СПОСОБ ТРАССОВОГО СОПРОВОЖДЕНИЯ ВОЗДУШНЫХ МАНЕВРИРУЮЩИХ ИСТОЧНИКОВ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ ПО ПЕЛЕНГОВОЙ ИНФОРМАЦИИ ОТ ОДНОПОЗИЦИОННОЙ СИСТЕМЫ РАДИОТЕХНИЧЕСКОЙ РАЗВЕДКИ ВОЗДУШНОГО БАЗИРОВАНИЯ Российский патент 2018 года по МПК G01S13/66 

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано для осуществления трассового сопровождения подвижных маневрирующих источников радиоизлучений (ИРИ) с помощью однопозиционных систем радиотехнической разведки (СРТР).

Автоматическое трассовое сопровождение целей в режиме обзора является одним из основных режимов функционирования современных и перспективных бортовых радиолокационных систем (БРЛС). Здесь под трассовым сопровождением понимается получение оценок декартовых координат и параметров движения цели в масштабе времени, близком к реальному.

Одновременно с развитием техники радиолокации совершенствуются возможности по радиоэлектронному подавлению всех режимов работы БРЛС, поэтому обеспечение надежного функционирования БРЛС в процессе автоматического сопровождения целей при обзоре пространства в условиях воздействия помех различного происхождения - одна из важнейших задач [1].

Одним из наиболее радикальных способов решения задачи помехозащиты является использование пассивных систем радиолокации, к которым относятся СРТР [2]. Особенностью таких систем является невозможность непосредственного измерения пространственных координат и скоростей движения целей, необходимых для решения задач мониторинга, целеуказания и наведения [3]. В этом случае для определения координат и параметров движения цели необходимо использовать способы их косвенного оценивания на основании угломерных данных [2, 4].

В изобретении предлагается новый способ определения координат и параметров движения целей на основании измерений, получаемых СРТР.

В качестве прототипа изобретения был выбран способ сопровождения подвижных ИРИ с использованием расширенного фильтра Калмана [5]. В прототипе использовалась модель прямолинейного равномерного движения, в соответствии с которой вектор состояния ИРИ состоит из декартовых координат ИРИ и компонентов скорости.

Рассмотренный в прототипе способ позволяет осуществлять устойчивое трассовое сопровождение воздушных неманеврирующих ИРИ по измерениям их азимутов и улов места при известных начальных оценках координат состояния ИРИ. Однако для маневрирующих ИРИ этот подход не работает, так как при их маневре возможно множество траекторий, положение ИРИ на которых будет соответствовать одному пеленгу, измеряемому СРТР. Предлагаемым способом решения указанной проблемы является фильтрация координат состояния ИРИ с использованием априорной модели состояния, определяющей постоянство модуля скорости. Указанная модель предполагает, что при маневрировании целей интенсивно меняется направление движения, в то время как модуль скорости меняется достаточно медленно.

Технический результат, который может быть получен от использования предлагаемого изобретения, заключается в возможности осуществлять устойчивое трассовое сопровождение воздушных маневрирующих ИРИ.

Заявленный технический результат, который может быть получен от реализации предлагаемого технического решения, достигается за счет использования алгоритма калмановской фильтрации измерений СРТР, основанного на использовании специальной априорной модели переходов состояния ИРИ, определяющей постоянство модуля скорости ИРИ.

На фигуре 1, иллюстрирующей геометрию решаемой задачи, OXYZ - наземная неподвижная прямоугольная система координат с осью OX, направленной на север.

Положение перемещающейся в пространстве СРТР, размещенной на летательном аппарате, определяется его навигационной системой и задается вектором состояния x_c=[x_c,y_c,z_c]^T. Местоположение цели определяется вектором состояния x=[x,y,z]^T. С выхода СРТР поступают измерения азимута α и угла места β цели, формируемые с учетом данных навигационной системы о положении осей измерительной аппаратуры СРТР.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в разработке нового способа трассового сопровождения маневрирующих ИРИ, который состоит в следующем.

На основании измерений от СРТР формируется дискретный случайный процесс, представляющий собой последовательность {z_p, z₂, …, z_k, …} векторов измерений z_k. При этом последовательность измерений в моменты времени от первого до k-го будем обозначать:

{Z}_k={z₁, z₂, …, z_k},

где вектор z_k образуют угломерные измерения СРТР полученные в момент t_k:

Модель измерений z_k определяется уравнением наблюдения:

где x_k - вектор координат состояния ИРИ в момент t_k;

x_ck - вектор координат состояния СРТР в момент t_k;

h(t_k,x_k,x_ck) - векторная функция полезного сигнала;

ξ_иk=[ξ_αk,ξ_βk]^T - дискретный белый шум с нулевым математическим ожиданием и корреляционной матрицей:

где , - СКО измерений азимута и угла места ИРИ в момент времени t_k.

Модель состояния представляется в виде

где x_k, y_k, z_k - координаты ИРИ в системе координат OXYZ;

θ_k - угол между вектором скорости ИРИ и плоскостью OXY;

ϕ_k - угол между проекцией вектора скорости ИРИ на плоскость OXY и осью OX;

V_k - модуль скорости ИРИ в k-й момент времени.

Δt_k|k-1 - интервал между текущим и предыдущим моментами времени;

f(x_k-1,Δt_k|k-1) - векторная переходная функция, определяемая соотношениями:

ξ_xk=[ξ_xk,ξ_yk,ξ_zk,ξ_θk,ξ_ϕk,ξ_Vk]^T - вектор белых гауссовских шумов состояния с нулевым математическим ожиданием и корреляционной матрицей D_xk, который определяет возможность маневра.

Разработанная модель (4)-(6) состояния предполагает, что ИРИ может совершать маневр только в горизонтальной плоскости, сохраняя постоянную по модулю скорость. Тогда все компоненты шумов состояния ξ_xk кроме ξ_ϕk имеют нулевые значения, а корреляционная матрица шумов состояния принимает вид:

где - модуль максимально возможной угловой скорости курса ИРИ.

Функция полезного сигнала h(t_k,x_k,x_ck) в уравнении наблюдения (2), зависящая от координат местоположения СРТР, для случая векторов наблюдения (1) и состояния (4) имеет вид:

Требуется, опираясь на модель наблюдений (2), (3), (8) и модель состояния (4)-(7), в каждый момент t_k оценивать компоненты вектора состояния (4) сопровождаемого ИРИ.

Важно отметить, что при сопровождении подвижных объектов в однопозиционных угломерных системах для соблюдения условий наблюдаемости необходимо наличие достаточно точных начальных оценок координат состояния ИРИ. Таким образом, разработанный алгоритм предполагает, что завязка трассы уже выполнена, и при этом имеются начальные оценки координат состояния ИРИ и дисперсии ошибок этих оценок. Такая ситуация характерна для случая сопровождения постановщиков активных помех, когда существует потенциальная возможность получить от системы активной радиолокации начальные оценки координат состояния цели, прежде чем на ней был задействован постановщик помех.

Так как переходная функция (6) и функция полезного сигнала (8) нелинейны относительно x_k, задача оценивания вектора состояния ИРИ формулируется как задача нелинейной дискретной фильтрации. Для ее решения целесообразно использовать расширенный фильтр Калмана, соотношения которого применительно к рассматриваемой задаче оценивания координат состояния ИРИ имеют вид [6]:

где и D_k|k-1 - экстраполированные с предыдущего момента t_k-1 регистрации на текущий момент t_k значения соответственно вектора оценки и матрицы ошибок этой оценки;

K_фk - весовая матрица фильтра в момент t_k;

Ф_k|k-1 и J_k - матрицы производных векторной переходной функции и векторной функции полезного сигнала соответственно, вычисляемые в точке экстраполированной оценки;

D_Δzk - корреляционная матрица невязки зарегистрированного измерения z_k относительно измерения, ожидаемого от ИРИ;

D_иk - корреляционная матрица шумов измерений;

D_xk - корреляционная матрица шумов состояния, которая зависит от модели движения ИРИ.

С учетом (4), (6) матрица Ф_k|k-1 и ее компоненты определяются соотношениями:

С учетом (4) и (8) матрица J_k и ее компоненты определяются соотношениями:

Экстраполированные с предыдущего момента t_k-1 регистрации на текущий момент t_k значения координат состояния определяются формулами:

Итоговые формулы расчета оценок координат состояния сопровождаемого ИРИ представляются в виде:

где - компоненты весовой матрица фильтра в момент t_k:

Возможность устойчивого трассового сопровождения воздушных маневрирующих ИРИ с использованием предлагаемого способа исследовалась в процессе имитационного моделирования сопровождения воздушного маневрирующего ИРИ с помощью СРТР воздушного базирования. Имитационная модель включала модели перемещения в пространстве воздушного маневрирующего ИРИ и подвижной СРТР, модель формирования измерений азимутов и углов места ИРИ в аппаратуре СРТР и разработанный алгоритм трассового сопровождения.

При моделировании измерения α_k, β_k формировались в результате наложения на реальные значения азимутов и углов места ИРИ случайных ошибок, распределенных по гауссовскому закону. При этом предполагалось, что завязка трассы уже была выполнена.

Исследования проводились для различных траекторий СРТР и ИРИ, интервалов поступления измерений и их точностей. На фигуре 2 в качестве примера представлен один из вариантов моделирования работы алгоритма. При моделировании полагалось, что угловые координаты ИРИ измеряются с периодом 5 с, среднеквадратическая ошибка (СКО) измерений составляет 0,2°, СКО начальных оценок координат состояния ИРИ по координатным компонентам составляли 1000 м, по углам ориентации вектора скорости ИРИ - 10°, по модулю скорости - 10 м/с.

Для рассмотренного случая на фигуре 3 представлены зависимости СКО ошибок оценивания декартовых координат ИРИ от времени, полученные методом статистических испытаний. На фигуре 4, а-б представлены зависимости СКО ошибок оценивания углов ориентации вектора скорости ИРИ в вертикальной и горизонтальной плоскостях соответственно от времени, а на фигуре 4, в - СКО оценивания модуля скорости от времени.

Результаты моделирования подтверждают, что предлагаемый способ в отличие от прототипа позволяет осуществлять устойчивое трассовое сопровождение воздушных маневрирующих ИРИ в реальном масштабе времени.

Предлагаемый способ может быть применен для многоцелевого трассового сопровождения ИРИ при условии предварительной реализации процедуры отождествления поступающих измерений от различных объектов.

Перечень использованных источников

1. Верба B.C. Авиационные комплексы радиолокационного дозора и наведения. Принципы построения, проблемы разработки и особенности функционирования. Монография. - М.: Радиотехника, 2014.

2. Авиационные системы радиоуправления: учебник для военных и гражданских ВУЗов и научно-исследовательских организаций. / В.И. Меркулов, В.С. Чернов, В.А. Гандурин, В.В. Дрогалин, А.Н. Савельев. Под ред. В.И. Меркулова. М.: Изд. ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского. 2008.

3. Меркулов В.И., Дрогалин В.В., Канащенков А.И., Лепин В.Н., Самарин О.Ф., Соловьев А.А. Авиационные системы радиоуправления. Т.2. Радиоэлектронные системы самонаведения. / Под ред. A.И. Канащенкова и В.И. Меркулова - М.: «Радиотехника», 2003.

4. Верба B.C., Меркулов В.И., Дрогалин В.В. и др. Оценивание дальности и скорости в радиолокационных системах. Ч.З. / Под ред. B.C. Вербы и B.И. Меркулова. - М.: Радиотехника. 2010.

5. Белик Б.В., Белов С.Г. Использование калмановской фильтрации для слежения за источниками радиоизлучения в системе радиомониторинга воздушного базирования. // Динамика сложных систем. 2016. №3.

6. Бар-Шалом Я. Траекторная обработка. Принципы, способы и алгоритмы: в 2 ч. / Я. Бар-Шалом, Х.-Р. Ли; [пер. с англ. Д.Д. Дмитриева]. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. - 239 с.

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано для осуществления трассового сопровождения подвижных маневрирующих источников радиоизлучений (ИРИ) с помощью однопозиционных систем радиотехнической разведки (СРТР) воздушного базирования. Достигаемый технический результат – устойчивое трассовое сопровождение воздушных маневрирующих ИРИ. Указанный результат достигается за счет того, что в СРТР измеряют значения азимутов и углов места ИРИ, на основании которых с использованием расширенного фильтра Калмана рассчитываются оценка координат состояния ИРИ и дисперсии ошибок оценивания соответствующих координат, при этом отличительной особенностью способа является используемая модель состояния ИРИ, которая предполагает, что ИРИ может совершать маневр только в горизонтальной плоскости, сохраняя постоянную по модулю скорость. 4 ил.

Способ трассового сопровождения воздушных маневрирующих источников радиоизлучения (ИРИ) по пеленговой информации от однопозиционной системы радиотехнической разведки (СРТР) воздушного базирования, заключающийся в том, что в СРТР, размещенной на летательном аппарате (ЛА), положение которой в пространстве определяют навигационной системой ЛА и задают вектором состояния

где x_c,у_c,z_c - декартовы координаты СРТР,

формируют поток векторов измерений параметров сигналов ИРИ

где z_k=[α_k,β_k]^Т - вектор измерений параметров сигналов ИРИ, положение которого в пространстве задают вектором состояния

где x,у,z - декартовы координаты ИРИ,

α_k и β_k - азимут и угол места ИРИ соответственно, измеренные в момент t_k,

используют правило формирования оценок координат состояния ИРИ и дисперсий D_k ошибок их оценивания на основе расширенного фильтра Калмана

где и - экстраполированные с предыдущего момента t_k-1 на текущий момент t_k значения соответственно оценки вектора и матрицы ошибок этой оценки;

функцию полезного сигнала h(t_k,x_k,x_ck) вычисляют по правилу

K_фk - весовая матрица фильтра в момент t_k;

и J_k - матрицы производных векторной переходной функции и векторной функции полезного сигнала соответственно, вычисляемые для экстраполированной оценки вектора состояния;

D_Δzk - корреляционная матрица невязки зарегистрированного измерения z_k относительно измерения, ожидаемого от ИРИ;

D_иk - корреляционная матрица шумов измерений;

D_xk - корреляционная матрица шумов состояния, определяемая моделью движения ИРИ,

отличающийся тем, что вектор состояния ИРИ для фильтра формируют в текущий момент t_k по правилу

а модель состояния - по правилу

где x_k, у_k, z_k - декартовы координаты ИРИ;

θ_k - угол между вектором скорости ИРИ и плоскостью OXY;

ϕ_k - угол между проекцией вектора скорости ИРИ на плоскость OXY и осью ОХ;

V_k - модуль скорости ИРИ;

- интервал между текущим и предыдущим моментами времени; векторную переходную функцию определяют по правилу

корреляционную матрицу D_xk вектора ξ_xk белых гауссовских шумов состояния с нулевым математическим ожиданием формируют по правилу

где - максимально возможная угловая скорость курса ИРИ, матрицу производных векторной переходной функции формируют по правилу

далее формируют экстраполированные с предыдущего момента t_k-1 на текущий момент t_k значения координат и параметров по правилам

после чего формируют оценки координат x_k, у_k, z_k и параметров θ_k, ϕ_k, V_k по правилам

где - компоненты весовой матрица фильтра в момент t_k:

затем полученные оценки координат и параметров передают потребителю.