В 2002 году Департаментом Государственного регулирования организации воздушного движения государственной службы гражданской авиации (ДГР ОрВД ГС ГА) Минтранса России была утверждена «Концепция совершенствования наблюдения в интересах гражданской авиации Российской Федерации».
Эта концепция согласуется с международной концепцией CNS/ATM, разработанной ИКАО, и «Стратегией наблюдения» Европейской конференции по вопросам гражданской авиации (ЕКГА), которые основным компонентом будущей системы возможного наблюдения определяют автоматическое зависимое наблюдение (АЗН), использующее сигналы глобальной спутниковой навигационной системы GNSS. Целостность, готовность и непрерывность функции наблюдения будет обеспечиваться за счет высокого уровня характеристик GNSS и линии передачи данных (ЛПД).
Концепция совершенствования наблюдения в интересах гражданской авиации Российской Федерации основывается на использовании рационального сочетания различных технологических решений. В качестве базовых технологий наблюдения в концепции рассматриваются:
— первичный обзорный радиолокатор (ПОРЛ);
— вторичный обзорный радиолокатор (ВОРЛ);
— автоматическое зависимое наблюдение: вещательное (АЗН-В) и адресное (АЗН-А) или контрастное (АЗН-К).
До внедрения АЗН-В наблюдение в воздушном пространстве будет обеспечиваться в первую очередь традиционными ПОРЛ и ВОРЛ.
Концепция совершенствования наблюдения обеспечивает реализацию перспективных концепций ОрВД ИКАО: свободного полета, передачи ответственности за эшелонирование на борт воздушного судна (ВС) и непрерывного обслуживания на всех этапах полета. Долгосрочная цель концепции состоит в том, чтобы АЗН-В было развернуто и стало основным методом наблюдения в целях организации воздушного движения в Российской Федерации. Однако в течение определенного периода не предполагается использовать АЗН-В в качестве единственного средства, за исключением удаленных районов, в которых отсутствует другая инфраструктура наблюдения.
В областях воздушного пространства, где увеличение плотности движения не превысит возможности существующих радиолокационных средств, они в обозримом будущем будут адекватно обеспечивать функцию наблюдения.
Необходимо отметить также, что до тех пор, пока характеристики глобальной навигационной спутниковой системы, включая ее функциональные дополнения, не будут в полной мере соответствовать требованиям соответствующих стандартов ИКАО, функция АЗН-В должна будет поддерживаться традиционными источниками наблюдения ПОРЛ и BOPJ1, которые должны обеспечивать независимое подтверждение информации АЗН-В о местоположении ВС.
Рост интенсивности мирового воздушного движения требует неуклонного повышения эффективности национальных систем УВД. В соответствии с концепцией модернизации и развития Единой системы организации воздушного движения предусматривается внедрение отечественных АС УВД с новой архитектурой в части рабочих мест диспетчеров, программного обеспечения, автоматической передачи информации в смежные системы и обмена с главным центром управления потоками, подсистем планирования, наблюдения, связи, метеообеспечения и предупреждения столкновений на базе более широкого внедрения высокопроизводительных процессоров и ЭВМ, машинного обмена данными, внедрения моноимпульсных ВРЛ, цифровых ЛПД, а также сопряжения с системой АЗН и ведомственными АСУ.
Проектами модернизации системы ОрВД предусматривается повышение безопасности полетов, улучшение взаимодействия и координации работ экипажей ВС и диспетчеров УВД, оптимизация структур маршрутов, гармонизация системы ОрВД России с международными аэронавигационными системами.
Опыт использования автоматизированной аппаратуры обработки данных в составе систем УВД свидетельствует о наличии ряда трудностей, связанных с обеспечением высоконадежного радиолокационного сопровождения ВС. Эти трудности вызваны двумя принципиальными фактами, нарушающими работу АС УВД. Во-первых, это пропуск полезных эхо-сигналов от воздушных объектов в некоторых районах воздушного пространства, «засвеченных» помехами большого уровня от подстилающей поверхности. Во-вторых — насыщение аппаратуры сопровождения нежелательными локальными эхо-сигналами (помехами от отдельных неподвижных или малоподвижных объектов: местных предметов, метеорологических образований и «ангелов»).
Наряду с этим, в современных РЛС УВД, особенно используемых в АС УВД, предъявляются повышенные требования к точности измерения координат и разрешению сближенных целей. Для решения перечисленных задач необходимо провести углубленный анализ процесса обнаружения как одиночных целей, так и частично перекрывающихся и близко расположенных целей с учетом всех основных характеристик цели и РЛС, который позволил бы выработать новые эффективные алгоритмы обработки для достижения существенного улучшения всех важнейших характеристик, обеспечивающих повышение эффективности определения местоположения ВС, в т. ч.: вероятностные характеристики обнаружения в условиях помех;
— точность измерения дальности и азимута;
— разрешающая способность по дальности и по азимуту.
Развитие в настоящее время адаптивных методов обработки сигналов наряду с возможностью реализации сложных алгоритмов на микропроцессорах позволяет предложить новых подход к решению перечисленных проблем. При этом должны учитываться параметры не только отдельных входящих устройств, но и всей системы «РЛС — Окружающее пространство-Цель».
Так как радиолокационной системе все время приходится определять изменяющиеся параметры цели в условиях априорной неопределенности параметров окружающей среды, необходимо создавать систему, обучающуюся в процессе функционирования. Только использование адаптивных методов дает возможность реализации системы, которая будет автоматически учитывать неизвестную помеховую обстановку в реальном времени и в то же время обеспечивать оптимальные рабочие характеристики.
Можно выделить три области, где успешно используются адаптивные методы: передающая подсистема (формирование излучаемого сигнала), антенная подсистема (управление лучом), подсистема обработки сигналов.
Основной из трех рассмотренных подсистем, очевидно, является подсистема обработки, так как данные, получаемые на выходе, могут использоваться для управления диаграммой направленности антенны (ДНА), структурой приемного тракта и его коэффициентом усиления, а также длительностью зондирующих импульсов передатчика.
Практически адаптивность к окружающей среде осуществляется за счет использования устройств, способных распознавать следующие типы помех: помехи от подстилающей поверхности (земли или моря), помехи метеорологические (от дождя или «ангелы), активные помехи.
При рассмотрении различных явлений, ограничивающих возможности РЛС по сопровождению ВС, становится ясным, что многие из этих явлений оказываются независимыми, и что борьба с соответствующими помехами может осуществляться с помощью различных технических решений. Однако наилучшие результаты могут быть получены только при комплексном использовании адаптивных методов во всех вышеперечисленных подсистемах.
Для обеспечения такой адаптации должны быть удовлетворены три основных требования:
— условия размещения РЛС должны способствовать адаптации к постоянным мешающим факторам, т. е. к характеру местности и окружающим местным предметам (статическая адаптивность);
— радиолокационная система должна адаптироваться к мешающим явлениям, изменяющимся во времени и в пространстве, облака, дождь, снег, «ангелы» (динамическая адаптивность);
— должен осуществляться автоматический выбор наилучшей выходной информации приемника для обеспечения возможности постоянного сопровождения нужных воздушных объектов.
Анализ опубликованных работ показывает, что к настоящему времени достаточно подробно исследованы только ряд отдельных вопросов, касающихся использования адаптивных методов управления в радиолокационных системах. При этом основное внимание уделяется пространственной адаптации, т. е. управлению лучом фазированной антенной решетки, а также созданию перспективных систем селекции движущихся целей (СДЦ).
В то же время не следует забывать, что в эксплуатации находится целый ряд радиолокаторов, построенных по традиционной схеме. Традиционные средства наблюдения, используемые в ОрВД России, характеризуются принципиальными недостатками, связанными с ограниченной зоной действия и разрывами в радиолокационных полях, особенно в труднодоступных регионах. Так как обновление парка радиолокаторов — процесс постепенный, то актуальным становится вопрос о создании автоматизированных систем УВД на базе имеющихся радиолокационных средств. При этом обеспечение необходимых характеристик системы в первую очередь достигается за счет внедрения современных методов обработки радиолокационной информации.
В последнее время произошло качественное совершенствование цифровой элементной базы, появились высокопроизводительные программируемые вычислительные средства, что дает возможность реализации сложных помехоустойчивых алгоритмов обработки информации в реальном времени при небольших массо-габаритных характеристиках.
Современные методы и средства позволяют существенно повысить эффективность проектирования, качество и технологичность реализации радиотехнических систем, обеспечить их высокие эксплуатационные параметры.
Создание автоматизированных радиолокационных систем с применением методов цифровой обработки сигналов, обеспечивающих высокую стабильность, надежность, унификацию аппаратуры, а также разработка адаптивных устройств обработки радиолокационных сигналов и исследование путей повышения их эффективности является актуальной задачей.
Цель данной работы заключается в разработке, совершенствовании и реализации методов и цифровых устройств адаптивной обработки радиолокационных сигналов, обеспечивающих повышение эффективности определения местоположения воздушных судов РЯС систем УВД.
Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих основных задач:
1. Анализ проблемы и перспективы повышения эффективности радиолокационного наблюдения в автоматизированных системах УВД.
2. Разработка и исследование методов построения адаптивных цифровых устройств (АЦУ) обработки радиолокационных сигналов.
3. Оптимизация перестраиваемых комплексных цифровых фильтров (ЦФ) АЦУ, обеспечивающих необходимое улучшение отношения сигнал/пассивная помеха.
4. Анализ и синтез подоптимальных ЦФ, обеспечивающих эффективность подавления пассивных помех и выделения полезных сигналов близкую к оптимальной.
5. Разработка и исследование алгоритмов первичной обработки информации, приводящих к повышению помехозащищенности и эффективности определения местоположения ВС.
6. Анализ и синтез алгоритмов первичной обработки информации.
7. Оценка эффективности подавления помех в РЯС УВД с оптимальными и подоптимальными устройствами обработки радиолокационных сигналов.
8. Аппаратная реализация, экспериментальные исследования и проверка эффективности разработанных методов и устройств.
9. Внедрение и штатная эксплуатация АЦУ и АПОИ в составе действующих и новых РЯС УВД.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались методы статистической теории обнаружения и оценки параметров сигналов, теории цифровых фильтров, теории матриц. Применено векторно-матричное представление радиолокационных сигналов. Использованы положения теории непараметрических статистик, а также теории распознавания образов.
Достоверность научных положений, полученных результатов и выводов базируется на применении адекватного математического аппарата и подтверждается результатами статистического моделирования и практического использования.
Научная новизна заключается в следующем:
1. Создан цельный по форме и содержанию комплекс методов, алгоритмов и моделей, удовлетворяющий требованиям задач анализа и синтеза устройств обработки радиолокационных сигналов на фоне помех, повышающих системные характеристики качества РЯС УВД. При этом получены новые методы, способы, алгоритмы и модели:
2. Выполнены разработка и совершенствование технических средств обработки радиолокационной информации для РЯС УВД, синтезированных с использованием полученных методов и математических моделей и обеспечивающих существенное улучшение характеристик наблюдаемости полезных сигналов на фоне помех:
3. Выполнены расчеты, полунатурное моделирование и экспериментальные исследования, получены, накоплены и произведена обработка данных, подтверждающих эффективность разработанных алгоритмов, методов и устройств обработки радиолокационных сигналов.
4. Проведены испытания устройств, реализованных в виде экспериментальных и промышленных серийных образцов, подтверждающих улучшение системных показателей качества РЛС УВД.
Практическая ценность работы состоит в научном обосновании путей достижения необходимых характеристик источников радиолокационной информации, входящих в АС УВД, с целью выполнения требований по обеспечению необходимой надежности, безопасности и высокой пропускной способности системы УВД.
Применение нового подхода к вопросу обработки радиолокационной информации и реализация предложенных алгоритмов позволили разработать аппаратуру, которая обеспечила сопряжение РЛС прежних выпусков с современными автоматизированными системами УВД.
На защиту выносятся обладающие научной новизной следующие основные положения:
1. Новый подход к вопросу обработки радиолокационной информации с целью повышения эффективности определения местоположения воздушных судов в системах УВД, основанный на рассмотрении параметров не только отдельных входящих устройств, но и всей системы «РЛС — Окружающее пространствоЦель».
2. Методы оптимизации комплексных ЦФ АЦУ и АПОИ.
3. Способы построения подоптимальных комплексных ЦФ АЦУ и АПОИ, обеспечивающие при минимальных аппаратных затратах эффективность, близкую к оптимальной.
4. Алгоритмы автоматической оценки параметров помех и шумов.
5. Структурные схемы оптимальных и подоптимальных ЦФ АЦУ и АПОИ.
6. Принципы построения цифровых карт параметров отражений от местных предметов и гидрометеоров.
7. Практическая реализация и результаты экспериментальных полигонных исследований и Государственных испытаний опытных и серийных образцов АЦУ и АПОИ в составе РЛС УВД.
Практическая реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в ряде ОКР, выполненных в ЗАО «Приор», ОАО «ВНИИРА» и ООО «Северный радиозавод». В частности, серийные образцы АПОИ «Приор» имеют Государственный сертификат, внедрены и находятся в штатной эксплуатации в составе следующих радиолокационных комплексов УВД, установленных на более чем 100 объектах России и стран СНГ: Экран-85, Иртыш, ДРЛ7СМ, ТРЛК-10, ТРЛК11, 1РЛ139, 1Л118, ВРЛ Корень-АС, Радуга и Амур. Результаты работы внедрены в опытном образце АРЛК «Урал».
Апробация работы. Научные результаты работы докладывались и обсуждались на VIII Всесоюзной научно-технической конференции (г. Ленинград, ВНИИРА, 1981 г.), XXXVIII Областной научно-технической конференции НТО РЭС им. А. С. Попова (г. Ленинград, 1983 г.), IX Всесоюзной научно-технической конференции (г. Ленинград, ВНИИРА, 1983 г.), I Всесоюзной научно-технической конференции НПП «Фазотрон «(г. Москва, 1990 г.), VII Всесоюзной научно-технической конференции (г. Киев, КВЗРИУ, 1990 г.), XII межвузовской научно-технической конференции (С-Пб.: ВМИРЭ, 2001), VII Международной научно-технической конференции «DSPA-2005» (г. Москва, 2005 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 21 печатных работах. Разработанные технические решения защищены 1 авторским свидетельством.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 75 наименований, 4 приложений, всего 210 страниц текста, 68 рисунков и 4 таблицы.
Выводы по главе 4.
1. Исследованы и приведены принципы построения аппаратуры первичной обработки информации АПОИ «Приор», получившей, как универсальное средство, наибольшее распространение в аэропортах РФ и позволяющее работать с различными видами и типами РЛС.
2. Выполнен синтез и приведены структурные схемы процессора обработки информации ПРЛ, адаптера и плотэкстрактора ПРЛ.
3. Разработаны и рассмотрены алгоритмы обработки, формирования карт помех и адаптивной фильтрации. Приведен пример панелей управления, с помощью которых осуществляется установка параметров фильтрации для различных типов РЛС.
4. На примере реальной радиолокационной обстановки показана эффективность разработанных алгоритмов.
5. АПОИ «Приор», в которой реализованы разработанные в работе алгоритмы, являются адаптивными и успешно функционирует более чем на 100 объектах, что позволило в короткие сроки создать в нашей стране современные АС УВД при использовании старого парка радиолокаторов,.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
1. Действующая в РФ ЕС ОрВД обеспечивает государственное регулирование движением ВС и контроль за использованием воздушного пространства. Однако по целому ряду причин она нуждается в модернизации. Одним из возможных и наиболее рациональных путей повышения эффективности функционирования всей системы является совершенствование аппаратно-программных средств обработки радиолокационной информации в радиолокационных комплексах АС УВД.
2. Создан цельный по форме и содержанию комплекс методов, алгоритмов и моделей, удовлетворяющий требованиям задач анализа и синтеза устройств обработки радиолокационных сигналов на фоне помех, повышающих системные характеристики качества РЛС УВД. При этом получены следующие новые методы, способы, алгоритмы и модели:
— метод повышения эффективности определения местоположения воздушных судов в системах УВД, основанный на рассмотрении параметров не только отдельных входящих устройств, но и всей системы «РЛС — Окружающее пространство — Цель».
— метод оптимизации комплексной цифровой когерентной обработки радиолокационных сигналов, в условиях однои двухкомпонентных пассивных помех,.
— способ и алгоритм, обеспечивающие устойчивость, быструю сходимость и заданную точность стабилизации вероятности ложной тревоги,.
— способы подоптимальной адаптивной цифровой обработки радиолокационных сигналов, обеспечивающие при простой аппаратной реализации эффективность, близкую к оптимальной,.
— способ идентификации сигналов на принадлежность к отметкам от ВС или к точечным остаткам от помех путем анализа вектора характерных признаков (распознавание образов),.
— алгоритмы оценки корреляционных (спектральных) параметров пассивных помех,.
— алгоритмы оценки пространственных размеров отметки от ВС, позволяющие произвести более точные измерения координат ВС и выделить дополнительные характерные признаки, позволяющие повысить достоверность идентификации ВС,.
— модели обрабатываемых радиолокационных сигналов, алгоритмов обработки, а также оптимальных и подоптимальных устройств когерентной обработки во временной и частотной областях.
3. Выполнены разработка и совершенствование технических средств обработки радиолокационной информации для РЛС УВД, синтезированных с использованием полученных методов и математических моделей и обеспечивающих существенное улучшение характеристик наблюдаемости полезных сигналов на фоне помех:
— комплексных ЦФ для устройств обработки радиолокационных сигналов, позволяющих улучшить отношение сигнал/пассивная помеха плюс внутриприемный шум на величину до 7 дБ,.
— цифровых устройств автоматической оценки корреляционных параметров пассивных помех для ЦФ, позволяющих реализовать адаптивную обработку радиолокационных сигналов в реальном масштабе времени,.
— цифровых устройств, реализующих в зависимости от вида помех различные алгоритмы обработки на различных участках зоны обзора РЛС, что позволяет оптимальным образом выбрать необходимые алгоритмы обработки,.
— цифровых устройств, реализующих адаптивное обнаружение в условиях параметрической неопределенности сигналов и помех,.
— цифровых адаптивных вычислителей параметров основных типов помех, обеспечивающих оценку пространственных, временных и частотных характеристик помех.
4. Выполнены расчеты, полунатурное моделирование и экспериментальные исследования, получены, накоплены и произведена обработка данных, подтверждающих эффективность разработанных алгоритмов, методов и устройств обработки радиолокационных сигналов. Содержание результатов состоит в следующем:
— на основе статистической обработки экспериментальных данных определены законы распределения принимаемых сигналов,.
— определены зависимости показателей эффективности от структуры и алгоритмов обработки,.
— определена эффективность подоптимальных алгоритмов обработки, отличающихся от оптимальных более высоким быстродействием и более простой аппаратно-программной реализацией,.
— определены зависимости показателей эффективности оптимальных и подоптимальных ЦФ от структуры и алгоритмов обработки,.
— выполнена оценка влияния пространственных, временных и частотных параметров помех на эффективность обработки,.
— получено улучшение качества пространственно-временной фильтрации, позволяющее выделить сигнал на фоне помех даже при различии только одного из параметров: пространственного положения или времени присутствия сигнала и помехи,.
— разработаны варианты формирования цифровых карт параметров отражений от помех различного типа,.
— выполнена оценка структуры и объема программно-аппаратной реализации синтезированных устройств обработки радиолокационных сигналов на видеочастоте.
5. Проведены испытания устройств, реализованных в виде экспериментальных и промышленных серийных образцов, подтверждающих улучшение системных показателей качества РЛС УВД.
Разработанные автором устройства обработки прошли все этапы опытно-конструкторского проектирования, серийного изготовления и внедрения, в т. ч. разработку рабочей конструкторской документации (РКД), изготовление опытных образцов, проведение предварительных (заводских) испытаний, доработку РКД, а также полигонные и Государственные (межведомственные) испытания.
Серийные образцы аппаратуры АПОИ «Приор» внедрены и находятся в штатной эксплуатации в составе различных радиолокационных комплексов, что позволило в короткие сроки создать в нашей стране современные АС УВД при использовании старого парка различных РЛС.
Разработанные опытные образцы АЦУ и АПОИ, а также методы и принципы комплексирования обработки радиолокационной информации реализованы автором, как главным конструктором, в опытном образце АРЛК «Урал». АРЛК «Урал» по заложенным потенциальным характеристикам соответствует лучшим мировым образцам и находится на полигонных испытаниях в аэропорту «Пулково» (г. Санкт-Петербург).
