Способ распознавания баллистических целей и определения координат точек их пуска и падения для обзорных радиолокационных станций

Изобретение относится к устройствам обработки траекторной радиолокационной информации и может быть использовано для распознавания воздушных объектов (ВО) и определения точек пуска и падения в радиолокационных станциях (РЛС) обзорного типа. Достигаемый технический результат изобретения - распознавание класса баллистических целей (БЦ) и нахождение координат точек пуска и падения БЦ по траекторным данным, получаемым обзорными РЛС. Технический результат достигается за счет того, что определяют ориентацию вертикальной плоскости стрельбы в пространстве. Для этого находят параметры линейной функции, аппроксимирующей проекции координат цели на горизонтальную плоскость. Затем в найденной вертикальной плоскости стрельбы определяют параметры закона изменения высоты цели, выбирают аппроксимацию либо баллистической кривой, учитывающей сопротивление воздуха, либо параболой. Далее вычисляют значения функций невязки линейной и баллистической или параболической аппроксимаций. На основе критерия малости значений функций невязки, принимают решение об отнесении цели к классу БЦ. Проводят экстраполяцию построенной траектории до точек пуска и падения для определения их координат.

 

Изобретение относится к устройствам траекторной обработки радиолокационной информации и может быть использовано для распознавания воздушных объектов и определения точек пуска и падения в радиолокационных станциях обзорного типа.

Существует необходимость в оперативном вскрытии огневых позиций противника с целью их скорейшего подавления и оперативной корректировке своего артиллерийского и минометного огня в условиях недостаточной видимости или при невозможности организации удобных пунктов наблюдения для корректировщиков.

Известны устройства, в которых реализованы способы, позволяющие решать аналогичную задачу в специализированных радиолокационных комплексах для определения местоположения огневых позиций объектов полевой артиллерии и корректировки своего огня (1Л219 "Зоопарк", 1Л219М "Зоопарк-1", РЛС 1Л260/1Л261 Зоопарк-1М, 1Л271 «Аистенок», AN/TPQ-50 Counterfire Radar, AN/TPQ-49 Counterfire Radar, AESA50 Multi-Mission Radar, Omni-directional Weapon Locating Radar) [1, 2]. Все эти станции работают в сантиметровом диапазоне, являются радиолокационными станциями (РЛС) сопровождения цели, более дороги и сложны в изготовлении по сравнению с РЛС обзорного типа.

Наиболее близким по своей сущности к заявляемому способу, то есть прототипом, является способ, реализованный в устройстве определения координат точек вылета (падения) баллистических целей [3].

В устройстве, принятом за прототип, получаемые в результате автосопровождения баллистической цели (снаряда, мины, ракеты) амплитуды сигналов, соответствующие значениям текущих прямоугольных координат цели, сглаживаются полиномом второй степени. В результате сглаживания находятся оценки координат, скорости и ускорения для конца интервала сопровождения по трем координатам, характеризующим положение цели в пространстве. По этим оценкам рассчитываются оценки координат, скорости и ускорения для середины интервала наблюдения, их горизонтальные составляющие и значение баллистической функции Е, по которым производится распознавание класса стреляющих систем. Далее определяются координаты точки вылета (падения) путем численного дифференцирования уравнений полета баллистического тела с учетом только сопротивления воздуха на каждом шаге экстраполяции. Экстраполяция в точку вылета (падения) ведется либо по упрощенным дифференциальным уравнениям полета баллистического тела, либо по полным уравнениям, учитывающим геофизические и метеорологические данные в районе работы специализированной РЛС.

Основными недостатками указанного способа для решения задачи распознавания баллистических целей и определения точек пуска и падения являются повышенные требования к входным данным, обеспеченные автосопровождением и необходимостью использования дополнительной геофизической и метеорологической информации. Для РЛС обзорного типа в силу конструктивных особенностей в отличие от РЛС слежения с реализованным автосопровождением целей не представляется возможным получать непрерывно трассовые данные цели. В отличие от прототипа данные от цели в обзорных РЛС поступают не непрерывно, а с интервалом, равным периоду обзора, что существенно дискретизирует задачу, делает невозможным использование способа прототипа и требует иного подхода для ее решения.

Для решения задач, связанных со стрельбой, применяются уравнения траектории полета снаряда в воздухе в трехмерном пространстве. Для расчета траектории снаряда необходимо численно интегрировать систему дифференциальных уравнений внешней баллистики с помощью достаточно трудоемкого метода конечных разностей [4].

Достигаемым техническим результатом заявляемого изобретения является распознавание класса баллистических целей (БЦ) и нахождения координат точек пуска и падения БЦ по траекторным данным, получаемым обзорными РЛС. Предлагаемое изобретение предоставляет возможность применять обзорные РЛС без дополнительных конструктивных изменений по тем данным, которые им доступны для распознавания класса баллистических целей (БЦ), нахождение координат точек пуска и падения БЦ, добавляя функционал и расширяя тем самым их область применения.

Для решения поставленной радиолокационной задачи требуется по наблюдаемым точкам найти параметры траектории в трехмерном пространстве, подтвердить ее баллистичность и определить точки пуска и падения снаряда.

При этом сначала определяют ориентацию плоскости стрельбы на горизонтальной плоскости, а затем в найденной вертикальной плоскости определяют параметры закона изменения высоты снаряда. Таким образом, трехмерная задача разбивается на две двумерные.

Характерными отличительными траекторными признаками баллистической цели являются прямолинейность траектории в горизонтальной плоскости (обычно полагается, что величина деривации очень мала по сравнению с дальностью стрельбы) и хорошая аппроксимация траектории баллистической кривой в вертикальной плоскости. О прямолинейности можно судить по степени аппроксимации траектории линейной функцией, то есть по малому значению функции невязки наблюдаемых экспериментальных точек с построенной по ним трендовой прямой. Сильное отклонение от этого условия говорит о том, что цель движется не по баллистической траектории и скорее всего оснащена механизмами для изменения курса. Это первый траекторный признак классификации баллистической цели.

Второй траекторный признак - хорошая аппроксимация баллистической кривой, также определяемая малой невязкой экспериментальных точек в вертикальной плоскости. Выполнение указанных двух признаков позволяет сделать вывод о принадлежности снаряда к классу «баллистическая цель».

Для аппроксимации можно использовать следующие функции: линейные (нахождение методом наименьших квадратов), квадратичные (нахождение методом наименьших квадратов) и кубические (построение баллистической кривой с учетом сопротивления воздуха) [5].

В качестве функции невязки при линейной аппроксимации используется сумма квадратов отклонений экспериментальных данных от точной линейной зависимости:

где A и B - коэффициенты аппроксимирующей прямой y=A+Bx.

В качестве функции невязки при квадратичной аппроксимации взята сумма квадратов отклонений экспериментальных данных от точной квадратичной зависимости:

где a, b, c - параметры аппроксимирующей параболы h=ay²+by+c.

Аналогично, в качестве функции невязки при кубической аппроксимации траектории взята сумма квадратов отклонений экспериментальных точек трассы от точной кубической зависимости:

где h - высота, x - расстояние от точки пуска на горизонтальной проекции трассы, θ₀ - угол стрельбы, V₀ - начальная скорость снаряда, K -эмпирический коэффициент учета сопротивления воздуха.

Аппроксимация с учетом сопротивления воздуха дает лучший результат, чем аппроксимация простой параболой. Однако построение баллистической траектории численное, а параболической траектории - аналитическое, что позволяет получить решение сразу подстановкой координат наблюдаемых точек в формулу. Численное решение требует большего времени на получение результата.

Анализ натурных данных показал, что допустимая точность измерения параметров и соответственно высокая вероятность распознавания и максимальная точность построения баллистической траектории наблюдаются при достаточном соотношении сигнал/шум на дальностях менее 4000 м и при оптимальных ракурсных углах 40°-90°.

При испытаниях РЛС основная часть точек трасс находилась вблизи точек падения и на минимальной дальности. Разброс точек уменьшался по мере приближения к точкам падения и к ракурсным углам вблизи ϕ≈90°, что объясняется повышением точности измерения параметров при заметном увеличении отношения сигнал/шум отраженных сигналов от снарядов при уменьшении дальности и из-за приближения угла ϕ к 90° [6, 7, 8].

По натурным данным, где оказалось возможным сопоставить в каждой траектории координаты контрольных точек падения с регистрационными данными РЛС, расстояние между медианами расчетных и контрольных точек падения составило 161,6 м.

СКО всех точек падения в двух проекциях составило 120,5 м (перпендикулярно трассе) и 343,0 м (параллельно трассе). Эти значения характеризуют параметры эллипса рассеяния [9], в котором соотношение проекций зависит от угла падения снаряда в вертикальной плоскости.

По результатам анализа аппроксимация с учетом сопротивления воздуха дает несколько лучший результат, чем аппроксимация без сопротивления воздуха, но при этом ее реализация каждый раз требует численного решения задачи минимизации (3) в отличие от полученного аналитического решения задачи минимизации (2).

Полученные результаты представляют большой практический интерес и подтверждают возможность использования обзорных РЛС для решения задачи распознавания БЦ и определения точек пуска и падения, что существенно расширяет класс РЛС, которые могут решать указанные задачи.

Описанный способ позволяет распознавать баллистические цели, основываясь на траекторных данных обзорных РЛС, и определять точки пуска и падения. При этом вероятность правильного распознавания будет зависеть от точности определения прямоугольных координат цели. В отличие от аналогов и прототипа, реализующих слежение и сопровождение цели, предоставляющих большое количество исходных данных, в радиолокационных комплексах обзорного типа при использовании описанного способа удается добиться необходимых результатов с малым количеством исходных данных.

Способ построения траекторий полета БЦ, классификации и нахождения точек падения, продемонстрированный на примере данных, полученных от РЛС обзорного типа длинноволновой части UHF диапазона, применим и для других типов обзорных РЛС, способных обнаружить и получить необходимые траекторные данные.

Таким образом, предложенный способ, включающий определение параметров траектории по радиолокационным данным, вычисление значений функций невязки линейной и параболической или баллистической аппроксимации, использование этих значений в качестве траекторных признаков для классификатора, и экстраполяции найденной траектории до точек пуска и падения, позволяет на основании полученных обзорной РЛС радиолокационных данных о прямоугольных координатах траектории полета цели распознавать БЦ и находить координаты точек пуска и падения.

Источники информации

1. Оружие России, каталог т. I. Вооружение Сухопутных Войск, 1996-1997 гг., АО "Милитэри Пэрэйд", 1996-1997 гг., Москва, с. 106-107.

2. www.srcinc.com, 2014 г.

3. Патент РФ №2265233, G01S 13/06. Устройство определения координат (прототип).

4. Бахвалов Н.С.Численные методы, "Наука", т. 1, 1975.

5. Внешняя баллистика, ВАИА им. Дзержинского, Москва, 1954, т. 1, 2.

6. Антифеев В.Н., Борзов А.Б., Быстров Р.П., Исаев И.Ш., Соколов А.В. Математические модели рассеяния электромагнитных волн на объектах сложной формы. - Успехи современной электроники, №10, 1998, УДК 621.371.029.65.

7. Борзов А.Б. Анализ радиолокационных характеристик объектов сложной формы методом математического моделирования. - Боеприпасы, 1994, №3, 4, с. 32-38.

8. Штагер Е.А. Рассеяние радиоволн на телах сложной формы. - М.: Радио и связь, 1986.

9. Огневая подготовка. Часть первая. Основы и правила стрельбы. Управление огнем. / Под общей редакцией к.в.н. доцента Семенова Ю.И. - М.: Воениздат. 1978.

Способ распознавания баллистических целей (БЦ) и определения координат точек их пуска и падения для обзорных радиолокационных станций (РЛС), основанный на обработке траекторной радиолокационной информации о прямоугольных координатах воздушного объекта в пространстве, отличающийся тем, что на основании радиолокационных данных о координатах траектории полета цели, полученных обзорной РЛС, вначале определяют ориентацию вертикальной плоскости стрельбы в пространстве посредством нахождения параметров линейной функции, аппроксимирующей проекции координат цели на горизонтальную плоскость, вычисляют значение функции невязки линейной аппроксимации, затем в найденной вертикальной плоскости стрельбы определяют параметры закона изменения высоты цели либо баллистической кривой, учитывающей сопротивление воздуха, либо параболой соответственно располагаемым вычислительным возможностям, вычисляют значение функции невязки параболической или баллистической аппроксимации, на основе критерия малости значений функций невязки принимают решение об отнесении цели к классу БЦ, проводят экстраполяцию построенной траектории до точек пуска и падения и определяют их координаты.