Способ оценки дальности до маневрирующего воздушного судна информационно-измерительной системой управления воздушным движением с применением третичной обработки информации
METHOD FOR ESTIMATING THE RANGE TO A MANEUVERING AIRCRAFT BY AN INFORMATION-MEASURING AIR TRAFFIC CONTROL SYSTEM USING TERTIARY INFORMATION PROCESSING

Изобретение относится к области радиотехники, в частности, радиоэлектронным системам измерения параметров движения воздушных судов и может быть использовано в наземных информационно-измерительных системах управления воздушным движением.
Достигаемым техническим результатом изобретения является повышение точности определения дальности до воздушного судна способом весовой обработки информационно-измерительной системой управления воздушным движением с применением третичной обработки радиолокационной информации от двух РЛС.
В информационно-измерительных системах управления воздушным движением с использованием третичной обработки информации оценка дальности до воздушного судна возможна несколькими способами (см. Обработка радиолокационной информации в радиотехнических системах: Уч. пос, Ю.Н. Панасюк, А.П. Пудовкин. Тамбов: издательство ФГБОУ ВО «ТГТУ», 2016. 84 с.). Одним из таких способов является математическое усреднение, которое заключается в нахождении среднего арифметического значений параметров движения от двух РЛС в данный момент времени. В таком случае оценка дальности от двух РЛС определяется согласно выражению:
где  - номер дискрета времени;  - значение дальности до воздушного судна, полученное в результате третичной обработки информации; ,   - значения параметров движения воздушного судна, полученное центром управления воздушным движением от РЛС1 и РЛС2 соответственно.
Недостатком способа математического усреднения для оценки информации о дальности от двух РЛС является низкая точность ввиду того, что оценка производится без учета параметров движения воздушного судна и точностных характеристик РЛС системы.
Более сложными в реализации, однако более точными являются способы весовой обработки радиолокационной информации. Оценка дальности ВС по данным от двух РЛС способами весовой обработки производится, основываясь на выражении:
где , - значения весового коэффициента оценивания дальности воздушной цели.
Весовые коэффициенты оказывают влияние на точность третичной обработки информации от РЛС1 и РЛС2.
Известны способы весовой обработки информации, в которых весовые коэффициенты определяются через статические параметры движения воздушного судна. В качестве таких параметров применяются дисперсия невязки, а также дисперсия ошибок измерений, то есть параметры, задаваемые изначально и не изменяющиеся в процессе слежения за воздушным судном. Так, согласно способу (см. Основы теории цифровой обработки радиолокационной информации: Монография, С.З. Кузьмин. М.: издательство «Советское радио», 1974. 423с.), весовые коэффициенты вычисляются с использованием информации о дисперсии ошибок измерения невязки, выраженных через квадрат среднеквадратичных погрешностей σ12 и σ22. отсюда оценка дальности до воздушного судна по информации от двух РЛС производится согласно выражениям:
где ,  - среднеквадратические погрешности параметров движения воздушного судна, переданные от РЛС1 и РЛС2 соответственно; ,     - значения весового коэффициента оценивания дальности воздушной цели до РЛС1 и РЛС2 соответственно.
Недостатком представленного способа весовой обработки информации является низкая точность оценки дальности до воздушного судна вследствие использования статических параметров (дисперсии ошибок измерения невязки) при определении весовых коэффициентов. Из-за этого весовые коэффициенты остаются постоянными, и не зависят от динамики движения воздушного судна относительно РЛС системы.
В качестве прототипа выбран способ измерения пространственных координат цели в многопозиционной системе двухкоординатных РЛС (см. патент RU2581706C1, опубл. 20.04.2016). Способ-прототип представляет собой весовую обработку данных о высоте воздушного судна в процессе маневрирования, в котором весовые коэффициенты определяются через значения дисперсии ошибок измерения  и . Отсюда высота воздушного судна по результатам третичной обработки информации при использовании способа-прототипа определяется согласно выражениям:
где  - оцененное значение высоты воздушного судна; ,  - значения высоты, полученные от РЛС1 и РЛС2 соответственно;,  - значения весового коэффициента оценивания дальности воздушной цели до РЛС1 и РЛС2 соответственно.
Достоинством способа-прототипа является повышение точности в сравнение с способом математического усреднения и способом весовой обработки с использованием дисперсии невязки воздушного судна.
Недостатком способа-прототипа является невысокая точность оценки параметров движения ВС, поскольку для вычисления весового коэффициента используются статические параметры (дисперсии ошибок измерения), не зависящие от динамики маневрирующего воздушного судна.  Весовые коэффициенты для каждой из РЛС остаются постоянным на всем времени оценивания параметров движения воздушного судна, что делает оценку недостаточно точной.
Технической задачей  способа оценки дальности до маневрирующего воздушного судна  информационно-измерительной системой управления воздушным движением с применением третичной обработки информации является повышение точности оценки дальности, что позволяет повысить пропускную способность воздушных судов в районе аэродрома, при заданном уровне безопасности полетов.
Поставленная задача решается тем, что в способе оценки дальности до маневрирующего воздушного судна в информационно-измерительной системе управления воздушным движением с применением третичной обработки информации на основе наблюдений двух РЛС с известными позициями осуществляется определение координат воздушного судна,  передача от каждой РЛС информации о дальности  и  до воздушного судна с невязкой калмановской фильтрации ,  в центр управления воздушным движением, производится третичная обработка информации с определением дальности согласно выражению:
где ,  - значения весового коэффициента оценивания дальности воздушной цели, которые  определяются согласно выражениям:
где  и  - дисперсии невязок по дальности для РЛС1 и РЛС2 соответственно;  - номер дискрета времени; ,  - значения невязок по дальности для РЛС1 и РЛС2 соответственно.
На фиг. 1 представлена структурная схема реализации информационно-измерительной системы управления воздушным движением, в которой может быть реализован предлагаемый способ оценки дальности до маневрирующего воздушного судна информационно-измерительной системой управления воздушным движением с применением третичной обработки информации. Сигнал от воздушного судна поступает в модуль обнаружения сигналов, затем в модуле выделения отметок целей из общей шумовой обстановки выделяют объекты и осуществляется определение мгновенных координат воздушного судна, что является конечным этапом первичной обработки информации, затем результаты первичной обработки информации поступают в модуль группировки отметок, где отметки группируются по целям для дальнейшего формирования траектории движения воздушного судна. Далее в модуле фильтрации и вычисления параметров движения в каждой РЛС производятся вычисления значений дальности и невязок калмановской фильтрации согласно алгоритму:
где , ,  - оцененные значения дальности до воздушного судна, скорости изменения дальности до воздушного судна и ускорения соответственно; , ,  - экстраполированные значения дальности до воздушного судна, скорости изменения дальности до воздушного судна и ускорения соответственно; , , - коэффициенты усиления невязки по дальности;  - постоянная времени маневра воздушного судна;  - интервал времени, определяющий маневрирование воздушного судна.
На этом заканчиваются этапы вторичной обработки информации. Параметры движения воздушного судна, определенные в результате вторичной информации (дальность и невязка калмановской фильтрации), от каждой из двух РЛС передаются в центр управления воздушным движением. В модуле сбора донесений формируются векторы состояния воздушного судна на основе данных двух РЛС, которые затем приводятся к единому времени. С выхода модуля сбора донесений невязки  и поступают в модуль оценки весовых коэффициентов, где хранятся  дисперсии невязки по дальности РЛС1 и РЛС2  и .  и  - постоянные величины.  Используя значения невязок по дальности  и , дисперсии невязок по дальности  и  в модуле оценки весовых коэффициентов вычисляются весовые коэффициенты  и , которые поступают вместе с информацией о дальности до воздушного судна  и  в модуль оценки параметров движения, где происходят этапы отождествления и оценки параметров движения согласно выражению (7).
Модуль оценки количества отметок проверяет полученные после оценки параметров движения отметки. В случаях, когда их число превышает допустимые нормы работы информационно-измерительной системы управления воздушным движением, информация подвергается укрупнению.
В предлагаемом способе предусмотрены следующие отличия: оценка дальности от двух пространственно-разнесенных РЛС осуществляется способом весовой обработки, в котором весовые коэффициенты определяются с учетом динамических параметров - параметров движения воздушного судна, обновляемых на каждом периоде обзора РЛС1 и РЛС2. В качестве таких параметров используются значения невязок калмановской фильтрации  и , поскольку невязки зависят от модели состояния и модели наблюдения воздушного судна, а следовательно, от динамики движения воздушного судна при маневрировании и пространственного расположения РЛС относительно маневрирующего воздушного судна, что позволяет повысить точность оценки дальности в информационно-измерительной системе управления воздушным движением  с третичной обработкой информации.
Реализация предлагаемого способа основана на положениях теории оптимальной фильтрации в системах со случайной скачкообразной структурой (см. Клекис, Э.А. Оптимальная фильтрация в системах со случайной структурой и дискретным временем - Автоматизация и телемеханика, 1987, № 11, 61-70 с.). Применение метода оптимальной фильтрации в системах со случайной структурой позволяет определить весовые коэффициенты как минимум двух моделей движения воздушного судна при вторичной обработке сигнала.
где   - оцененное значение параметра движения воздушного судна методом оптимальной фильтрации;  значение частных оценок параметра движения воздушного судна ;  - условия, определяемые различными моделями движения воздушного судна; ,  значения апостериорных вероятностей номеров структур  системы (веса частных оценок) с учетом различных оценок параметра движения воздушного судна;  - интервал времени, определяющий использование той или иной модели движения ВС;  - значение дисперсии невязки системы;  - значение невязки системы.
Преобразуем (18) для весовой оценки дальности в третичной обработке информации.
По условиям моделирования в информационно-измерительной системе управления воздушным движением используются идентичные друг другу РЛС, также время начала слежения за воздушным судном и периоды обзора РЛС совпадают, поэтому параметр  не требуется при вычислении.
Для определении дальности до воздушного судна по условиям моделирования используется одна модель движения воздушного судна, поэтому информационно-измерительная система управления воздушным движением использует два основных условия: данные, полученные от РЛС1 и РЛС2, отсюда .
Основное условие определения весовых коэффициентов при весовой обработке описывается выражением
С учетом преобразования выражения (18) и условия (20), оценка дальности при третичной обработке информации, полученной от двух РЛС примет следующий вид:
где  и  - дисперсии невязки по дальности до РЛС1 и РЛС2 соответственно; ,  - значение невязки по дальности для РЛС1 и РЛС2 соответственно;  и  - измеренные значения дальностей для РЛС1 и РЛС2 соответственно;  и  - экстраполированное значение дальности;  - число реализаций;  - матрица наблюдения; ,  - ковариационная матрица априорных частных оценок;  - дисперсия шумов измерений.
Применение предлагаемого способа для определения дальности до воздушного судна информационно-измерительной системой управления воздушным движением с применением третичной обработки информации по аналогии с методикой оптимальной фильтрации в системах со случайной структурой основано на получении данных от двух РЛС, а для определения веса данных необходимо использовать значения невязок по дальности  и , которые зависят от динамики движения маневрирующего воздушного судна.
Предлагаемый способ оценки дальности до маневрирующего воздушного судна информационно-измерительной системой управления воздушным движением с применением третичной обработки информации позволяет с большей точностью производить весовую оценку параметров движения воздушного судна информационно-измерительной системой управления воздушным движением в сравнение со способами весовой обработки, не использующими значения невязки при определении весовых коэффициентов.
Применение заявленного способа оценки дальности до маневрирующего воздушного судна информационно-измерительной системой управления воздушным движением с применением третичной обработки информации по сравнению с известными способствует повышению точности определения дальности информационно-измерительных систем управления воздушным движением не менее чем на 25% и повысить пропускную способность воздушных судов в районе аэродрома не менее чем на 15%, при заданном уровне безопасности полетов.