CC BY
177
ОСОБЕННОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ С ЦЕЛЬЮ КОМПЕНСАЦИИ НЕГАТИВНОГО ВЛИЯНИЯ ИОНОСФЕРЫ НА РАБОТУ РЛС ДАЛЬНЕГО ОБНАРУЖЕНИЯ
Логовский
Алексей Станиславович,
к.ф.-м.н., директор НТЦ-10 ОАО «Радиотехнический институт имени академика А.Л. Минца», г. Москва, Россия, [email protected]
Дмитриевская Анастасия Владимировна,
аспирантка, инженер 1 категории ОАО «Радиотехнический институт имени академика А.Л. Минца», г. Москва, Россия, [email protected]
?
О л л С
Ключевые слова:
радиолокационная станция дальнего обнаружения; ионосфера; компенсация ионосферных искажений; ионосферный канал; временной ресурс.
Успешное решение задачи учета и компенсации влияния ионосферы на распространение радиоволн напрямую определяет точность работы радиолокационных станций, особенно радиолокационных станций дальнего обнаружения. В настоящей работе проведен краткий обзор существующих и реализованных методов и алгоритмов автоматической и автоматизированной обработки радиолокационной информации, получаемой со вспомогательных (по отношению к самой радиолокационной станции) средств, с целью решения данной задачи, представлены их достоинства и недостатки. Исследована возможность внедрения ионосферного канала в штатную работу радиолокационных станций дальнего обнаружения. Предложен метод и алгоритмы обработки радиолокационной информации, получаемой непосредственно при работе радиолокационных станций (без использования вспомогательных средств), позволяющий обеспечить компенсацию ионосферных искажений параметров сигнала в реальном времени. Показана возможность обеспечения работы данного метода на фоне штатной работы радиолокационных станций без снижения ее тактико-технических характеристик. Представлены практические результаты проведённых экспериментов по реализации указанных алгоритмов и показана возможность их использования в существующих и создаваемых радиолокационных станций дальнего обнаружения.
При работе радиолокационных станций дальнего обнаружения необходимо решать задачу компенсации влияния ионосферы. Негативное влияние ионосферы заключается, прежде всего, в ошибках измерения дальности до сопровождаемых космических объектов (за счет искажений при распространении радиосигнала), а в северных направлениях обзора - еще и в возникновении пассивных помех из-за авроральных явлений. Карта концентрации ионосферных неоднородностей существует еще над всей поверхностью Земли. Над неисследованными областями создается математически аппроксимированная карта, данные для которой получены в близлежащих географических областях. Но в ходе работы радиолокационных станций дальнего обнаружения опытным путем были выявлены области ионосферных аномалий, радиосигнал в которых подвержен сильным искажениям. В зависимости от конструктива и аппаратно-программного комплекса радиолокационных станций ионосфера может вносить различные искажения в распространение радиосигналов. В связи с этим, для каждого радиоэлектронного средства, одной из задач которых является достижение предельных точностей, следует составлять составлять свою карту ионосферных искажений.
Наибольшую ошибку при распространении радиосигнала вызывает ионосфера Земли, в особенности на высотах от 90 до 600 км. Компенсация ошибок подразумевает использование алгоритмов автоматической обработки информации о текущем состоянии ионосферы (электронной концентрации в направлении излучения и приема сигналов).
Подобные алгоритмы, применяемые в радиолокационных станциях (РЛС) различного назначения, можно свести к четырем группам:
• определение электронной и ионной концентрации над интересующей областью пространства посредством обработки информации, получаемой от навигационных спутников (ГЛОНАСС, GPS, Galeleo).
• определение электронной и ионной концентра-
ции над интересующей областью пространства посредством обработки информации от дополнительных (по отношению к РЛС) средств, чаще всего ионозондов; • применение карты ионосферных неоднородностей; •измерение электронной и ионной концентрации над интересующей областью пространства посредством обработки информации, получаемой от средств самой РЛС.
Каждый из представленных алгоритмов имеет свои достоинства и недостатки, а эффективность их работы сильно зависит от частотного диапазона работы РЛС, в интересах которой они применяются.
Основные достоинства и недостатки указанных алгоритмов применительно к РЛС метрового частотного диапазона показаны в табл. 1.
Таблица 1
Достоинства и недостатки алгоритма определения состояние ионосферы
Алгоритм (метод) определения состояния ионосферы Достоинства Недостатки
Определение электронной и ионной концентрации посредством обработки информации, получаемой от навигационных спутников Позволяет оперативно оценивать текущее состояние ионосферы в направлении текущего наблюдения навигационного спутника (с возможностью пересчета в любое направление). Автоматическая обработка получаемых данных позволяет компенсировать ошибки определения траекторий космических объектов (КО) по дальности до значения 30-100 км. Оперативность анализа зависит от количества и направлений наблюдения навигационных спутников. Не позволяет определять зоны ионосферных возмущений, в направлениях на которые пересчет состояния ионосферы вносит большие ошибки. Требует налич ия дополнительного оборудования (навигационного приемника) -
Измерение электронной и ионной концентрации над интересующей областью пространства посредством отдельно стоящего зонда Позволяет оперативно оценивать текущее состояние ионосферы в направлении работы ионозонда (с возможностью пересчета в любое направление). Обработка информации, поступающей сионозонда, не обеспечивает требуемой точности для формирования поправок (в частности разных характеристик по чувствительности ионозонда и РЛС). Требует наличия дополнительного оборудования(ионозонда). Не позволяет определять зоны ионосферных возмущений, в направлениях на которые пересчет состояния ионосферы вносит большие ошибки.
Применение карты ионосферных неоднородностей Не требует наличия дополнительного оборудования. На основании ионосферной модели позволяет компенсировать ошибки определения траекторий КО по дальности до значения 150-300 км. Не учитывает (слабо учитывает) солнечную активность, при изменении солнечной активности точность определения текущего состояния ионосферы резко ухудшается.
Измерение электронной и ионной концентрации в области работы РЛС средствами самой РЛС Обеспечивает возможность определен ия те кущего состояния ионосферы непосредственно в области работы РЛС. Не требует дополнительного оборудования. Позволяет определять (выявлять) зоны ионосферных возмущений. Автоматическая обработка получаемых данных позволяет компенсировать ошибки определения траекторий КО (включая зоны ионосферных возмущений). Расходует ресурс работы РЛС. Требует проведения дополнительных исследований.
www.h-es.ru
h&es research
47
В данной работе представлены материалы, касающиеся алгоритма автоматической обработки информации, получаемой непосредственно РЛС, для определения текущего состояния ионосферы с целью формирования компенсационных поправок.
Постановка задачи
Разработать и реализовать алгоритм анализа текущего состояния ионосферы (определения электронной и ионной концентрации) в барьерной зоне работы РЛС метрового диапазона волн, на которой проводились эксперименты.
Определить (оценить) затраты временного ресурса работы РЛС на решение задачи определения состояния ионосферы.
В основе алгоритма определения электронной и ионной концентрации в барьерной зоне работы РЛС дальнего обнаружения метрового диапазона волн лежат данные, полученные в результате многолетних наблюдений состояния ионосферы с помощью Иркутского радара некогерентного рассеяния (ИРНР). Поскольку ИРНР построен на базе РЛС 5Н86 «Днепр» и работает в том де частотном диапазоне волн, что и РЛС метрового диапазона волн, на которой проводились эксперименты, указанные данные могут считаться достоверными.
При работе в режиме анализа ионосферы диапазон дальностей должен охватывать весь интересующий высотный диапазон от 90 до 600 км [1], содержащийв себе наиболее концентрированные слои ионосферы. В связи с тем, что для рассматриваемых в данной работе РЛС наиболее важными направлениями является весь азимутальный сектор в нижнем угле места (от 0,5° до 10° от касательной к Земле в проекции фазового центра излучения на нее), корректировку ошибок необходимо
Рис. 1. Отображение зенитных углов и расстояний до космического аппарата
проводить в данной области пространства. Для центра нижнего угла места рассматриваемых РЛС при усредненном радиусе Земли Яз=6371 км диапазон дальностей (от ОА до ОВ (рис. 1) составит от 1074 до 2830 км.
При автоматической обработке измерений дальности до спутника или другого космического объекта с помощью РЛС возникает ионосферная ошибка измерения дальности, обусловленная различием скорости распространения радиоволны в ионосфере и скорости света в вакууме. В итоге, дальность до обнаруживаемого объекта В, измеренная по задержке отраженного сигнала т, Я=ст/2, будет всегда больше реальной дальности.
Я = В + АЯ , (1)
Ионосферная ошибка измерения дальности ЛЯ связана с электронной и ионной концентрацией в ионосфере следующим выражением [1]:
^R = ^-^-¡Neis)ds , (2)
f о
где / - частота излучения в Гц, Ыг - электронная концентрация в см-3, 5 - траектория вдоль луча РЛС-объект. Необходимо отметить, что выражение (2) получено без учета влияния магнитного поля Земли. Для горизонтально однородной ионосферы выражение (2) может быть записано в виде:
(3)
где z -высоты пролета объекта над Землей, h - текущая высота, cos e(z) - косинус зенитного угла и луча радара на высоте z, определяемый выражением:
cos ß{z) —
yjc OS2 ß0 + 2z / Ü3 + (z! Rs)2 (1 + Z/Ä3)
(4)
где cos в0 - косинус зенитного угла луча радара на поверхности Земли, Яз - радиус Земли. Для не слишком больших зенитных углов (в„^30°) cos fi(z) практически совпадает с cos в . Из выражений (2)-(4) видно, что ошибка измерения дальности зависит от электронной концентрации Ne (чем больше Ne, тем больше ЛЯ), высоты пролета h (чем больше h, тем больше ЛЯ) и зенитного угла луча радара на поверхности Земли (чем больше в0, тем больше ЛЯ).
В рассматриваемой в данной работе РЛС излучение ведется в линейной вертикальной поляризации, а прием - в двух линейных ортогональных поляризациях (вертикальной и горизонтальной). В случае излучения линейно поляризованной волны и приема волны, поляризация которой совпадает с излученной, выражение для профиля мощности имеет следующий вид [1-6]:
Ф)=
А
D(z) \ + Te(z)/Tt(z)
^fel—.COsMzH*, (5)
где А и В - неизвестные константы;
Те (г) и Т{(%)- температуры электронов и ионов на высоте г;
В(%) - дальность г;
(6)
- набег фазы фарадеевского вращения [2] до высоты z:
(7)
где cos e(z) - косинус зенитного угла луча радара на высоте z, определяемый выражением (1.3), в - угол между лучом РЛС и магнитным полем Земли, c - скорость света, f - рабочая частота РЛС, fp - плазменная частота электронов, fH - гирочастота электронов. Необходимо отметить, что выражение (7) получено в приближении, которое справедливо вплоть до углов в ~ 84° [4].
В случае излучения линейно поляризованной волны и приема волны, поляризация которой ортогональна излученной, выражение для профиля мощности отличается от выражения (1.6) заменой cos на sin:
(8)
В связи с отличием физики распространения в атмосфере радиосигналов с вертикальной и горизонталь-
ной поляризациями, автоматизированную обработку рассеянных от ионосферных неоднородностей рекомендуется производить раздельно для двух поляризаций.
Для доработки алгоритмов детектирования факта наличия рассеянных ионосферой сигналов без использования дополнительных средств измерений, только за счет возможностей изделия, требуется набор значительного объема статистики, особенно попеременно на нескольких разнесенных частотах и поляризациях, для исследования возможных моделей сигнала и применимости разработанных учеными моделей [5].
Разработанная в ИСЗФ СО РАН методика восстановления высотного профиля электронной и ионной концентрации была апробирована на малых зенитных углах луча радара в=0-20°. Для проверки применимости методики при больших зенитных углах были осуществлены модельные расчеты профиля мощности и требуется проведение экспериментов на РЛС, куда предлагается внедрение ионосферного канала и, как следствие, аппробация и корректировка (при необходимости) данной методики для больших углов р. Модельные расчеты профиля мощности ионосферных переотражений, как показал эксперимент, приведенный в [1] , могут быть использованы для больших зенитных углов РЛС без существенных изменений.
Многолетний набор статистики показал, что для РЛС дальнего обнаружения метрового диапазона радиоволн значительным для внесения ионосферных поправок является интервал стационарности ионосферы, равный одному часу. Исходя из этого целесообразно проводить коррекцию же параметров эхо-сигналов от обнаруживаемых объектов по составляемому в РЛС раз в час ионосферному профилю.
В эксперименте, приведенном в [1], сделан вывод о минимальной и максимальной длительностях РИ сигнала для исследования ионосферы Земли: от 0,1 до 50 мс. Время переключения аппаратных средств РЛС между режимами «прием» и «передача» составляет единицы микросекунд, т.е. пренебрежимо мало по сравнению с длительностью сигналов и может не учитываться.
По данным экспериментов, для анализа состояния ионосферы необходимо осуществить не менее 1000 итераций излучения и приема сигнала в одном направлении [1], что с учетом длительности используемых сигналов составит примерно 60 секунд (в одном направлении исследования).
Для получения полного ионосферного портрета в секторе анализа необходимо провести не менее 50 изменений в различных направлениях (по числу направлений излучения), что займет около 50 минут. Таким образом, исследование состояния ионосферы в одном направлении при проведении измерения 1 раз в час занимает 1,65 % общего временного ресурса работы изделия. Соответственно исследование состояния ионосферы во всех возможных направлениях излучения при проведении измерений 1 раз в час займет около 80% временного ресурса работы изделия.
Таблица 2
Сводная оценка временного ресурса и точности определения ионосферного профиля в зависимости от количества направлений измерений
Количество направлений измерений в секторе анализа Точность определения ионосферного профиля (по отношению кданным измерений в каждом направлении излучения в секторе анализа в периоды наибольшей Солнечной активности Требуемый временной ресурс для проведения измерений (в % от общего временного ресурса работы изделия за 1 час), с
0 0,7 0
1 0,8 1,65
3 0.9 4,95
5 0,95-0,97 8,25
>5 0,97-0,99 более 8,25
Опираясь на многолетний набор статистики, проводимый на ИРНР, можно определить минимально возможное и оптимальное количество направлений измерения состояния ионосферы, по которым можно восстановить ионосферный профиль во всем секторе анализа (на углах места 0,5° до 10°для РЛС). Минимально возможное количество направлений исследования ионосферы составляет 3 измерения в секторе анализа, при этом точность восстановления ионосферного профиля составляет 0,95 (по отношению к измерениям в каждом направлении излучения в секторе анализа). Увеличение количества измерений в сектора (5,7,9 и т.д.) повышает точность восстановления ионосферного профиля, но при этом требует большего временного ресурса.
Сводная оценка временного ресурса и точности определения ионосферного профиля в зависимости от количества направлений измерений приведена в табл. 2.
Пример распределения временного ресурса РЛС с внедренным ионосферным каналом показан на рис. 2.
Исходя из приведённых в табл. 2 данных, можно определить минимальное и оптимальное количество направлений анализа для получения ионосферного профиля в секторе анализа. Указанные значения составят:
• минимально необходимое количество направлений - 1;
• оптимальное количество направлений - 3-5.
Таким образом, получение текущего (актуального) ионосферного профиля в барьерной зоне работы РЛС дальнего обнаружения (метровый частотный диапазон), схожих по характеристикам с РЛС, на которой проводились эксперименты, возможно, при этом затраты временного ресурса на его получения составляют от 5% общего временного ресурса, что является допустимым и существенно не должно сказываться на характеристики изделия.
В случае наличия в секторе анализа зон ионосферных возмущений количество направлений анализа может быть увеличено. При этом компенсация снижения характеристик изделия (за счет расходования временного ресурса работы) должна производиться на системном уровне.
Литература
1. Научно-технический отчет «Разработка программно-алгоритмического обеспечения ионосферного канала...» ФГУБН ИСЗФ СО РАН от 30 октября 2014 года. 66 с.
Рис. 2. Распределение временного ресурса РЛС с внедренным алгоритмом получения ионосферного профиля
2. Robinson R. New Techniques and Result from Incoherent Scatter Radars. Radio Science. Bull. 2004. Vol. 311. Pp. 79-94.
3. Дэвис К. Радиоволны в ионосфере: пер. с англ. / под ред. А.А.Корчака. М.: Мир. 1973. 504 с.
4. Колосов М.А., Арманд Н.А., Яковлев О.И. Распространение радиоволн при космической связи. М.: Связь. 1969. 155 с.
5. Evans J.V. Theory and practice of ionosphere study by Thomson scatter radar. Proc. IEEE. 1969. Vol. 57. Pp. 496-530.
6. Гркович К.В., Бернгардт О.И. Методика обработки сигналов когерентного эха в приближении малого числа точечных рассеивателей // Радиофизика. 2011. Т. 54. № 7. С. 497-509.
Для цитирования:
Логовский А.С., Дмитриевская А.В. Особенности автоматической обработки радиолокационной информации с целью компенсации негативного влияния ионосферы на работу РЛС дальнего обнаружения // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2016. Т. 8. № 1. С. 46-51.
FEATURES OF AUTOMATICAL PROCESSING OF RADIOLOCATION DATA FOR IONOSPHERE'S NEGATIVE INFLUENCE CMPENSATION ON THE LONG RANGE DETECTION RADARS
Alexey Stanislavovich Logovkiy,
Moscow, Russia, [email protected]
Anastasia Vladimirovna Dmitrievskaya,
Moscow, Russia, [email protected]
Abstraсt
The successful solution of problem of accounting and compensation of ionosphere's influence on radio wave propagation directly determines the accuracy of radar stations work, especially on the work of the long-range detection radars. In this article an overview are described existing and implemented methods and algorithms of automatic and automated processing of radar data, received from the subsidiary (with respect to the radar) radio-electronic facilities. to decision this problem there are presented their advantages and disadvantages.
Investigated the possibility of introducing ionospheres channel in work of long-range detection radar. The method and algorithms of processing of radar data received at the radar (without the use of ancillary tools) are suggested, they allow to support compensation ionosphere's influence on signal's parametrs in real time. There are intro-dused the possibility of ensuring the success of this method on the background of normal operation of the radar without reducing it's tactical and technical characteristics. There are presented practical results of the experiments of implementation of these algorithms and the possibility of their applimentation in existing and developing the long-range detection radars.
Keywords: long-range detection radars; ionosphere; ionosphere's distortion compensation; ionospheres channel; time resource.
References
1. Nauchno-tekhnicheskiy otchet «Razrabotka program-mno-algoritmicheskogo obespecheniya ionosfernogo kana-la...». [Scientific technical report "Development of program-mnoyoalgoritmichesky providing the ionospheric channel ..."]. FGUBN ISZF SO RAN from 30 october 2014. 66 p. (In Russian).
2. Robinson R. New Techniques and Result from Incoherent Scatter Radars. Radio Science. Bull. 2004. Vol. 311. Pp. 79-94.
3. Davies K. Ionospheric radio waves. Waltham, Massachusetts: Blaisdell Publishing Company, 1969. 460 p.
4. Kolosov M.A., Armand.And N.A., Yakovlev O.I. Rasprost-ranenie radiovoln pri kosmicheskoy svyazi [Propagation of radio waves in space communications]. Moscow, Svyaz'. 1969. 155 p. (In Russian).
5. Evans J.V. Theory and practice of ionosphere study by Thomson scatter radar, Proc. IEEE. 1969. Vol. 57. Pp. 496530.
6. Grkovich K.V., Berngardt O.I. The method of signal processing of coherent echo in the approximation of a small number of point scatterers. Radiophysics and Quantum Electronics. 2011. Vol. 54. No. 7. Pp. 497-509. (In Russian).
Information about authors:
Logovkiy A.S., Ph.D., director of 10th technical-scientific centre, Joint Stock Company «Academician A.L. Mints Radiotechnical Institute»;
Dmitrievskaya A.V., engineer, graduate, Joint Stock Company «Academician A.L.. Mints Radiotechnical Institute».
For citation:
Logovkiy A.S., Dmitrievskaya A.V. Features of automatical processing of radiolocation data for ionosphere's negative influence cmpensation on the long-range detection radarst. H&ES Research. 2016. Vol. 8. No. 8. Pp. 46-51. (In Russian).
