Организация обзора пространства в многопозиционной радиолокационной системе с некооперируемым источником подсвета на основе комбинаторного принципа Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 2018, 11(7), 831-841

yflK 621.396.967

Organization of Radar Survey in a Multi-Position Radar System With Non-Operated Illumination Source Based on Combinatorial Principle

Denis M. Petrochenkov and Aleksandr V. Fedotov*

"Yaroslavl Higher Military Institute of the Air Defense " of the Ministry of Defense of the Russian Federation 28 Moscow, Yaroslavl, 150001, Russia

Received 26.07.2018, received in revised form 14.09.2018, accepted 27.10.2018

A version of designing multiple semiactive radar system (radar), consisting of receiving stations with multi-beam directional diagrams of the antennas, performing the review space and detection of aerial objects on the basis of the combinatory principles. The evaluation of the potential of the semi-active radar on spatial indicators. Proposed criteria to develop recommendations to build spatial configuration of multi-position radar system.

Keyword: semi-active multi-position radar system, multi-beam directional diagram, non-search method of review.

Citation: Petrochenkov D.M., Fedotov A.V. Organization of radar survey in a multi-position radar system with non-operated illumination source based on combinatorial principle, J. Sib. Fed. Univ. Eng. technol., 2018, 11(7), 831-841. DOI: 10.17516/1999-494X-0098.

© Siberian Federal University. All rights reserved

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License (CC BY-NC 4.0). Corresponding author E-mail address: [email protected], [email protected]

Организация обзора пространства в многопозиционной радиолокационной системе с некооперируемым источником подсвета на основе комбинаторного принципа

Д.М. Петроченков, А.В. Федотов

Ярославское высшее военное училище противовоздушной обороны Министерство обороны Российской Федерации Россия, 150001, Ярославль, Московский проспект, 28

В статье представлен вариант построения полуактивной многопозиционной радиолокационной системы (МПРЛС), состоящей из приемных пунктов с многолучевыми диаграммами направленности антенн, осуществляющих обзор пространства и обнаружение воздушных объектов на основе комбинаторных принципов. Проведена оценка потенциальных возможностей полуактивной МПРЛС по пространственным показателям. Предложены критерии, позволяющие выработать рекомендации к построению пространственной конфигурации МПРЛС.

Ключевые слова: полуактивная многопозиционная радиолокационная система, многолучевая диаграмма направленности, беспоисковый способ обзора.

Многопозиционная радиолокационная система (МПРЛС) состоит из отдельных радиолокационных станций (РЛС), являющихся ее подсистемами, которые могут быть активными, полуактивными, пассивными. В случае полуактивной многопозиционной радиолокационной системы в качестве источника подсвета могут выступать кооперируемые (собственные) и не-кооперируемые источники подсвета (НИП) - источники противоборствующей стороны в конфликте или нейтральной стороны. Качество системы определяется не только количественными характеристиками отдельно взятых элементов (подсистем), но и количественными характеристиками связей подсистем друг с другом.

Исследованию МПРЛС со сторонними источниками подсвета (кооперируемыми и некоо-перируемыми) посвящено большое количество работ как отечественных, так и зарубежных авторов. В работах [1-6] МПРЛС рассматривается с различных сторон, оценивается различными показателями, однако вопросы оценки количественных характеристик связей между ее элементами (подсистемами) освещаются недостаточно.

На современном этапе развития технологий информационного обмена можно обеспечить достаточно большой по протяженности и пропускной способности канал передачи информации, но в ряде случаев даже современные технологии не могут обеспечить его высокое качество. К таким случаям можно отнести:

- современные РЛС и МПРЛС должны быть мобильными, тогда при смене позиций могут возникать различные условия, не позволяющие обеспечить высокое качество канала информационного обмена (рельеф, застройка, электромагнитная совместимость с соседними радиоэлектронными средствами (РЭС) и т.д.);

- при использовании МПРЛС в условиях антагонистического конфликта обеспечение высокого качества канала информационного обмена будет затруднено из-за воздействий противостоящей стороны (уничтожение, повреждение, радиоэлектронное подавление и т.д.);

- при построении МПРЛС с НИП обеспечение качества за счет повышения требований к количественным характеристикам канала информационного обмена повышает уязвимость системы, отказ канала информационного обмена приведет к отказу всей системы.

Таким образом, по мнению авторов, основной принцип организации информационного обмена в МПРЛС с НИП можно сформулировать так: зависимость качества МПРЛС с НИП от количественных характеристик канала информационного обмена должна быть минимальна.

Данный принцип противоречив, решение противоречия может быть одним из подходов к развитию МПРЛС с НИП.

В настоящей работе предметом рассмотрения является возможная реализация обзора пространства МПРЛС с НИП, позволяющая снизить требования к количественным характеристи-камканала информационногообменазасчетуменьшения объема передаваемойинформации.

В пассивной радиолокации обзор пространства возможно реализовать поисковым и беспоисковым способами.

При ретлезаитиоаисроиого способа (рте. 1) абеор щюттраотува ореенечпваетсе элегарон-ниш, механическим или комбинированным способом качания луча диаграммы направленности антенной системы (ДНА). При этом возникают ограничения на возможности обзора: необходимо решать задачи выбора периода обзора и синхронизации обзора пространства приемными пунктами, что достаточно трудно реализовать.

леепоиокоуыцсиапоьаеаенцацииреализуется ароме нцниемаеентьравароных мнтенн, ан-кенных лстроУбваснногем'чеоыму стиоьикымн дипграммзми гапкавленибсти (уие.ео

Рассмотрим МПРЛС, состоящую из трех приемных пунктов (ПП), с многолепестковыми (многолучевыми) ДН антенн в азимутальной плоскости (рис. 2). Каждый ПП МПРЛС, изображенный на рис. 2, имеет ДНА, состоящую из 32 лепестков с шириной каждого лепестка при-мс^^тит^и^уо^ом^'^, выCртабI в ктиентве ио^^е^^о^^-

Рис. 1. Поисковый способ обзора пространства МПРЛС Fig. l.Search method of the survey space multi-radar system

- 833 -

D2 [ВСМ]

Ж Ж ж

D] [км]

Рис. 2. Беспоисковый спокоб обзораМПРЛС с многоеучево1МиДНА ПП

Fig. 2. A searchless way to review a multi-position radar system with multipath antenna patterns of receiving points

Если каждому лепест ку ДН ПП пуотооитр номер о т 01 ,цо (где ТТ - чи—то лепестков ДНА) и разместииь ПП на неоетоиом удулиоио ткео ос деугс, то iec^î—тотке оценивтьмову про-сольнетво можно еостоиито is соответствие номбнуацию чисел - нометоу ленестковДН ПП, то естье Всдмвро вутьевоьгт водаеистомуквьвуинат.

H^anj^^ivi^j), оа рис. 2 представлкнже - зачрошенных областей пространсова, кoiôpaH.oix-jty-чайный орразем и оРознтчелных еифаами. Дктные оН-вста полвчьютвя слевакж—цкм обраыом, елли мчоуонспеотроаые ДНА = -то, 2-го и Зего ПП присоли иотразлттвеноп са гонерапеныв ос-лонуентсти множтссс ок^тити^)^ сектони в оТоора ПП (1):

А = 2pi , а,2,д-,...,ап},п = (2? I 0в +1) - целое,

B = {Ьо,Ь2,а3,...,Ь„},п = вР IРп + 1(-целое , (1)

C - {qc, т3 , . . c п }, п = ( ¡3/ в ь + 0) -цеоое ,

где1! — множелтае статксеых ср=ао;от обзоут ПП А; /С о сеаио]э о(5зиро ПП; /л - ктхавтт одного лтвеажкс НТОА; н - количество геиастков ТКаВН ПЛДП1] В — мноньтово ртооиинек асмтхрит отзвра ПП ВВ КО к мнтжеьсао статииоыи стктсзто оНкоаа ПП С, о о ввакмные переиечеиия лситстков —РНА ПП сСрсзлют аГлазтн п.охозно'ЫЭсиясивн, которые туовв назытвтз пВеямаеи трудито—о ргз-ревиееия] МоожсттсеоСлимов тзаопного раорешеуняобокнастм

X = {хВтзе,е3,...,ео) ,кчнгл0е. (2)

Mно5!]:]ест[Е!ОзГН"п^твр],Л1^^о:'оядпоснаев пенеcтчздиймнтжостт^О, ¿С и <С,М-число вотможных пересетенио ДНА вскз ЗПеТЗЕ рмощотооь множоетвоХ)-

а = г1ГЩЗг\с О, &ak,ctk еЛ,А;е{1,2,3,...,ПГ}л

AXj eTs,bs e ВН.. s e {1,2, 3,. ,.,JV}a (3)

лнси евгт]-.г° b——п BU,:0,3,...,0- ]

Выбранныеобластипринадлежатмножеству X.

Если обозначить номера лепестков каждого из трех ПП справа налево (рис. 3), то xk, ke{1,.. .,9} (закрашенныеобласти)соответствуюткомбинациичисел, представленных в табл.

- 834 -

Таблица Table

Номер ПП Номер оцениваемой области

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 9 10 15 19 22 28 27 28 27

2 8 6 23 9 18 24 23 27 23

3 6 5 9 6 13 14 18 26 23

Таким образом, если в одной из областей пространства, характеризуемой множеством х, будет воздушный объект, то определение его местоположения возможно по анализу в пункте совместной обработки информации комбинации номеров каналов ПП, в которых осуществлен прием сигнала от воздушного объекта.

За счет передачи между приемными пунктами и пунктом совместной обработки только служебной информации и номеров каналов, в которых получены сигналы, снижаются требования к количественным характеристикам каналов информационного обмена. По комбинации каналов можно отождествить воздушный объект и однозначно определять положение воздушных объектов в пространстве.

Число возможных комбинаций каналов ПП, без учета пространственного расположения, составит:

• = nQ

(4)

где Q - число ПП в МПРЛС; п - число лепестков в ДНА каждого ПП (при условии, что ДНА ПП одинаковы).

Для рассматриваемого примера число возможных комбинаций - размещений, исходя из теории комбинаторики формулы (4), составит т = 32768, но такого числа взаимных пересечений лепестков ДНА не будет за счет пространственного разноса ПП и ДНА в пространстве. Например, 1-й лепесток первого ПП не имеет взаимных пересечений с 32-м лепестком третьего

Проведем оценку комбинаторного подхода в организации обзора пространства в МПРЛС, в качестве количественных показателей выберем:

- число объемов взаимного разрешения, мощность множества: |Х| = М;

- максимальную площадь сечения объемов взаимного разрешения ДНА: тах(|х/|), 1е{1,2,3,...,М}; „

- среднюю величину площади сечения объемов взаимного разрешения ДНА: 1=1 ''

М

В качестве аргументов при оценке указанных выше показателей выберем: ширину одного лепестка ДНА ПП по азимуту (е) и удаление одного из ПП от центрального (Д^ - для системы из трех и R14 - для системы из четырех ПП).

На рис. 4 приводится результат оценки мощности множества |Х| в зависимости от выбранных аргументов: ширина луча диаграммы ДНА: 5°, 10°, 15°, 20°, удаление ПП от центрально- 835 -

ig

Ж ЖЖ

Ж Ж Ж Ä-Ä

"Ж

Рис. 3. Методика оценки показателей МПРЛС при беспоисковом способе обзора: а - из трех ПП (R13 -аргумент пространственной конфигурации системы); б - из четырех ПП (R конфигурации си стемы)

Fig. 3. Methodology for estimatiMgtheperformanceofamulti-positionrad arsystomw ith a searchless survey method: a - of 3 receiving points (R13 is the argument of spatial configuration of the system); б - of 4 receiving points (R14is the argumentofspatial configuration ofthesystem)

а

2500 2000 1500 1000 500

l0

15

20 S [град.]

Рис. 4. Кривыео ценки мощностимножества объемтввоаинногоразртштнияотширины луча ДНА ПП и аргументов пространственной конфигурации МПРЛС (R13, R14)

Fig. 4. Curves for estimating the power of a set of volumes of mutual resolution of the beam width of the antenna of receiving pointsandspatial configurationarguments (R13, R14)

0

5

- системы из трех ПП (рис. 3а) R13=14^60 км с шагом в 2 км, при R12=10 км;

- системы из четырех ПП (рис. 36) R14=14^60 км с шагом в 2 км, R12=10 км, R13= -10 км;

- оцениваемая область пространства имеет размеры (рис. 2): Б1= -300^300 км, Б2=0-300 км.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

- зависимость |Х|(е, ^1х)носитнелинейный характер;

- для случаев трех и четырех позиций ПП зависимости |Х|(е, Я13) и |Х|(е, ^14) имеют одинаковую закономерность. За счет увеличения числа ПП и уменьшения ширины лепестков ДНА происходит увеличение |Х|. При этом большее влияние оказывает ширина лепестка ДНА(г);

- при значении ширины лепестка ДНА е>15° число ПП, их взаимное расположение не оказывают существенного влияния на \X\ и, как следствие, на точность таких систем;

- при ширине лепестка ДНА s<10° число ПП, их взаимное положение существенно влия-

ютна|м|;

- прим алых з наче ниях ш ириныДНАза снет оптимальногоразмнщ енияППн ожнодо -

Следучтотметтть, мщжнедоИнп ьсяяикого же показателя \X\, как

и для системы из четьфехЖП, за нчпд оччимдльирбя размещеяияПП.

На рис. 5 представлен результат оценки максимальной площади сечения объема взаимного разрешения max(\xz\(e, R1x)), i е {1,2,3,.,M}, в зависимости от ширины лепестка ДНА в азимутальной плоскости при аеремещенииоднято пз ППстносительоо иедтртсоногопри D^-300-тЗОНщм, В2и()те00 ие трох ПП, б)-оиоттма изпооырех ПП. Пзлучен-

ный резупьтабпз>одстаалени лотмиоованном^рялогарифмированном виде по значению максимальной площидя сеченля оОъ емад заимнтз о ронрешетия Хезвн олиширине лепея^т^к^ыО^НПА ПП я==2ОЖдляудобстот визуальннящ ооедставленияиояеччинапыхдитпаяонол изме5етря исследуемых зависимостей.

Полученные зависимости на рис. 5 позволяют сделать выводы:

-для системы изя^хПП ичаaзпoлсжeниeoопрывaот влвониeноьлaчeниe тахОШСс,^))-хвноьио ьфощчляетсяпрималых значениях ширины лепестков ДНА: так, при s=5° увеличен ие наблюдаетст вдиоптьоне 7Чз=ИСОРО км.При )=1 ()5 явеличлите начищаетьо с R13=45 км. При значениях s=15° и s =20° отмеченного увеличения нет, так как оно не попадает в оцениваемый диапазон дальностей D1 и D2 (рис. 2);

- для системы из трех ПП на всех четырех зависимостях можно отметить оптимальное (нaимрныпжe)pacзоoунпe пиоленияьнсожегоППсбпзатрельного. Так, прч з=50удмне-

Рис. 5. Оценкамаксимальцойлсощадисечелиообъемоввзаимнегорлярешения МПРЛС для оцениваемого пространства D=600*300 км: а - МПРЛС из трех ПП; б - МПРЛС из четырех ПП

Fig. 5. Estimation of the maximum cross-sectional area of volumes of mutual resolution of a multi-position radar system for the estimated space D = 600*300 km: a - from 3 receiving points; б - from 4 receiving points

ние составляет R13=10 км, при 8=10° R13=20 км, при 8=15°R13=33 км, при 8=20° R13=35 км. Можно утверждать, что с дальнейшим увеличением ширины лепестков ДНА приращения уме ньшаются;

- для системы из четырех ПП зависимость шах(|хг|(в, R14)) уменьшается. При малой ширине лепестков ДНА (8=5°) зависимость в оцениваемом диапазоне дальностей отсутствует. При больших значениях ширины лепестков ДНА (8=10°^ 20°) можно отметить оптимальные^ инимальные удаления, причем они совпадают с показателями, указанными выше для системы из трех ПП.

Однако полученные результаты были рассчитаны для оцениваемого пространства размерами 600 км на 300 км. Если провести оценку МПРЛС по тому же критерию, но для меньшего оцениваемого пространства, то получится результат, представленный на рис. 6, 7. На рис. 6 изображен результатоценкитах(|хг-|(£,р1Х)), /Е{1,2,3,...,М}11риразмерах оцениваемого пространства Д=-15(Н150 км, Б2=0о-30а км.

На рис.7 вмд и-розультат оценк-тах)|;згК8, 7°13)), /е {1,2,3,...,М}МПРМС из трех ПП при размерах оцениваемого пространства Б1=-75^75 км, Б2=0^150 км.

Пилакенньюзрвитимости указыиаютна то, что при о^нкенеобходамовводить еще один оргумент: = [А А], но опокмальпот удалпкле ППоруг тт другавыТирате зло праволу

*Сот. = т^^х^Ы)))] ПТи Кц. 0. (5)

На рис. 8 представлен результат оценки зависимости средней площади сечения объемов взаимного разрешения МПРЛС из трех и четырех ПП от ширины лепестка ДНА в азимутальной плоскости при перемещении одного из ПП относительно центрального, при Б1= -300^300 км, Б2=0-300км.

На рис. 9 изображен результат оценки зависимости средней площади сечения объемов взаимного разрешения МПРЛС из трех ПП от ширины лепестка ДНА в азимутальной плоскости

Рис. 6. Оценка максимальной площади сечения объемов взаимного разрешения МПРЛС для оцениваемого простраиства D=300*300 км:а- МПРЛСизтрехПП; 6-МПРЛСизчетырехПП

Fig. 6. ETtimetinoofAemeximum croxs-sectionalarea crfoolumesof mutual resolution of amulti-position radar system for the estimated space D = 300*300 km: a-frem 3 receiving points; б - from 4 receiving points

10J max(\ Xj \ (s,Ri3)) \ \ X max J

I 1

a x are a __

_ ч т ч< > :

I Д.ен' .......................... "Д.

1 . .. ■ . ^. 1 , .

-25 ------1---1-1-*

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 R13

[km]

Рис. 7. Оце нка нбксимележш площади сечения объемов взаимного разреш ения МПрЛС из тр ех ПП дл я оцениваемогопро ссрентевм D=150* 1РР къ

Fig.7. Estimation of thai maximum cmss-sectional ¡area of a^c^Ii^it^^^ of metual resolotlon ofa multi-position radar system ofrreceioing paints far theestimatefspaofD0150*iaUkm

1800 i6oa

1400

200 0

20 e

[град.]

Рис. 8. Кривыесреднейплощадисечения объемов взаимного разрешения МПРЛС

Fig. 8. Curves of the average cross-sectional area volumes of the mutual resolution of the multi-position radar system

при перемещении одного из ПП относительно центрального: а) D1= -300-300 км, D2=0-300 км; б) D1= -150-150 км, D2=0-300 км; в) D1= -75-75 км, D2=0-150 км.

Анализ полученныхрезультатов показывает:

- изменение аргумента R1x влияет незначительно на среднюю площадь сечения объема взаимного разрешения. По диапазону семейства кривых можно утверждать, что данная зависимость увеличивается при увеличении числа ПП (семейство кривых для четырех ПП шире, чем семейство кривых для трех ПП);

- изменение аргумента s оказывает большее влияние на оцениваемую величину относительно R1x. Величина средней площади сечения объемов взаимного разрешения изменяется в 10 раз при s=20° относительно величины при s=5°;

0 ^ ---►

5 10 15 20 8

[град.]

Рис. 9. Кривые средней прощади сечение объемоввзаимного разрешгнияМПРЛС

Fig. 9.Curvesofthe average cross-sectionalarea ofvalumec ofmutuor reeotutirn ofamulet-pocnionrad ar sysc

- закон изменениясредней площадисеоендйобъемов взаимного разрешения для систем из трех и четырех ПП имеет нелинейный характер. Если данную зависимость аппроксимировать параболой

У мы

(*) = , 06)

M

то относнтельне рееулоодмов на рис. 9 <езоен = 4,5, а4ПП = а,Д, а отношеьиеКаша = 1,7. Даннад

а4 ПП

пропорция показывает выигрыш системы из четырех ПП относительно системы из трех ПП. Пропорция подттелждается иретультатами, лолучлтными пииограничении оцениваемого пространства доязначнний:

Di= —150-е1:50 км, D^O-eOO ка; Д= -75-75 км, ]^2=Па150 oi.

Таким о^азоп, приведенныа выше оценки мь^т датьминимальныахлрактериоьить по ттчнмстмтмя дешения рьдиолокационлыт аадач. Если неоЬхоршоьмимеритьирпкоор-дио^ммо1уЬ, = х воз душ нмги обдекта0ВО0,то,использмн поиазттамо,м9иьно иылаботхтоома-ви ло:

m ax(A6> ,AJ3]Ar) = sup( RXx9e9 D)), X = { X5 , xo , X3, . ,K\X |}, (7)

где AO - неопределенность в измерении азимута ВО; Ав - неопределенность в определении угла места ВО; Ar - неопределенностьв определениидальностиВО.

Исходя из сформулированного правила, можно сделать вывод: ширина луча ДНА должна стремиться к минимуму, оцениваемая область пространства (D[D1,D2]) - задаваемая величина (const), R1x -регуляторпространственной конфигурации МПРЛС - оптимально настраиваемая величина.

Список литературы

[1] Ильин Е.М., Климов Н.С., Пащин А.И., Полубехин А.И. и др. Пассивные локационные системы. Перспективы и решения, Вестник СибГУТИ, 2015, (2), 7-20 [Ilyin E.M., Klimov N.S. Pashin A.I., Polybahn A.I. Passive radar systems. Challenges and solutions, Vestnik SibSUTI, 2015, (2), 7-20 (in Russian)].

[2] Онищенко В.С. Пути повышения эффективности систем скрытной радиолокации, Молодой ученый, (12), 353-358 [Onishchenko V.S. Ways to improve the efficiency of covert radar systems, Young scientist, (12), 353-358 (in Russian)].

[3] Батчев С.А., Зайчев А.Г., Талалаев А.Б., Тимаков Д.А. Методы обнаружения и сопровождения воздушных объектов по отраженным радиосигналам сторонних источников в пассивно-активных системах радиолокации, Программные продукты и системы/Software&Systems, 2016, (3), 168-173 [Batchev S.A., Saichev A.G. Talalaev, A.B., Timakov D.A. Methods for detection and tracking of air objects by reflected radio signals from third-party sources in a passive-active systems, radar systems, Software products and system/Software&Systems, 2016, (3), 168-173 (in Russian)].

[4] Пархоменко Н.Г., Перетятько А.А., Рейзенкинд Я.А. и др. Применение вариационного метода к задаче оценки параметров сигналов в пассивной радиолокации с посторонним подсветом, Автометрия, 2014, (1), 60-65 [Parkhomenko N.G., Peretyatko A A., Razinkina J.A. etc. the Application of the variational method to the problem of estimating parameters of signals in passive radar with side illumination, Autometry, 2014, (1), 60-65 (in Russian)].

[5] Ашурков И.С., Какаев В.В., Лешко Н.А. Оптимизация пространственной структуры многопозиционной радиолокационной системы, Информационно-управляющие системы, 2015, (6), 81-85 [Ashurkov I.S., Kakaev V.V., Leshko N.A. Optimization of the spatial structure of a multiposition radar system, Information and control systems, 2015, (6), 81-85 (in Russian)].

[6] Бархатов А.В, Веремьев Е.Н., Воробьев А.А. и др. Пассивная когерентная радиолокация. СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2016 [Barkhatov A.V, Verem'ev E.N., Vorob'ev A.A. and others. The Passive coherent radar. SPb.: Etu "LETI", 2016 (in Russian)].