Способ и система совместной обработки измерений дальности и скорости для многодиапазонной радиолокационной системы кругового обзора

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для обработки сигналов двухдиапазонных радиолокационных систем. Достигаемый технический результат - повышение точности обработки измерений дальности до цели и скорости сближения с целью. Указанный результат достигается за счет использования двухдиапазонных радиолокационных станций, представляющих собой систему совместной обработки измерений дальности и скорости, при этом оценки измерений дальности до цели и скорости сближения с целью формируются по определенным правилам. 2 н.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для обработки сигналов двухдиапазонных радиолокационных систем кругового обзора.

Одним из основных режимов работы существующих и перспективных радиолокационных систем (РЛС) кругового обзора является автоматическое сопровождение целей при сохранении обзора. В случае, когда круговой обзор достигается при помощи механического сканирования, длительный интервал между приходом измерений приводит к существенно возрастанию погрешностей или даже срыву сопровождения.

Одним из способов уменьшения интервала прихода измерений для РЛС с механическим сканированием является использование нескольких антенных полотен, обращенных в разные стороны [1]. В этом случае целесообразно использовать антенны разных диапазонов, что существенно повышает помехозащищенность РЛС и, потенциально, точность системы в целом.

Однако такой подход требует усложнения алгоритмов обработки, поскольку необходимо использовать отождествление сигналов, получаемых от цели в разное время в разных диапазонах, и алгоритмы их совместной обработки. Следует, однако, отметить, что существующие алгоритмы совместной обработки [2], основанные на оптимальном оценивании, рассчитаны на обработку одновременно поступающих измерений.

Кроме того, типовые алгоритмы фильтрации обеспечивают формирование оптимальных оценок только на моменты прихода измерений, интервал между которыми при круговом обзоре достигает десяти и более секунд, что приводит к достаточно редкой передаче результатов оценивания потребителям. В то же время для решения задач управления и формирования команд целеуказаний эта информация должна поступать непрерывно.

В такой ситуации целесообразно текущие оценки требуемых фазовых координат в промежутках между поступлениями отраженных сигналов формировать на основе тех или иных процедур экстраполяции (прогноза) с малым интервалом дискретизации, а накапливающиеся ошибки корректировать дискретно поступающими измерениями.

Применение классических алгоритмов аналого-дискретной фильтрации [3], показатели точности и устойчивости которых существенно зависят от соответствия условий функционирования положенным в основу их синтеза моделей, не всегда обеспечивает требуемую точность и устойчивость при сопровождении маневрирующей цели. Высокая степень неопределенности пространственных перемещений воздушных объектов приводит либо к снижению точности, либо к срыву сопровождения из-за расхождения процессов фильтрации.

Рациональным выходом из этой ситуации является использование алгоритмов адаптивной аналого-дискретной фильтрации [2], в которых, в зависимости от ситуации, автоматически изменяются либо параметры, либо структура фильтров. При этом наиболее часто используется либо аддитивная коррекция прогноза, либо коррекция коэффициента усиления невязки.

Рассмотрим предлагаемый метод в приложении к двухдиапазонной импульсно-доплеровской РЛС при условии, что

- используется круговой обзор;

- антенны диапазонов имеют одинаковые размеры и направлены в противоположные стороны;

- измерения для каждого диапазона приходят с интервалом 2Т и сдвигом Т относительно друг друга;

- несущие частоты антенн диапазонов различаются в несколько раз;

- этапы идентификации измерений и завязки траекторий уже выполнены известными способами [2];

- выполняется раздельная оценка фазовых координат на основе моделей состояния и измерений для каналов измерения дальности

и скорости сближения соответственно

где Д_д и V_д - дальность до цели и скорость ее изменения для дальномерного канала, V_v и а_v - скорость сближения с целью и скорость ее изменения для канала измерения скорости,

- признак наличия измерений; Д_и и V_и - измерения дальности и скорости сближения, а ξ_д, ξ_v - возмущения этих измерений, характеризуемые гауссовским шумом с дисперсиями Д_ξд и Д_ξv; τ=T - шаг экстраполяции;

- для адаптации используется вариант с автоматической коррекцией коэффициентов усиления невязки.

В общем случае, алгоритмы адаптивной аналого-дискретной фильтрации позволяют для n-мерного процесса X [2]

при наличии m-мерных (m≤n) наблюдений Z

сформировать оценки вектора состояния

В этих уравнениях: Ф(k,k-1) - динамическая матрица n×n, учитывающая внутренние связи системы; W_x - n-мерный вектор случайных возмущений модели состояния, характеризуемых матрицей R_w дисперсий; H - матрица m×n измерений; N_z - m-мерный вектор случайных погрешностей измерений, характеризуемых матрицей R дисперсий; Q_z - признак наличия измерений; K - матрица n×m коэффициентов усиления невязки; X_э - n-мерный вектор экстраполированных значений вектора состояний; C_у - весовой множитель, используемый при автоматической коррекции коэффициента усиления невязки по результатам f_у(ΔZ(k)) ее анализа; P(k) и P(k,k-1) - матрицы апостериорных и априорных дисперсий соответственно.

Для предлагаемой системы обработки сигналов был выбран способ адаптивной аналого-дискретной α,β-фильтрации с коррекцией коэффициента усиления невязки, инвариантный к изменению интервала прихода измерений.

С учетом (5)-(13) для (1)-(4) в стационарном режиме были получены следующие соотношения:

- для канала дальности

- для канала скорости сближения

Здесь ΔД и ΔV - невязки измерений Д_и дальности и V_и скорости сближения и экстраполированных значений Д_э и V_э, формируемые с интервалом T по правилу (8), а ΔД₀ и ΔV₀ - некоторые пороговые значения невязок, при превышении которых включается механизм коррекции коэффициентов усиления по правилам (18), (19) или (24), (25) соответственно, α_до, β_до и α_v0, β_v0 - некоторые начальные значения коэффициентов усиления невязок.

Отличием от существующих в настоящее время способов фильтрации является использование адаптации (18), (19) и (24), (25) коэффициентов фильтрации в зависимости от значения невязок измерений, а также совместное использование измерений разных диапазонов для коррекции общего прогноза.

Система, реализующая (14)-(19) и (20)-(25), работает следующим образом.

В первоначальный момент времени система инициализируется на основе измерений любого из двух диапазонов. Далее, с малым шагом т потребителям выдаются оценки, экстраполированные по гипотезам (16) (дальность) и (22) (скорость сближения) на основе последнего пришедшего измерения. В дальнейшем, по мере прихода измерений (с интервалом 2Т для каждого канала и сдвигом T времени прихода измерений диапазона 1 относительно диапазона 2), производится расчет невязок (17) и (23) и, при необходимости, коррекция коэффициентов усиления (18), (19) и (24), (25), которые используются для коррекции результатов прогноза.

Структурная схема возможного варианта системы, реализующей способ совместной обработки измерений дальности и скорости для двухдиапазонной РЛС с коррекцией коэффициентов усиления, приведена на фиг. 1, на которой входы обозначены цифрами в угловых скобках, а выходы - цифрами в квадратных скобках. В состав системы входят следующие элементы:

- двухдиапазонная радиолокационная система 1;

- измеритель дальности 2 диапазона 1, в котором измерение дальности до цели производится с интервалом 2T;

- измеритель дальности 3 диапазона 2, в котором измерение дальности до цели производится с интервалом 21 со сдвигом T измерений относительно измерений диапазона 1;

- блок 4 формирования невязок ΔД по дальности, в котором по мере поступления измерений от измерителей 1 и 2 с периодом T производится расчет невязки по дальности по формуле (17);

- блок 5 коррекции коэффициентов α,β фильтра дальности, в котором по мере поступления измерений с периодом T производится сравнение невязки с пороговым значением и, при необходимости, пересчет коэффициентов усиления невязки по формулам (18), (19) для соответствующих диапазонов;

- блок 6 коррекции прогноза , , в котором с интервалом T производится коррекция прогноза дальности Д_э по формулам (14), (15);

- блок 7 экстраполяции дальности Д_э, в котором с интервалом τ<<T производится экстраполяция значений дальности до цели по формуле (16);

- потребители 8 сформированных оценок;

- измеритель скорости 9 диапазона 1, в котором измерение скорости сближения с целью производится с интервалом 2T;

- измеритель скорости 10 диапазона 2, в котором измерение скорости сближения с целью производится с интервалом 2T со сдвигом T измерений относительно измерений диапазона 1;

- блок 11 формирования невязок ΔV по скорости, в котором по мере поступления измерений от измерителей 9 и 10 с периодом T производится расчет невязки по скорости сближения по формуле (23);

- блок 12 коррекции коэффициентов α,β-фильтра скорости, в котором по мере поступления измерений с периодом T производится сравнение невязки с пороговым значением и, при необходимости, пересчет коэффициентов усиления невязки по формулам (24), (25) для соответствующих диапазонов;

- блок 13 коррекции прогноза , , в котором с интервалом Т производится коррекция прогноза значений скорости сближения V_э по формулам (20), (21);

- блок 14 экстраполяции скорости V_э, в котором с интервалом τ<<Т производится экстраполяция значений скорости сближения с целью по формуле (22).

Выход [1] измерителя дальности 2 связан с входом <1> блока 4 формирования невязки ΔД; выход [1] измерителя дальности 3 связан с входом <2> блока 4 формирования невязки ΔД; выход [1] блока 4 формирования невязки ΔД связан с входом <1> блока 5 коррекции коэффициентов α,β фильтра дальности, выход [2] - с входом <1> блока 6 коррекции прогноза , ; выход [1] блока 5 коррекции коэффициентов α,β фильтра дальности связан с входом <2> блока 6 коррекции прогноза , ; выход [1] блока 6 коррекции прогноза , связан с входом <1> блока 7 экстраполяции Д_э, выход [2] - с потребителями 8; выход [1] блока 7 экстраполяции Д_э связан с входом <3> блока 6 коррекции прогноза , , выход [2] - с потребителями 8; выход [1] измерителя скорости 9 связан с входом <1> блока 11 формирования невязки ΔV; выход [1] измерителя скорости 10 связан с входом <2> блока 11 формирования невязки ΔV; выход [1] блока 11 формирования невязки ΔV связан с входом <1> блока 12 коррекции коэффициентов α,β фильтра скорости, выход [2] - с входом <1> блока 13 коррекции прогноза , ; выход [1] блока 12 коррекции коэффициентов α,β фильтра скорости связан с входом <2> блока 13 коррекции прогноза , ; выход [1] блока 13 коррекции прогноза , связан с входом <1> блока 14 экстраполяции V_э, выход [2] - с потребителями 8; выход [1] блока 14 экстраполяции V_э связан с входом <3> блока 13 коррекции прогноза , , выход [2] - с потребителями 8.

Для полученной системы путем имитационного моделирования была проведена оценка эффективности, в качестве показателя которой было взято математическое ожидание погрешности оценивания координат в текущий момент времени.

На фиг. 2-7 приведены результаты одного из наборов численных экспериментов, соответствующего следующим начальным условиям: скорость носителя РЛС - 200 м/с, цели - 300 м/с, расстояние между носителем и целью в начальный момент времени - 100 км. Исследовался наихудший вариант с движением цели по криволинейной траектории при разноточных измерениях, среднеквадратичное отклонение (СКО) погрешностей которых для диапазона 2 было в три раза больше СКО для диапазона 1: σ₂/σ₁=3. На фиг. 2 приведена относительная траектория цели с борта носителя в плоскости XOY, а на фиг. 3 и 4 - дальность до цели и скорость сближения с нею.

На фиг. 5 приведены графики погрешности оценивания дальности для дальномерного канала, а на фиг. 6 - графики погрешности оценивания скорости сближения для канала измерений скорости при помощи классической α,β-фильтрации [3] отдельно для каналов диапазона 1 (штриховая линия) и 2 (штрихпунктирная линия) при условии, что измерения по каждому из каналов приходят одновременно.

На фиг. 7 представлены графики погрешности оценивания дальности для разных вариантов алгоритмов оценивания: предлагаемого (сплошная линия) при помощи оценок (14)-(16) и при помощи классической α,β-фильтрации отдельно для каналов диапазона 1 (штриховая линия) и 2 (штрихпунктирная линия), при этом для классической α,β-фильтрации измерения приходят с интервалом Т между разными диапазонами. На фиг. 8 представлены результаты моделирования оценивания скорости сближения по формуле (20)-(22).

На основании полученных результатов были сделаны следующие выводы.

1. Предлагаемый алгоритм позволяет существенно (в несколько раз) повысить точность слежения за маневрирующей целью по сравнению с использованием независимой фильтрации с периодом 2Т.

2. За счет более частой коррекции, СКО алгоритма комплексной обработки, характеризующее «однородность» оценивания, несколько меньше (5-10%), чем СКО оценивания любого из каналов в отдельности, даже при неравноточных измерениях.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, состоит в повышении точности и устойчивости сопровождения целей, в том числе маневрирующих, двухдиапазонными РЛС. Полученная система, инвариантная к изменению времени прихода измерений, может быть использована в двухдиапазонных РЛС на базе антенн с комбинированным электронно-механическим управлением положением луча.

Возможность достижения технического результата достигается путем обеспечения непрерывной выдачи потребителям более точных оценок координат целей по достаточно редким (дискретным) и неодновременно поступающим сигналам двухдиапазонной РЛС, отраженных от маневрирующей цели.

Функциональное назначение представленной на фигуре 1 структурной схемы состоит в преобразовании редко поступающих измерений дальности и скорости сближения с целью от двух антенн существенно более точные оценки дальности и скорости сближения и обеспечении большей устойчивости функционирования системы за счет адаптации к условиям применения и большей частоты формирования оценок.

Литература

[1] Верба В.С., Кондратенков Г.С., Меркулов В.И. Влияние многодиапазонной РЛС на системные показатели авиационного комплекса радиолокационного дозора и наведения. // Радиотехника. - 2011. - №1.

[2] Ярлыков М.С., Богачев А.С., Меркулов В.И., Дрогалин В.В. Радиоэлектронные комплексы навигации, прицеливания и управления вооружением летательных аппаратов. Т. 1. Теоретические основы. / Под ред. М.С. Ярлыкова. - М.: Радиотехника, 2012. - 504 с.

[3] Тихонов В.И., Харисов В.Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем. - М.: Радио и связь, 1991.

1. Способ совместной обработки измерений дальности и скорости для двухдиапазонной радиолокационной системы с коррекцией коэффициентов усиления невязки, в котором для канала дальности оценки $$\widehat{Д}(k)$$ дальности и $$\widehat{\dot{Д}}(k)$$ скорости сближения формируются по правилам

а оценки $$\widehat{V}(k)$$ скорости и $$\widehat{\alpha }(k)$$ ускорения сближения для канала скорости - по формулам


Здесь ΔД и ΔV - невязки измерений Д_и дальности и V_и скорости сближения и их экстраполированных значений Д_э и V_э, формируемые с интервалом Т; ΔД₀ и ΔV₀ - пороговые значения невязок, при превышении которых включается механизм коррекции коэффициентов усиления,

- признак наличия измерений; ξ_Д, ξ_V - возмущения измерений дальности и скорости сближения, характеризуемые гауссовским шумом с дисперсиями D_ξД и D_ξV; τ<<T - шаг экстраполяции, α_Д(k), α_Д0, β_Д(k), β_Д0, α_V(k), α_V0, и β_V(k), βV₀ - соответственно текущие и начальные значения коэффициентов усиления невязок измерений для каналов дальности и скорости сближения.

2. Система совместной обработки измерений дальности и скорости для двухдиапазонной радиолокационной системы с коррекцией коэффициентов усиления невязки, состоящая из двухдиапазонной радиолокационной системы 1; измерителя дальности 2 диапазона 1; измерителя дальности 3 диапазона 2; блока 4 формирования невязки дальности ΔД; блока 5 коррекции коэффициентов усиления невязки α_Д(k) и β_Д(k) для фильтра дальности; блока 6 коррекции прогноза $$\widehat{Д}$$ дальности и $$\widehat{\dot{Д}}$$ скорости сближения; блока 7 экстраполяции дальности Д_э; потребителей 8 сформированных оценок; измерителя скорости 9 диапазона 1; измерителя скорости 10 диапазона 2; блока 11 формирования невязки скорости сближения ΔV; блока 12 коррекции коэффициентов усиления невязки α_V(k) и β_V(k) для фильтра скорости; блока 13 коррекции прогнозов $$\widehat{V}$$ скорости и $$\widehat{\alpha }$$ ускорения сближения; блока 14 экстраполяции скорости V_э. Выход [1] измерителя дальности 2 связан с входом <1> блока 4 формирования невязки дальности ΔД; выход [1] измерителя дальности 3 связан с входом <2> блока 4 формирования невязки дальности ΔД; выход [1] блока 4 формирования невязки дальности ΔД связан с входом <1> блока 5 коррекции коэффициентов α_Д(k) и β_Д(k) фильтра дальности, выход [2] - с входом <1> блока 6 коррекции прогнозов $$\widehat{Д}$$ дальности и $$\widehat{\dot{Д}}$$ скорости сближения; выход [1] блока 5 коррекции коэффициентов усиления невязки α_Д(k) и β_Д(k) фильтра дальности связан с входом <2> блока 6 коррекции прогнозов $$\widehat{Д}$$ дальности и $$\widehat{\dot{Д}}$$ скорости сближения; выход [1] блока 6 коррекции прогноза $$\widehat{Д}$$ дальности и $$\widehat{\dot{Д}}$$ скорости сближения связан с входом <1> блока 7 экстраполяции дальности Д_э, выход [2] - с потребителями 8; выход [1] блока 7 экстраполяции дальности Д_э связан с входом <3> блока 6 коррекции прогноза $$\widehat{Д}$$ дальности и $$\widehat{\dot{Д}}$$ скорости сближения, выход [2] - с потребителями 8; выход [1] измерителя скорости 9 связан с входом <1> блока 11 формирования невязки скорости ΔV; выход [1] измерителя скорости 10 связан с входом <2> блока 11 формирования невязки скорости ΔV; выход [1] блока 11 формирования невязки скорости ΔV связан с входом <1> блока 12 коррекции коэффициентов усиления невязки α_V(k) и β_V(k) фильтра скорости, выход [2] - с входом <1> блока 13 коррекции прогнозов $$\widehat{V}$$ скорости и $$\widehat{\alpha }$$ ускорения; выход [1] блока 12 коррекции коэффициентов усиления невязки α_V(k) и β_V(k) фильтра скорости связан со входом <2> блока 13 коррекции прогнозов $$\widehat{V}$$ скорости и $$\widehat{\alpha }$$ ускорения; выход [1] блока 13 коррекции прогнозов $$\widehat{V}$$ скорости и $$\widehat{\alpha }$$ ускорения связан с входом <1> блока 14 экстраполяции скорости V_э, выход [2] - с потребителями 8; выход [1] блока 14 экстраполяции V_э связан с входом <3> блока 13 коррекции прогнозов $$\widehat{V}$$ скорости и $$\widehat{\alpha }$$ ускорения, выход [2] - с потребителями 8.