Моделирование алгоритма комплексирования результатов независимых измерений

СОДЕРЖАНИЕОПРЕДЕЛЕНИЯ………………………………………………………………….. 5

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ………………………………… ………….6

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………… ……..7

1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДАЛЬНОСТИ И ДО ЦЕЛИ ОДНОПОЗИЦИОННОЙ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СИСТЕМОЙ………………………… ……………...9

1.1 Методы определения дальности………………… ………………………..9

1.1.1 Импульсный метод определения дальности………… …………………9

1.1.2 Частотный метод определения дальности….…………… ………………11

1.1.3 Фазовый метод определения дальности…………………… ………….13

1.2 Сравнительная таблица методов определения дальности……………… ...15

1.3 Погрешности определения радиолокационной информации… ………….17

2 ОСОБЕННОСТИ КОМПЛЕКСИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ В МНОГОПОЗИЦИОННЫХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ…… ….23

2.1 Определение многопозиционной радиолокационной системы……… ….23

2.2 Обобщенная структурная ...

1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДАЛЬНОСТИ ДО ЦЕЛИ ОДНОПОЗИЦИОННОЙ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СИСТЕМОЙ 1.1 Методы определения дальности

В задачах радиолокации после обнаружения и опознавания цели стоит задача об определении параметров цели. Измерение дальности радиотехническими методами основано на постоянстве скорости и прямолинейности распространения радиоволн, которые выдерживаются в реальных условиях с достаточно большой точностью [2]. 1.1.1 Импульсный метод определения дальности

Измерение дальности импульсным методом сводится к фиксации моментов излучения зондирующего сигнала и приема отраженного сигнала и измерению временного интервала между этими моментами. В качестве иллюстрации представлен рисунок 2. Для этого используется импульсная модуляция зондирующего сигнала.

Рисунок 2 - Иллюстрация излучения и приема импульсов. Передатчик станции периодически излучает кратковременные «зондирующие» радиоимпульсы, разделенные большими интервалами времени. Приемник радиолокационной станции в паузах между посылками зондирующих импульсов ведет прием отраженных от объекта сигналов. Дальность до объекта определяется измерением времени t от начала излучения зондирующего импульса до начала приема отраженного сигнала. Так как электромагнитные колебания дважды проходят расстояние r между станцией и объектом то время(1.1) где- скорость распространения радиоволн, - дальность.

Откуда (1.2) Отдельно следует заметить, что измерение времени должно быть точным. Например, если расстояние необходимо измерить с точностью до 5 метров, то время должно определяться с точностью до т.е. уже на этом этапе измерения могут быть ошибки, при недостаточной точности измерителя времени. 1.1.2 Частотный метод определения дальности

Определение дальности до цели при использовании частотной модуляции основано на измерении приращения частоты передатчика за время распространения сигнала до цели и обратно. Если предположить, что частота передатчика fп(t) может изменяться по линейному закону, то изменение частоты отраженного сигнала fc(t) будет запаздывать на время

(1.3) где- скорость распространения радиоволн. В результате смешения этих колебаний образуются биения, огибающая которых является чисто гармоническим колебанием, т.е. ее спектр состоит из одной спектральной линии. На рисунке 3 изображена частота биений при линейном изменении частоты.

Рисунок 3 - Частота биений при линейном изменении частоты. Величина приращения частоты (частота биений) легко определяется из рисунка 3 и равна

(1.4) т.е. пропорциональна дальности.

На практике используются различные виды периодической модуляции частоты, например симметричный и несимметричный пилообразные законы, синусоидальный закон. 1.1.3 Фазовый метод определения дальности

Сущность фазового метода заключается в следующем. Пусть в

пункте А расположена РЛС, объект расположен на расстоянии r от радиолокационной станции. Передатчик непрерывно излучает радиоволны частоты f в направлении объекта. В приемник поступают два сигнала: прямой - непосредственно от передатчика и отраженный - от объекта.

Пусть в некоторый момент времени t мгновенное значение фазы колебаний прямого сигнала

(1.5)

где- начальная фаза

Мгновенное значение фазы колебаний отраженного сигнала будет

(1.6)

где- скорость распространения радиоволн;

- запаздывание по фазе за счет прохождения радиоволнамирасстояния 2r;

- угол, учитывающий изменение фазы на поверхности объекта.

Разность фаз прямого и отраженного сигналов (1.7) В общем случае(1.8) где Z - некоторое целое число полных циклов изменений разности фаз на

- значение разности фаз в интервале от 0 до .

Итого

(1.9)

Таким образом, разность фаз колебаний прямого и отраженного сигналов, обусловленная конечной скоростью распространения радиоволн, зависит от расстояния до отражающего объекта. Эта зависимость положена в основу фазового метода измерения дальности и в общем виде определяется формулой (1.9), однако её нельзя непосредственно использовать для измерения дальности, т.к. в неё входят величины Z и, определить которые прямым путём, с помощью измерительного прибора, не представляется возможным.

Чтобы исключить эти неизвестные, поступают следующим образом: частоту плавно изменяют в определенных пределах от значениядо значения . При этом разность фаз прямого и отраженного сигналов изменяется в соответствии с формулой (1.9) от начального значения(1.10)до конечного значения(1.11)где и- начальный и конечный углы отмечаемые фазометром; и- углы, учитывающие изменение фазы на поверхности объекта причастотахи ; N - число полных циклов изменения разности фаз при переходе от частотык.

Полагая, что при относительно небольших изменениях частотыи вычитая (1.10) из (1.11), получим

(1.12)

откуда

(1.13)

где

(1.14)

Этот же результат может быть получен, если сопоставление прямого и отраженного сигналов производить не на высокой, а на промежуточной частоте [4]. 1.2 Сравнительная таблица методов определения дальности

На основании [2,4,5], была составлена сравнительная таблица методов определения дальности (таблица 1).

Таблица 1 - Сравнительная характеристика трех методов измерения дальности

Импульсный


Частотный


Фазовый

Достоинства:1)Возможность построения РЛС с одной антенной


Достоинства:1)позволяет измерять очень малые дальности.


Достоинства:1)Маломощное излучение т.к. генерируются незатухающие колебания.

Продолжение таблицы 1

Импульсный


Частотный


Фазовый

Достоинства:2) удобно одновременно измерять дальности до нескольких целей.3) простота разделения излучаемых импульсов, длящихся малое времяи и принимаемых сигналов.


Достоинства:2) используется маломощный передатчик.


Достоинства:2)точность не зависит от доплеровского сдвига частоты отражения.3) простота устройства дальномера.

Недостатки:1)Необходимость использования больших импульсных мощностей передатчика2) Невозможно измерять малые дальности3)Большая мертвая зона.4)Необходимостькрайне точного измерения времени


Недостатки:1)Необходимость использования двух антенн, либо сложного устройства для разделения излучаемых и принимаемых колебания, что сказывается на цене устройства.2)Высокие требования к линейности измерения частоты.


Недостатки:1)Отсутствие разрешения по дальности.2) Излучательная антенна наводит шумы на приёмную.

Как видно из подпунктов 1.1.1 - 1.1.3 и пункта 1.2, для однопозиционной системы каждый из используемых методов обладает своими недостатками. Для того, чтобы этих недостатков было меньше предлагается перейти от однопозиционной системы к многопозиционной (двухпозиционная система рассматриваемая в данной работе является одним из случаев многопозиционной радиолокационной системы) и получить качественно новые характеристики, используя методы комплексирования информации. 1.3 Погрешности измерения радиолокационной информации

Точность любого измерения, в том числе и точность определения координат, оценивается величиной ошибки, которая может быть сделана в процессе измерения.

Все ошибки можно разделить на три группы:

1) Систематические, т. е. постоянные (повторяющиеся от одного измерения к другому) или изменяющиеся по определенному закону;

2) Случайные, т. е. не подчиняющиеся ясной закономерности;

3) Грубые, или промахи, т. е. далеко выходящие за пределы обычных случайных ошибок и явно искажающие результаты измерения.

Основными видами систематических ошибок являются ошибки:

- Инструментальные, связанные с конструктивными недостатками измерительной аппаратуры, ее неисправностями или неправильной градуировкой индикаторного устройства. Примерами могут служить ошибки, обусловленные неточной установкой механической шкалы отсчета координат объекта, деформацией поверхности отражателя антенны, неточной калибровкой станции и др.

- Установки измерительной аппаратуры; например, непра­вильное размещение наземной станции на местности может при­вести к появлению ошибок в определении угла места за счет влияния местных предметов на диаграмму направленности.

- Личные, обусловленные индивидуальными особенностями наблюдателя. К этой категории отно­сятся ошибки, связанные с инерционностью оператора при опре­делении координат быстро перемещающегося объекта.

- Теоретические или ошибки метода, связанные с примене­нием приближенных расчетных формул, игнорированием неко­торых факторов, влияющих на точность измерения, недостаточ­ностью теоретического обоснования метода.

Систематические ошибки могут быть изжиты либо устранением самих источников ошибок, либо введением поправок, устанавли­ваемых на основании предварительного их изучения.

Случайные ошибки являются следствием очень большого числа различных причин, действующих непредвиденным образом. Поэ­тому рассчитать величину случайной ошибки для отдельного измерения не представляется возможным. Однако они подчи­няются некоторым статистическим закономерностям, и это позво­ляет оценить их действие методами теории вероятностей.

Грубые ошибки, или промахи, появляются в результате еди­ничных нарушений оператором методики измерения, ошибочной записи показания индикатора, резких кратковременных нару­шений нормальной работы станции (например, резкое колебание напряжения питания, резкие механические толчки).

Грубые ошибки обычно сразу замечаются самим наблюдателем, и он их отбрасывает, производя повторные измерения. Иногда они выявляются и исключаются в процессе обработки резуль­татов наблюдения.

Таким образом, систематические и грубые ошибки могут быть устранены или учтены в процессе измерения. Случайные ошибки практически всегда присутствуют в измеренной координате. Величины случайных ошибок могут колебаться в очень широких пределах, поэтому возникает вопрос, каким образом оценить точность радиолокационной станции (какое значение ошибки выбрать в качестве критерия точности).

Из теории вероятностей известно, что распределение случай­ных ошибок большей частью подчиняется закону «нормального распределения вероятности» - закону Гаусса. При этом выражение для плотности вероятности может быть записано в виде (1.15) где- плотность вероятности; - случайная ошибка; - среднеквадратическая ошибка. Как известно (1.16)где Aист - истинное значение измеряемой величины; аi - результат отдельного измерения; n - число измерений; (ai - Aист) - случайная ошибка измерения.

Поскольку действительное значение величины Aист неизвестно, то вместо Аист принимается наиболее вероятное ее значение, т. е. среднее арифметическое значение результатов измерений

(1.17) Вероятность того, что значение случайной ошибки лежит междуи- определяется выражением(1.18) т. е. вероятность существования случайной ошибки в некотором интервалеопределяется площадью, образованной кривой , осью абсцисс и ординатами кривойи . Поскольку при измененииотдокриваяохва­тывает все возможные значения случайных ошибок, то, очевидно, полная площадь между кривой и осью абсцисс равна 1 (вероят­ность нахождения случайной ошибки в этом интервале равна 1): (1.19) Для случайных ошибок отрицательные и положительные значения равновероятны. Поэтому вероятность того, что случайная ошибка не превзойдет некоторого значенияв сторону повышения и понижения, может быть вычислена следующим образом (1.20) Достаточно распространенным критерием точности является вероятная или срединная ошибка .

Вероятной (срединной) ошибкой ряда измерений называют ошибку, относительно которой возникающие при измерениях случайные ошибки распределяются таким образом, что половина из них по абсолютной величине меньше вероятной ошибки, а половина - больше нее. Следовательно, если в техническом опи­сании станции указана вероятная ошибка , то только 50% измерений (из достаточно большого числа измерений) выполняется станцией с ошибкой, не превышающей указанную.

Очень часто оценка точности различных измерительных устройств, в том числе и радиолокационных станций, производится с помощью среднеквадратичной ошибки.

Теория вероятностей дает следующую зависимость между среднеквадратичной и вероятной ошибками В некоторых случаях оценку точности станций производят значением наибольшей (максимальной) ошибки . Однако, как указывалось ранее, значения случайных ошибок бывают самые различные и иногда могут достигать больших величин. Поэтому характеристика станции наибольшей ошибкой должна обязательно сопровождаться дополнительными указаниями, напри­мер, указанием вероятности превышения данной ошибки. Часто за наибольшую ошибку принимают ошибку, в 4 раза превосходящую вероятнуюЭтой ошибке соответствует вероятность 0.993, т.е. всего 0.7% общего количества измерений дадут ошибку, превосходящую [4]. Точность измерения координат и параметров движения объекта является важнейшей характеристикой радиолокационных систем. Она определяется погрешностями измерений радиолокационного параметра - параметра радиосигнала, несущего информацию о координате или скорости объекта.

Методические и инструментальные погрешности можно уменьшить за счет совместной обработки (комплексирования) данных различных датчиков информации.

Случайные погрешности полностью неустранимы, но рациональным построением системы могут быть снижены до приемлемого уровня.

В случае многопозиционной системы, точность измерения зависит от количества n приемопередающий позиций. То есть чем больше независимых случайных реализаций, тем, точнее определяем математическое ожидание и дисперсию процесса. Если случайных реализаций, только два, что соответствует двухпозиционной системе, то для увеличения точности требуется накапливать данные в течение необходимого интервала времени.2 ОСОБЕННОСТИ КОМПЛЕКСИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ В МНОГОПОЗИЦИОННЫХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ 2.1 Определение многопозиционной радиолокационной системы

Многопозиционной радиолокационная система - система, состоящая из нескольких разнесенных в пространстве передающих, приемных или приемопередающих позиций, в которой осуществляется совместная обработка радиолокационной информации, получаемой этими позициями [6].

На рисунке 4 в качестве пояснения показано схематическое изображение МПРЛС, где РЛС - это совмещенные приемопередающие позиции, Пк - приемники, Пд - передатчики, ПСОИ - пункт совместной обработки информации, РЛИ - радиолокационная информация.

Рисунок 4 - Схематическое изображение МПРЛС

Основная идея многопозиционной радиолокации состоит в том, чтобы более эффективно, в отличии от обычных однопозиционных РЛС, использовать информацию заключенную в пространственных характеристиках электромагнитного поля рассеяния целью. РЛС, состоящая из одной передающей и одной приемной позиции, извлекает информацию только из одного участка поля, соответствующей апертуре приемной антенны, в то время как поле рассеяния создается во всем пространстве. В МПРЛС информация может быть получена из нескольких разнесенных в пространстве участков поля рассеяния, что позволяет повысить ряд важных

характеристик РЛС - точность измерения координат, разрешающую способность, помехозащищенность и др. [3].

Таким образом, многопозиционной радиолокации присущи два признака: наличие нескольких разнесенных позиций и совместная обработка информации об объектах наблюдения. Совместная обработка информации возможна, если в МПРЛС не менее двух приемопередающих позиций (однопозиционных РЛС) или двух разнесенных приемных позиций при одной передающей(которая может быть совмещена с одной из приемных).

В состав МПРЛС, кроме приемников, передатчиков и приемопередающих позиций, расположенных в различных точках пространства, и пункта совместной обработки информации, который может быть совмещен с одной из позиций, также входят линии связи для передачи информации от отдельных позиций на пункт обработки, синхронизации и управления позициями. Одним из вариантов построения МПРЛС является объединение в единый комплекс однопозиционных РЛС, расположенных как на земле, так и на борту летательного аппарата. Например наземная РЛС дальнего действия будет давать априорную информацию для бортовой РЛС летательного аппарата для определения размера зоны обзора, подробнее о определении размеров зоны поиска написано в статье [7] . Такие МПРЛС обладают большей гибкостью, поскольку могут переходить в режим работы обычной однопозиционной РЛС с целью экономии вычислительных мощностей и электроэнергии. При объединении результатов обнаружения целей, в независимо работающих РЛС, возможен выбор между объединением отметок и траекторий. В первом случае в центр обработки передается информация обо всех обнаруженных целях, во втором - только о целях, траектории которых обнаружены и взяты на сопровождение в самой РЛС. Каждый из подходов имеет свои преимущества и недостатки [6].

При объединении траекторий снижаются требования к пропускной способности линий связи между РЛС и центром обработки за счет фильтрации ложных отметок; снижается нагрузка на вычислительные устройства центра обработки, поскольку часть обработки осуществляется самой РЛС; имеется возможность адаптации алгоритмов траекторной обработки к обстановке, складывающейся в зоне видимости каждой РЛС.

При объединении отметок информации в центр обработки поступает больше, и начинает приходить она туда раньше - еще до того, как РЛС обнаружит траекторию, что способствует более раннему обнаружению новой траектории. За счет большего числа информации при объединении отметок увеличивается средняя продолжительность сопровождения траектории, уменьшается вероятность срыва сопровождения, повышается точность сопровождения.

Наиболее заметно преимущество объединения отметок перед объединением траекторий проявляется в зоне неуверенного обнаружения, где в отдельной РЛС не удается завязать траекторию вследствие недостаточного числа отметок, а в комплексе вероятность обнаружения траектории по отметкам от нескольких РЛС будет существенно выше. Отметим также необходимость создания только одной системы траекторной обработки, что облегчает ее наладку и эксплуатацию, позволяет оперативно вносить изменения при необходимости решения комплексом новых задач, например, сопровождения целей других типов [8]. 2.2 Обобщенная структурная схема комплексирования результатов измерений в двухпозиционной системе

Непосредственно после обнаружения и формирования каждая отметка по линиям связи поступает в центр обработки и управления РЛС. Дальнейшая обработка включает в себя преобразование координат отметок в единую систему координат (СК) (блок 1), отождествление отметок с сопровождаемыми траекториями (блок 2), состоящее из обнаружения траектории, фильтрации ее параметров и сброса траектории с сопровождения, в блоке 3 происходит оценка и совместная обработка информации, в блоке 4 идет окончательное построение траекторий.

Структурная схема построения траектории в МПРЛС представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Схема построения траекторий в ДПРЛС 2.3 Преобразование в единую систему координат

В ходе совместной (комплексной) обработки радиолокационной информации необходимо приведение измерений к единому отсчету в пространстве. Это достигается путем преобразования векторов измеренных параметров цели и их корреляционных матриц из локальных систем координат, связанных с отдельными РЛС, в единую систему координат, связанную с центром объединения. В качестве базовой предпочтительно использовать прямоугольную систему координат, ее основное преимущество состоит в том, что равномерное прямолинейное движение цели описывается линейными дифференциальными или разностными уравнениями первого порядка, в то время как в других системах координат уравнения движения нелинейны, что усложняет обработку и может привести к дополнительным ошибкам [9]. 2.4 Отождествление радиолокационной информации

После выполнения преобразование в единую систему координат, переходят непосредственно к решению задачи отождествления сообщений поступивших от разных РЛС. Эта задача решается в 2 этапа. Сначала производится грубое отождествление пар сообщений и формирование групп предварительно отождествленных сообщений, а затем - точное отождествление сообщений, отобранных в группы по каждой цели.

На первом этапе отождествление производится путем попарного сравнения координатных и скоростных составляющих сообщений Jij и Jkl. Если эти сообщений получены от одной и той же цели, то должны выполняться условия