться, например, длина, площадь и т.д. [4]. Применительно к рассматриваемому случаю в качестве меры областей S и S принята длина отрезка среднестатистического (математического ожидания) результирующего времени превышения порога НП  и, соответственно, длина отрезка времени работы на прием  i-го РЭС в j-ом цикле функционирования. На основании изложенного формула (7) приобретает вид
в которой  определяется выражением
где  - случайная величина (3) для k-ого статистического испытания.
min
В предлагаемом способе число реализаций K достаточно установить не ниже некоторого минимального значения K=K, определяющего заданную точность результатов [5]. При этом точность  искомой оценки вероятности  вычисляемой по формуле (2) при конечном числе K, будет определяться доверительным интервалом Δ, представляемым в виде [5]
(-1)
ДОВ
ДОВ
где Ф(Р) - обратная функция Лапласа для заданной доверительной вероятности Р;
- дисперсия оценки вероятности потенциального выполнения РЭС своих задач в условиях действия НП.
ДОВ
Полученная, таким образом, оценка  используется в качестве собственно вероятностной характеристики  с учетом заданных надежности (определяемой вероятностью Р) и точности (определяемой интервалом ) [5].
Представленная упрощенная структурная схема системы для оценки эффективности РЭС, имеющих, в том числе и режим приема, осуществляет реализацию перечисленных выше трех этапов. Входные сигналы обозначены цифрами, а выходные - цифрами в квадратных скобках (фигура 3).
Система включает в себя РЭС, модуль ввода (MB), измерительное устройство (ИУ), специализированный вычислитель (СВ). Перечисленные устройства, за исключением РЭС, объединены в аппаратно-программный комплекс (АПК).
Система работает следующим образом.
i
ОК_прд
i
ПК_прд
i
ВК_прд
i
ОК_прм
i
ПК_прм
i
ВК_прм
g(b)
b
На входы 10, 11, 12 РЭС поступают НП в виде s(ƒ, t), s(ƒ, t) и s(ƒ, t). На входы 8, 9 РЭС передается информация об установленных параметрах  с выходов 3, 4 модуля ввода (MB). На вход 1 ИУ и вход 15 СВ с выхода 3 MB также приходит информация об установленном параметре  На вход 14 СВ с выхода 2 MB поступает информация о значении параметра K. На входы 2, 3, 4 ИУ с выходов 5, 6, 7 i-го РЭС поступают НП в виде s(ƒ, t), s(ƒ, t), s(ƒ, t), которые превысили  Результаты измеренных интервалов действия таких НП  и τ(k, w, j) подаются с выхода 1 ИУ на вход 13 СВ, где происходит их накопление и обработка (получение ). Результат в виде вероятности потенциального выполнения РЭС своих задач  выводится потребителю.
Проверка работоспособности, а также оценка надежности (достоверности) и точности предлагаемого технического решения проводились путем статистического имитационного моделирования на ЭВМ применительно к функционированию i-го РЭС, имеющего в том числе ПРМ радиолокационного типа.
Моделирование осуществлялось на основе исходных данных для радиолокационного ПРМ, а также для НП, параметры которых влияли на принятие решений о превышении порога  При этом для оценивания i-го РЭС в условиях действия НП при заданных исходных данных вычислялась вероятность
НП
нп
ПО
ЛТ
ДОВ
min
ПО
ЛТ
-6
Исходные данные для моделирования: период работы i-го РЭС на прием в j-ом цикле функционирования  интенсивность потока НП, поступающих на вход ПРМ λ=0,1; 0,2; 0,3; время действия НП, поступающих на вход ПРМ, τ=1 с; относительное значение СКО времени НП на входе ПРМ  относительное значение СКО мощности НП  0,05; 0,075; заданная вероятность правильного обнаружения Р=0,8; заданная вероятность ложной тревоги Р=10; доверительная вероятность Р=0,95; заданное минимальное число опытов (реализаций) K=K=300. Порог  вычислялся для заданных Р и Р в соответствии с [1].
Результаты оценки  полученные путем математического моделирования на ЭВМ, а также данные по их надежности (достоверности) и точности приведены на фигурах 4-9.
НП
На фигуре 4 показаны зависимости оценки вероятности потенциального выполнения i-ым РЭС своих задач в условиях действия НП  от времени  при фиксированном значении интенсивности НП λ=0,1. Зависимость 1 показана при  зависимость 2 при  зависимость 3 при  Как следует из приведенных зависимостей,  значениям отношения  соответствуют  значения  что свидетельствуют о превышении среднего уровня мощности НП порогового уровня  В противном случае увеличение отношения  приводит к обратному результату, т.е. к снижению численного значения оценки  (на фигуре не показано).
НП
НП
НП
НП
НП
На фигуре 5 приведена зависимость, которая аналогична зависимости, показанной на фигуре 4, но для одного фиксированного отношении  и трех значений интенсивности λ=0,1; 0,2; 0,3. На фигуре кривая 1 показана при λ=0,1; кривая 2 при λ=0,2; кривая 3 при λ=0,3. При этом  значениям интенсивности λ соответствуют меньшие значения  объясняемые увеличением количества НП, преодолевших уровень ПУ.
НП
З00
ДОВ
На фигуре 6 представлены результаты оценки вероятности  от числа опытов K при фиксированных параметрах λ=0,1;  Из графика видно, что увеличение числа опытов приводит к снижению разброса численных значений оценки, а большинство ее значений (при K>100) попадает в доверительный интервал (для 300 опытов) Δ=(0,878; 0,882), рассчитанный для K=300. Таким образом, как и ожидалось, результаты, полученные путем моделирования, подтверждают теоретическую сходимость оценок в заданный интервал с надежностью Р=0,95.
НП
нп
НП
НП
На фигуре 7 показаны оценки вероятности  в зависимости от числа опытов K при фиксированных численных значениях λ=0,1; 0,2; 0,3 и  0,05; 0,075. Кривым 1, 2 и 3 соответствуют значения  Анализ полученных зависимостей подтверждает результаты, полученные в зависимости от мощности Р, средний уровень которой превышает порог  (фигура 4), а увеличение отношения  при этом приводит к росту численных значений оценки  Диапазоны изменения этих оценок  при различных фиксированных отношениях  0,05; 0,075 различаются и в существенной степени зависят от величины интенсивности λ=0,1; 0,2; 0,3. При этом увеличение численного значения λ приводит к соответствующему расширению диапазона этих оценок
На фигуре 8 приведен график СКО оценки вероятности  в зависимости от числа опытов K (применительно к результатам статистических испытаний, показанным на фигуре 6). Из графика на фигуре 8 можно видеть, что амплитуда разброса численных значений  уменьшается по мере возрастания числа K, что соответствует выражению (10).
ДОВ
На фигуре 9 выделена область достоверных оценок  ранее показанных на фигуре 6. Из графика на фигуре 9 видно, что область достоверных оценок с возрастанием K уменьшается, что свидетельствует о возрастании точности получаемых оценок (уменьшении ). При этом согласно формуле (10) для более высокой P (при такой же точности) потребуется соответственно большее число опытов К.
Таким образом, реализация предлагаемого изобретения позволит оценивать эффективность РЭС, имеющих, в том числе режим приема, и функционирующих в составе группировки (объекта) в условиях действия непреднамеренных помех за время цикла функционирования, и использовать эту оценку для принятия решений в интересах обеспечения ЭМС (в случае недопустимого снижения эффективности) РЭС.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ширман Я.Д., Багдасавян С.Т., Маляренко А.С., и др. Радиоэлектронные системы: Основы построения и теория. Справочник, изд. 2-е, перер. М.: Радиотехника, 2007.
2. Феоктистов Ю.А., Матасов В.В., Башурин Л.И. и др. Теория и методы оценки электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств. / Под ред. Ю.А. Феоктистова. / - М.: Радио и связь, 1988.
3. Ярлыков М.С., Богачев А.С., Меркулов В.И., и др. Радиоэлектронные комплексы навигации, прицеливания и управления вооружением летательных аппаратов. Т. 1. Теоретический основы. / Под ред. М.С. Ярлыкова. / - М.: Радиотехника, 2012.
4. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. Издательство «Советское радио», Москва, 1966.
5. Гладков Д.И. Оптимизация систем неградиентным случайным поиском. - М.: Энергоатомиздат, 1984.