Способ радиолокационного обнаружения маневра баллистической цели на пассивном участке траектории

Способ радиолокационного обнаружения маневра баллистической цели на пассивном участке траектории

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к устройствам траекторией обработки радиолокационной информации и может быть использовано в РЛС и в автоматизированных системах управления радиолокационных подразделений.

Обнаружение маневра баллистической цели (БЦ) на пассивном участке траектории (ПУТ) очень важно как с тактической, так и с технической точек зрения. Несвоевременное обнаружение маневра может привести к большим методическим ошибкам прогноза точки падения, так как при маневре дальность полета БЦ может увеличиваться на десятки километров. В техническом плане маневрирование БЦ может существенно ухудшить точность определения параметров ее движения и устойчивость автоматического сопровождения.

В связи с отмеченными обстоятельствами в состав РЛС целесообразно включать специальные обнаружители маневра (ОМ) для того, чтобы исключить измерения, произведенные на участке маневра, из обрабатываемой выборки.

Известны способы обнаружения маневра на основе оценивания ускорения и скорости изменения координаты цели, использования алгоритмов параметрической идентификации оцениваемых параметров с их априорными значениями, использования приемов обнаружения расходимости процесса фильтрации параметров и др. (Кузьмин С.З. Цифровая обработка радиолокационной информации. - М.: «Радио и связь», 1967. - С.310-311, С.346-347. Оценивание дальности и скорости в радиолокационных системах. Ч.2./ Под ред. В.И.Меркулова. - М.: «Радиотехника», 2007. - С.194-214). Основным недостатком этих способов является низкая чувствительность обнаружения маневра при грубых измерениях азимута и угла места цели.

Наиболее близким по своей сущности к заявляемому способу, то есть прототипу, является способ обнаружения маневра по абсолютной величине приращения скорости. (Кузьмин С.З. Цифровая обработка радиолокационной информации. - М.: «Радио и связь», 1967. - С.346-347). Применительно к баллистической цели маневр может быть обнаружен по абсолютной величине приращения скорости изменения горизонтальной декартовой координаты, так как движение ракеты вдоль горизонтальной оси декартовой системы координат является равномерным и составляющая скорости будет постоянной. (Жаков А.М., Пигулевский Ф.А. Управление баллистическими ракетами. - М.: «Воениздат МО СССР», 1965 - С.12-13). На участке маневра составляющая скорости вдоль горизонтальной оси будет переменной, так как появляются ускорения, вызванные действием сил и моментов устройств совершения маневра.

Вначале находят оценки скорости изменения декартовой координаты, например координаты х, в текущем обзоре V ^ x n и в предыдущем обзоре V ^ x n − 1 по одинаковым выборкам типа «скользящего окна» значений координаты и вычисляют их разность, то есть абсолютную величину приращения скорости:

| Δ V ^ x | = | V ^ x n − V ^ x n − 1 ) |

Затем делят эту абсолютную величину приращения скорости на среднеквадратическую ошибку (СКО) оценки скорости σ V ^ x и сравнивают с некоторым наперед заданным порогом (числом а) в каждом новом положении «скользящего окна».

Таким образом, обнаружитель маневра способом-прототипом представляет собой пороговое устройство и работает по следующему алгоритму:

если | Δ V ^ x | σ V ^ x > a - маневр обнаружен;

если | Δ V ^ x | σ V ^ x ≤ a - маневр отсутствует.

По аналогичному правилу обнаруживается маневр при использовании абсолютного приращения оценки скорости изменения другой горизонтальной декартовой координаты | Δ V ^ y | = | V ^ y n − V ^ y n − 1 | :

если | Δ V ^ y | σ V ^ y > a - маневр обнаружен;

если | Δ V ^ y | σ V ^ y ≤ a - маневр отсутствует.

Вероятность обнаружения маневра вычисляется по формуле:

р м а н . = 2 Ф 0 ( | Δ V ^ y | σ V ^ y ) = 2 2 π ∫ 0 | Δ V ^ y | σ V ^ y e − t 2 2 d t .

Значения нормированной функции Лапласа Ф₀(.) приведены в таблице 1.1.2.6.2. (Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. - М.: «Наука», 1980, С.92-93).

Величину порога выбирают соответственно заданной вероятности обнаружения маневра. Например, при пороге а=2 вероятность обнаружения маневра будет равна р_ман.=0,954, а при а=3 - р_ман.=0,997.

Оценки скорости изменения горизонтальных декартовых координат и СКО этих оценок вычисляются по формулам для линейной траектории путем оптимального взвешенного суммирования значений декартовых координат:

V ^ x = Δ ^ 1 x T 0 = 1 T 0 ∑ i = 1 n η ( i ) x i ; V ^ y = Δ ^ 1 y T 0 = 1 T 0 ∑ i = 1 n η ( i ) y i ,

где Δ ^ 1 x , Δ ^ 1 y - оценки первого приращения координаты за период обзора;

η ( i ) = 12 i − 6 − 6 n n ( n 2 − 1 ) - весовые коэффициенты оценки первого приращения (скорости);

Т₀ - период обзора РЛС;

n - число измерений в обрабатываемой выборке (объем выборки) (Кузьмин С.З. Цифровая обработка радиолокационной информации. - М: «Радио и связь», 1967, С.300-301).

Значения СКО оценок скорости вычисляются по формулам (там же, с.308):

σ V ^ x = σ x T 0 12 n ( n 2 − 1 ) , σ V ^ y = σ y T 0 12 n ( n 2 − 1 ) ,

где σ x = ( r  cos  ε  cos   β   σ β ) 2 + ( r  sin  ε sin   β   σ ε ) 2 - СКО вычисления декартовой координаты x;

σ y = ( r  cos  ε  sin  β   σ β ) 2 + ( r  sin  ε  cos  β   σ ε ) 2 - СКО вычисления декартовой координаты y;

σ_β, σ_ε - СКО измерения азимута и угла места. СКО измерения дальности не учитываются, так как они оказывают несущественное влияние.

Сущность обнаружения маневра способом-прототипом рассмотрим на примере работы обнаружителя маневра по выборкам из пяти значений декартовой координаты y. Структурная схема ОМ представлена на фиг.1. В его состав входят блок 1 преобразования измеренных полярных координат, то есть вычисления декартовой координаты y, блок 2 оценивания первого приращения координаты y за период обзора, делитель оценки первого приращения на период обзора (блок 3), линия задержки на период обзора (блок 4), инвертор (блок 5), сумматор 6 для вычисления абсолютного приращения оценок скорости, вычислитель среднеквадратической ошибки оценки скорости (блок 8), делитель 7 абсолютного приращения оценок скорости на среднеквадратическую ошибку оценки и пороговое устройство 9.

Вычисленные в блоке 1 значения координаты y подают на вход запоминающего устройства блоки 2, состоящего из 4-х линий задержки. Текущее значение координаты y₅, умножают на весовой коэффициент (0,2) и подают на вход сумматора. Значения координаты y₁-y_4, вычисленные по данным измерений дальности, азимута и угла места в предыдущих обзорах, после задержки на требуемое число периодов обзора и умножения на соответствующий весовой коэффициент подают одновременно с текущим взвешенным значением координаты на вход сумматора. Таким образом, на входе сумматора формируются в каждом обзоре фиксированные выборки из 5-ти взвешенных значений координаты, а на выходе сумматора получают оптимальные оценки первого приращения координаты. После деления этого приращения в блоке 3 на период обзора получают текущую оценку скорости изменения координаты и подают ее на вход сумматора 6. На другой вход сумматора поступает оценка скорости, полученная в предыдущем обзоре и умноженная на (-1). На выходе сумматора получают абсолютное приращение оценок скорости, делят его на СКО оценки скорости и подают на пороговое устройство 9. Решение об обнаружении маневра принимают в момент времени, когда абсолютное приращение оценок скорости к СКО оценки становится больше установленного порога а.

В качестве примера вычислим вероятность обнаружения маневра ракеты типа «Атакмс» на траектории с дальностью стрельбы 290 км. В таблице 1 приведены следующие параметры этой траектории:

время до момента падения ракеты Т_пад.;

измеренные полярные координаты: дальность r, угол места ε, радиальная скорость r ˙ ;

преобразованные координаты: высота z_i=r_isinε_i, декартовы горизонтальные координаты x_i=r_icosε_isinβ_i, y_i=r_icosε_icosβ_i, произведение дальности на радиальную скорость r i r ˙ i .

РЛС «Резонанс-НЭ» находится в плоскости траектории в 200 км от точки падения. Азимут БЦ равен 45°. Среднеквадратические ошибки (СКО) измерения координат: дальности σ_r=300 м, радиальной скорости σ r ˙ = 1,5   м / с , угла места и азимута σ_β=σ_ε=90 мин (Вооружение ПВО и РЭС России. Альманах. - М.: Издательство НО «Лига содействия оборонным предприятиям», 2011. - С.356-361).

Таблица 1
			r ˙ ,  м/с
Тпад.,с	r, км	ε, град	z, км	х, y, км	r i r ˙ i ,   к м 2 / с 2
1	2	3	4	5	6	7
246	321,1	8,81	-1051	49,18	224,37	-337,38
236	310,53	8,0	-1063	43,22	217,44	-330,03
226	299,86	6,96	-1069	36,34	210,47	-320,55
216	289,18	5,65	-1065	28,47	203,47	-307,977
206	278,62	4,06	-1043	19,73	196,52	-290,60
196	268,5	2,19	-965	10,26	189,72	-259,10
186	258,65	1,5	-910	6,77	182,83	-235,35
176	250,85	1,52	-948	6,65	177,31	-162,60
166	245,45	2,01	-448	8,61	173,45	-109,96
156	241,58	2,57	-383	10,83	170,65	-81,73

Маневр начинается за 196 секунд до точки падения ракеты. Для обнаружения маневра формируются выборки из пяти значений координат. Результаты вычислений представлены в таблице 2.

Таблица 2
Момент оценивания, с	206	196	186	176	166	156
V ^ y n ( V ^ x n ) ,  м/с	-697	-694	-690	-660	-585	-475
| Δ V ^ y | ,  м/с	-	3	4	30	75	110
σ V ^ y ,  м/с	174	169	163	157	152	147
| Δ V ^ y | σ V ^ y
0	0,02	0,02	0,19	0,49	0,75
р м а н . = 2 Ф 0 ( | Δ V ^ y | σ V ^ y )
0	0	0	0,15	0,38	0,55

Как видно из приведенного примера, из-за больших ошибок измерения азимута в РЛС «Резонанс-НЭ» маневр практически не обнаруживается. Чтобы обнаруживался маневр с вероятностью не ниже 0,95 на 176-й секунде (через 2 обзора после начала маневра), необходимо установить порог а=2 и уменьшить ошибку измерения азимута более, чем на порядок (с σ_β=90 мин до σ_β=9 мин).

Таким образом, основным недостатком прототипа является низкая вероятность обнаружения маневра при грубых измерениях азимута и угла места. Поэтому в РЛС, размеры антенны которых соизмеримы с длиной волны, в первую очередь в РЛС метрового диапазона волн, использовать данный способ нецелесообразно.

Техническим результатом настоящего изобретения является разработка нового способа, при использовании которого повышается вероятность обнаружения маневра за счет исключения измерений азимута и угла места из обрабатываемых выборок.

Для достижения этого результата используют высокоточные измерения дальности r_i и радиальной скорости (скорости изменения дальности) r ˙ i . В заявляемом изобретении вычисляют оценки скорости изменения произведения дальности r_i на радиальную скорость r ˙ i путем оптимального взвешенного суммирования фиксированной выборки типа «скользящего окна» значений произведений дальности на радиальную скорость r i r ˙ i :

V ^ r i r ˙ i = Δ ^ 1 r r ˙ T 0 = 1 T 0 ∑ i = 1 n η ( i ) r i r ˙ i

СКО оценок вычисляют также, как в прототипе:

σ V ^ r r = σ r r ˙ T 0 12 n ( n 2 − 1 ) ,

где σ r r ˙ = ( r σ r ˙ ) 2 + ( r ˙ σ r ) 2 - СКО вычисления произведения дальности на радиальную скорость;

r_i, r ˙ i - измеренные значения дальности и радиальной скорости;

σ_r, σ r ˙ - среднеквадратические ошибки измерения дальности и радиальной скорости.

В отличие от прототипа величина СКО оценки зависит только от ошибок измерения радиальной скорости и дальности. Ошибки измерения радиальной скорости и дальности не зависят от размеров антенны и могут быть уменьшены до нескольких метров в секунду и до нескольких десятков или сотен метров.

Сущность обнаружения маневра заявляемым способом рассмотрим на примере работы обнаружителя маневра по выборкам из трех и пяти значений произведений дальности на радиальную скорость. Структурная схема ОМ представлена на фиг.2. В его состав входят блок 1 преобразования измеренных полярных координат, то есть вычисления произведения дальности на радиальную скорость, блок 2 оценивания первого приращения произведения дальности на радиальную скорость за период обзора, два делителя (блоки 3 и 6) оценки первого приращения на период обзора, линия задержки на период обзора (блок 4), инвертор (блок 5), сумматор для вычисления абсолютного приращения оценок скорости (блок 7), блок 9 вычисления среднеквадратической ошибки оценки скорости, делитель 8 абсолютного приращения оценок скорости на среднеквадратическую ошибку оценки скорости и пороговое устройство 10.

Значения вычисленных в первом блоке произведений дальности на радиальную скорость подают на вход запоминающего устройства блока 2, состоящего из 4-х линий задержки.

Текущее значение r 5 r ˙ 5 умножают на весовой коэффициент, равный 0,2, и подают на вход первого сумматора. Одновременно с этим сигналом на вход сумматора подаются значения произведений, задержанные на 1, 3 и 4 обзора РЛС и умноженные на свои весовые коэффициенты. В итоге, как и в прототипе, на выходе сумматора получают оценку первого приращения по выборке из 5-ти значений произведений дальности на радиальную скорость:

Δ ^ 1 r r ˙ ( 5 ) = 2 r 5 r ˙ 5 + r 4 r ˙ 4 − r 2 r ˙ 2 − 2 r 1 r ˙ 1 10 .

В блоке 2 оценивают также первое приращение по выборке из 3-х значении произведении дальности на радиальную скорость: Δ ^ 1 r r ˙ ( 3 ) = r 4 r ˙ 4 − r 2 r ˙ 2 2 . Для этого на вход второго сумматора подают задержанные на период обзора и на три периода обзора взвешенные значения произведений дальности на радиальную скорость. Как видно из приведенных формул, в отличие от прототипа оценки скорости вычисляют по выборкам разного объема для одной точки траектории ракеты (для середины интервала наблюдения).

Оценку первого приращения Δ ^ 1 r r ˙ ( 5 ) делят в блоке 6 на период обзора и получают оценку скорости V ^ r r ˙ ( 5 ) . Эту оценку подают на вход сумматора 7. Оценку первого приращения Δ ^ 1 r r ˙ ( 3 ) , полученную по выборке меньшего объема, делят в блоке 3 на период обзора и получают оценку скорости V ^ r r ˙ ( 3 ) . Чтобы оценка V ^ r r ˙ ( 3 ) поступала на вход сумматора 7 одновременно с оценкой V ^ r r ˙ ( 5 ) , ее задерживают на период обзора в блоке 3. Чтобы получить приращение оценок, V ^ r r ˙ ( 3 ) умножают на (-1) в блоке 5.

Полученное на выходе сумматора 7 значение абсолютного приращения оценок скорости | Δ V ^ r r ˙ | = | V ^ r r ˙ ( 5 ) − V ^ r r ˙ ( 3 ) | делят в блоке 8 на СКО ки σ V ^ r r ˙ , вычисленную в блоке 9 для выборки меньшего объема, и подают на пороговое устройство 10. Решение об обнаружении маневра принимают в момент времени, когда отношение абсолютного приращения оценок скорости к СКО оценки становится больше заданного порога.

В качестве примера вычислим вероятность обнаружения маневра ракеты типа «Атакмс» заявляемым способом по исходным данным таблицы 1. Результаты вычислений приведены в таблице 3.

Таблица 3
						166
Момент оценивания, с	216	206	196	186	176
0,846	1,1	1,494	2,45	2,76	4,82
V ^ r i r ˙ i ( 3 ) , V ^ r i r ˙ i ( 5 ) ,  км 2 /с 2	0,867	1,16	1,717	3,33	3,46	3,58
| Δ V ^ r r ˙ | ,  км 2 /с 2	0,02	0,05	0,22	0,88	0,70	1,24
σ V ^ r r ˙ ,  км 2 /с 2	0,04	0,04	0,038	0,037	0,036	0,035
| Δ V ^ r r ˙ | σ V ^ r r ˙
0,5	1,25	5,9	24	19	35
р м а н . = 2 Ф 0 ( | Δ V ^ r r ˙ σ V ^ r r ˙ )
0,38	0,78	1	1	1	1

Как видно из приведенного примера, заявляемый способ характеризуется высокой чувствительностью. В отличие от прототипа маневр обнаруживается в РЛС «Резонанс-НЭ» с вероятностью, близкой единице, в самом начале, то есть на 196-й секунде полета ракеты. Данный эффект достигается за счет использования высокоточных измерений радиальной скорости ( σ r ˙ = 1,5  м/с ) и дальности (σ_r=300 м) и устранения влияния грубых измерений азимута и угла места (σ_β=σ_ε=90 мин).

Заявляемое изобретение соответствует условиям новизны и изобретательского уровня. Признаками изобретения, совпадающие с признаками прототипа, являются следующие операции:

преобразование измеренных полярных координат;

вычисление оценок скорости изменения преобразованных координат по фиксированным выборкам значений преобразованных координат и значений СКО этих оценок;

вычисление абсолютного приращения оценок скорости;

деление абсолютного приращения оценок скорости на СКО оценок;

принятие решения об обнаружении маневра в момент времени, когда отношение абсолютного приращения оценок скорости к СКО оценки скорости превышает заданный порог, величину которого выбирают исходя из заданной вероятности обнаружения маневра.

Отличительные признаки заявляемого изобретения.

При преобразовании измеренных полярных координат вычисляют произведения дальности на радиальную скорость, а не значения декартовых координат.

Формируют фиксированные выборки значений произведений дальности на радиальную скорость, а не выборки декартовых координат.

Оценки скорости изменения произведения дальности на радиальную скорость вычисляют для одной точки траектории (для середины интервала наблюдения) по фиксированным выборкам значений произведений дальности на радиальную скорость разного объема. Оценки скорости изменения декартовых координат вычисляют по выборкам декартовых координат одинакового объема в соседних периодах обзора.

В заявляемом изобретении не используются результаты измерений азимута и угла места. Вероятность обнаружения маневра зависит от ошибок измерения радиальной скорости и дальности. В прототипе не используются результаты измерений радиальной скорости. Вероятность обнаружения маневра зависит от ошибок измерения азимута и угла места, а ошибки измерения дальности оказывают несущественное влияние.

Использование заявляемого способа радиолокационного обнаружения маневра баллистической цели на пассивном участке траектории позволит повысить вероятность обнаружения маневра в РЛС с грубыми измерениями азимута и угла места. Своевременное обнаружение маневра позволит устранить методические ошибки определения параметров движения ракеты, экстраполяции баллистической траектории и прогноза точки падения ракеты за счет исключения измерений дальности, азимута, угла места, радиальной скорости, произведенных на участке маневра, из состава обрабатываемых выборок.

Таким образом, способ радиолокационного обнаружения маневра баллистической цели на пассивном участке траектории заключается в том, что производят преобразование измеренных полярных координат баллистической цели, формируют фиксированные выборки типа «скользящие окна» значений преобразованных координат, вычисляют скорости изменения преобразованных координат и среднеквадратичную ошибку оценки скорости, вычисляют абсолютное приращение оценок скорости, вычисляют отношение абсолютного приращения оценок скорости к среднеквадратичной ошибке оценки скорости, решение об обнаружении маневра принимают в момент времени, когда отношение абсолютного приращения оценок скорости к среднеквадратической ошибки оценки скорости становится больше порога, величину которого выбирают в соответствии с заданной вероятностью обнаружения маневра, при преобразовании измеренных полярных координат вычисляют произведения измеренных значений дальности на измеренные значения радиальной скорости, формируют две фиксированных выборки произведений дальности на радиальную скорость, при этом одна из выборок входит в состав другой выборки, находят оценки скорости изменения произведения дальности на радиальную скорость для середины интервала наблюдения по двум выборкам, вычисляют абсолютное приращение оценок скорости и делят его на среднеквадратическую ошибку оценки скорости в выборке меньшего объема, решение об обнаружении маневра принимают в момент времени, когда отношение абсолютного приращения оценок скорости к среднеквадратической ошибке оценки скорости становится больше порога.

Способ радиолокационного обнаружения маневра баллистической цели на пассивном участке траектории, заключающийся в том, что производят преобразование измеренных полярных координат баллистической цели, формируют фиксированные выборки типа «скользящего окна» значений преобразованных координат, вычисляют оценку скорости изменения преобразованных координат и ее среднеквадратическую ошибку, вычисляют отношение абсолютного приращения оценок скорости изменения преобразованных координат в двух выборках к среднеквадратической ошибке этой оценки, решение об обнаружении маневра принимают по результатам сравнения полученного отношения абсолютного приращения оценок скорости изменения преобразованных координат к среднеквадратической ошибке этой оценки в каждом новом положении «скользящего окна» с порогом, соответствующим заданной вероятности обнаружения маневра, отличающийся тем, что измеряют радиальную скорость баллистической цели, при преобразовании измеренных полярных координат вычисляют произведения измеренных значений дальности на измеренные значения радиальной скорости и преобразуют эти произведения в цифровые сигналы, в каждом новом положении «скользящего окна» формируют две фиксированные вы