Пасивно-активний метод супро-водження повітряних цілей зі штучно зниженою пло-щею віддзеркалення Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

РАДИОТЕХНИКА

УДК 621.396.96

ПАСИВНО-АКТИВНИЙ МЕТОД СУПРО-ВОДЖЕННЯ ПОВ1ТРЯНИХ Ц1ЛЕЙ З1 ШТУЧНО ЗНИЖЕНОЮ ПЛО-ЩЕЮ В1ДДЗЕРКАЛЕННЯ

ТОЛЮПА С.В., САМОХВАЛОВ Ю.Я._

Запропоновано виявлення i супроводження повгтря-них цшей 3i штучно зменшеною площею в1ддзерка-лення на oснoвi комплексного використання як активного, передавального каналу, який здатний формува-ти резонансний pадioсигнал, так i пасивного каналу радюлокацшно! станци, що здатний приймати сигна-ли збудження радюпоглинаючого покриття у вщповь дному частотному дiапазoнi. Реалiзацiя даного методу дозволить ютотно зменшити к1льк1сть помилкових траекторш на етапах зав'язки трас i пiдвищити ефек-тивнiсть супроводження повгтряних цiлей зi штучно зниженою площею вщдзеркалення. Ключовi слова: pадioлoкацiя, ефективна площа в1д-дзеркалення, pадioлoкацiйна станщя, пасивно-активний метод, пoвiтpяна щль. Key words: radar, the effective area of reflection, radar station, passive-active method, air target. Актуальшсть теми. Актуальшсть досл1дження зумовлена такими причинами: динам1чним роз-витком ав1ац1йно1 техн1ки, широким впрова-дженням пров1дними крашами - виробниками л1тальних апарат1в технологи штучного знижен-ня ЕПВ (ефективною площею в1ддзеркалення), зростанням частки л1тальних апарат1в з1 штучно зниженою ЕПВ, як1 надходять в експлуатац1ю в останн1й час, зниженням можливостей 1снуючих РЛС (рад1олокац1йна станц1я) щодо радюлокаци таких л1тальних апарат1в, недостатньою реал1за-ц1ею потенц1йних можливостей РЛС п1д час виявлення та супроводження пов1тряних ц1лей з1 штучно зниженою ЕПВ [1]. Ситуац1я, яка склала-ся спонукала об'ективне протир1ччя у практиц1 застосування РЛС в1дносно локаци л1тальних апарат1в з1 штучно зниженою ЕПВ. Зростаюча увага з боку кер1вництва держави, вчених, конструктора щодо питань створення нових радюло-кац1йних засоб1в та модершзаци 1снуючих РЛС, нов1 стратег1чн1 концепци, що лежать в основ1 державних програм передових держав св1ту, стр1мкий розвиток техн1ки, в першу чергу, ав1а-ц1йно1, п1двищують вимоги до р1вня можливостей РЛС. Значне зростання вимог до РЛС, як1 й надал1 широко використовуються на практиц1, необх1дн1сть п1дняття як1сних i к1льк1сних показ-ник1в ефективност1 функцюнування рад1олока-ц1йних систем до потр1бного р1вня, незор1енто-ван1сть РЛС на виявлення та супроводження по-в1тряних ц1лей з1 штучно зниженою ефективною площею в1ддзеркалення [2], неoбхiднiсть модершзаци юнуючих та створення нових високоефек-

тивних радiотехнiчних комплексiв для потреби Украши, вiдсутнiсть науково-методичного тдхо-ду до визначення напрямкiв тдвищення ефекти-вностi радiолокацii новiтнiх лгальних апаратiв, вiдсутнiсть обгрунтованих рекомендацiй щодо тдвищення ефективносп радiолокацii визнача-ють напрям дослiдження.

Основна частина. Одним iз шляхiв удоскона-лення процесу локацii е розробка нових методiв отримання та використання радiолокацiйноi ш-формацii про повiтряну цiль зi штучно зменшеною ЕПВ за допомогою використання ефекту резонансного збудження радюпоглинаючих пок-риттiв. Виявлення i супроводження повiтряних цiлей зi штучно зменшеною площею вщдзерка-лення пропонуеться на основi комплексного ви-користання як активного, передавального каналу, який здатний формувати резонансний радюсиг-нал, так i пасивного каналу РЛС, що здатний приймати сигнали збудження радюпоглинаючого покриття у вщповщному частотному дiапазонi. Для радiолокацii повiтряноi цш зi штучно зменшеною площею вщдзеркалення пропонуеться новий метод, що грунтуеться на адаптаци систе-ми керування АХС (антенно-хвилевщна система) в умовах шформацшно1' невизначеностi, яка спричиняеться флюктуацiею сигналу збудження радiопоглинаючого покриття пов^ряно1' цiлi [3]. Пасивно-активним методом супроводження по-вiтряних цшей пропонуеться називати такий метод, який дозволяе здшснювати пеленгащю цшей за сигналом резонансного збудження вщ радюпоглинаючого покриття в пасивному режимi на частой обертону внаслщок опромiнення зонду-ючим сигналом активно!' РЛС. Зазначений метод базуеться на сумюному функцiонуваннi пасив-них i активних радiолокацiйних каналiв РЛС супроводження [4-5].

Розглянемо систему виявлення пов^ряних цшей (ПЦ), в яку входять активний передавальний канал РЛС супроводження i пасивний - прийма-льного типу.

При виявленш ПЦ РЛС супроводження вектор вимiрiв у момент часу ^ в сферичнiй системi координат буде мати вид

0 = {r В в V

акт рлс'г рлс' рлс J '

1з С

рлс рлс рлс

кopеляц1йнoю матрицею помилок вим1р1в 0акт, i тому, що вим1ри незалежн1, матриця

С0акт буде д1агональною:

с2 r рлс 0 0

С0акт 0 с2рлс 0

0 0 с2 в рлс

Вектор вим1р1в пасивного каналу виявлення буде мати вид

епас = {Р

в Г

пас' пас j

13 кореляц1иною Сй

матрицею помилок вимф1в

"'бпас

С6пас

2

Рпас 0

Спшьне функцiонувaння активно-пасивних ка-налiв РЛС супроводження припускае необхщ-нiсть виршення задачi спшьно! фшьтраци !хшх вимiрiв iз метою пiдвищення точнiсних характеристик i зменшення кiлькостi помилкових траек-торiй на етапах зав'язки i супроводу. Для ршен-ня ще! задачi необхiдно зробити ототожнення вимiрiв активно-пасивних засобiв для ухвалення рiшення - чи належать ц вимiри одному чи рiз-ним динамiчним об'ектам.

Дану задачу сформулюемо на базi критерiю максимально! правдоподiбностi для складних ппо-тез:

, = тах ) ^ С(а),

тах Р(х/Н2)

де I - вiдношення максимально! правдоподiбно-стi; Р - функщя правдоподiбностi приналежностi вектора вимiрiв х при справедливост гiпотез Н](Н2); И] - гiпотеза того, що параметри вим> рiв, отриманi активними i пасивними засобами, належать одному об'екту; Н2 - гiпотеза того, що параметри вимiрiв, отриманi активними i пасивними засобами, належать рiзним об'ектам; С(а) - порiг ухвалення ршення для задано! ймовiрно-ст а правильного ухвалення рiшення про ототожнення.

У загальному випадку пошук у вщповщальному секторi контрольованого простору пасивним каналом може здшснюватися з перюдом, який можна порiвняти iз перiодом випромiнювання активним каналом РЛС супроводження, а також i з меншим перiодом огляду, тобто

ДТ

! ДТПАС V

ДТ

ДТ

■ = n, n >1,

(1)

де ДТРЛС, ДТддс - перюди огляду.

Отже, можлив1 таю режими роботи активно-

пасивних канатв:

- синхронниИ (ДТРЛС = ДТПдС);

- асинхронниИ (ДТРЛС ^ ДТПдС).

Пщ час роботи активно-пасивних засоб1в у загальному випадку координати ПЦ, що вим1рюють-

ся рлС {г1рЛс, Р1рЛс, в1рЛс}, не зб1гаються 3 координатами ПЦ, що вим1рюються пасивним каналом

{Р 1пас , В 1пас } Чере3 помилки вимфЬ (СеЖт ,С9пас ).

Отже, при робот! активно-пасивних канал!в у синхронному режим! буде деяка вщстань м!ж позначкою в!д ц!л!, задано! вектором вим!р!в 0 = {г В в }Т

акт рлс' грлс' рлс У

променем напрямку на ц!ль. Позначимо цю вщс-тань Дг.

Розглянемо роботу активно-пасивних канал!в в асинхронному режим! у випадку супроводу РЛС ПЦ при ДТрлс > ДТпас .

При Цьому маемо: ДТРЛС = (tjрлс - tlрлс), де tjрлс

в!дпов!дае моменту часу екстрапольованих па-раметр!в траектор!! польоту ПЦ, як! вим!ряш РЛС супроводження у момент часу t1. Таким чином, будемо мати деяку кшьюсть вим!р!в в !нтервал! ДТРЛС.

Отже, у цьому випадку будуть дв! перехресш прям!, р!вняння яких задан! траектор!ею польоту ПЦ, зумовлено! двома сус!дн!ми вим!рами РЛС супроводження i променем напрямку на цшь. Вщстань мiж ними позначимо Дгк, де k змшю-еться в iнтервалi (1 ^ (ДТРЛС / ДТПАС)), приймаючи менше значення виразу (ДТРЛС / ДТПдС). Вiдстанi Дг, Дгк приймемо за параметр ототожнення вимiрiв активно-пасивних засобiв i визна-чимо як функцiю

Дг = F(r , В. , в. , В. , в. ). (2)

V 1рлс ' г^ 1рлс' 1рлс ' г^ 1пас ' 1пас / V /

У прямокутнш системi координат рiвняння прямо!, задано! променем напрямку, у координатнш формi буде мати вид

x y z

l m n ' i у векторнш формi

Яг = 0,

де R = (l,m,n)- направляючий вектор прямо!; 1, m, n - направляючi косинуси, що визначаються так

1 = COS В1пас COS РШаС ,

m = COS В шас S1n Ршас ,

П = S1n Вшас .

Обмiрюванi РЛС супроводження у tt момент

часу координати (г1рлс ,в1рлс ,в1рлс) ПЦ можуть бути перерахованi в прямокутну систему координат за формулами

x1 = г1 cos в1 s1n Р1, y1 = г1 cos в1 cos Р1, z1 = г1 s1n в1.

Пiд час роботи активно-пасивних засобiв у синхронному режимi вираз (2) у координатнш формi буде мати вид

(3)

Дг2 =-

1

12 + m2 + n2

РЛС

i прямою, заданою

x[(x1m - y11)2 + (y1n - z1m)2 + (z11 - x1n)2]. Пiд час роботи в асинхронному режимi е двi прямi, рiвняння однiе! з них задано променем напрямку на цшь (3), рiвняння друго! задано ви-

0

мiрами РЛС супроводження в 1 i екстрапольо-ваними на 1 моменту часу

х - Х1 у - у1 ъ - Ъ1

- X yj - y,

Z - Z;

у векторнш формi

(г - Г1)(Г]-11) = 0,

де г = (xJ,yJ,ъJ) - вектор вимiрiв РЛС супроводження, екстрапольованих на момент часу ^; Я' = (Г| - г1) - направляючий вектор прямо!.

Пiд час роботи активно-пасивних канатв у цьо-му режимi, вираз (2) у векторнш формi буде мати вид

|гЯЯ'|

Ar„ =

irr'i

P(Ar/M(Ar)) = -

1

гл/2тс

exp-

-(Ar - M(Ar))2

Очевидно, що max значень виразу (1) досягаеть-ся: при Ar = M(Ar) (справедливiсть гшотези Н 2) i дорiвнюе

max P(Ar / M( Ar) ф 0) =-,

M(Ar)

при M(Ar) = 0 (справедливють гiпотези Н1) i дорiвнюе

max P(Ar/M(Ar) = 0) = —

M(Ar) ^

1

.V2P

exp

-Ar2 2c2„

(5)

Пiсля логарифмування виразу (4) одержимо

ln t =

(Ar - M(Ar))2

< 2lnC(a) = C1(a). (6)

Будемо вважати, що операцiя переносу помилок при перерахуванш сферичних координат у пря-мокутнi i при екстраполяци параметрiв траекто-рi! ПЦ на момент часу ^ одержання вимiрiв

х^пас е шншною, i помилки первинних вимiрiв

мають розподiл за нормальним законом. Тодi вектор Аг за умови, що екстрапольований i вимiрюваний вектори можуть належати одному об'екту супроводження, розподшений за нормальним законом, iз нульовим математичним оч> куванням М(Аг) = 0 i з дисперсiею аАг, що зу-мовлена помилками вимiрiв (Сеакт ,Сйпас). За умови, що вектори вимiрiв можуть належати рiзним об'ектам супроводження, вектор Аг розподшений за нормальним законом з математичним очшуванням М(Аг) Ф 0 i з дисперсiею аАг, що зумовлена помилками вимiрiв (Сеакт, Сепас). Отже, задача ототожнення екстрапольованого е ^ й вимiрюваного е1рлс векторiв зводиться до

перевiрки гшотез:

1) Н1; М(Аг) = 0 проти складно! гшотези;

2) Н 2; М(Аг) Ф 0 i записуеться у виглядi

¿ = тахР(Аг М(АГ) = 0) > С(а). (4) тах Р(Аг/М(Аг) ф 0)

Якщо I > С(а), то приймаеться гшотеза Н1, у

протилежному випадку приймаеться гiпотеза

Н 2.

Розглянемо ршення для двох режимiв роботи активно-пасивних каналiв РЛС супроводження. Щд час роботи в синхронному режимi умовна щiльнiсть ймовiрностi розподшу параметра Аг мае вигляд

Таким чином, ршення задачi ототожнення пара-метрiв вимiрiв рiзних засобiв зводиться до пере-вiрки умови (6).

Порiг С1 (а) знаходиться з виразу

да

| Р(1пЦН)dlnI = а ,

С1 (а)

де Р - щшьшсть розподшу ймовiрностей вщно-шення прaвдоподiбностi при справедливост п-потези Н1; а - задане значення ймовiрностi правильного ухвалення рiшення. Випадкова величина Р(1п I/Н1) розподiленa за

2

центральним законом х з двома ступенями свободи.

Отже, пор^ ухвалення рiшення може бути знай-дений iз виразу [5,6]:

да 1 » 2

Г 1 Аг2

I — ехр——а -1 4Г 2 а 2_

Хпор

_2

VaAr J

= a,

де Г - гама-розподш.

Випадкова величина Р(1п £/Н2) розподiлена за

нецентральним законом х з двома ступенями свободи i параметром нецентрaльностi М(Аг), де М(Аг) вибираеться з характеристик мшмально! вiдстaнi мiж повiтряними цшями, що рухаються. Тому ймовiрнiсть помилкового ухвалення р> шення може бути знайдена з виразу

. пор

{ P(ln t/H2)dln t = Блт.

2ст:

Розподiл х2 табульовано i при заданому значен-нi ймовiрностi правильного ухвалення ршення може бути визначене чисельне значення вагового коефiцiента порогу ухвалення рiшення. Таким чином, на пiдстaвi виразу (6) запишемо вирiшaльне правило для ототожнення пaрaметрiв вимiрiв супроводження активно-пасивними каналами РЛС супроводження шд час роботи в синхронному режима

Z (Ar - M(Ar))2 < r.a. Zj =-2-< Ц(a).

Рiшення про належнiсть параме-TpiB вимiрiв активно-пасивних каналiв однieï ПЦ за даними чергового циклу огляду прийма-еться, якщо значення Zj пере-вищуе заданий порiг С1 (а). При роботi активно-пасивних каналiв в асинхронному режимi умовна щшьшсть ймовiрностi розподiлу параметра Ar^ в ште-

рвалi (j -г-( A Трл^ AT пас )) мае вид

P(Ark/ M(Ark )) =

( ATp^/ AThac)

п

j

exp

-(Ark - M(Ark))2 2c2,

(7)

Пiд час роботи активно-пасивних засобiв у цьо-му режимi рiшення задачi ототожнення парамет-рiв вимiрiв зводиться до перевiрки гiпотези Н1 (М( Дгк) = 0) проти склочно! гiпотези Н2 (М(Дгк) * 0) i записуеться у вш\щщ

(ДТрлс/ ДТпас)

тах П Р(Дгк/ М(Дгк) = 0)

I =-—-С (а).

II (ДТрл^ДТпас) ^

тах П Р(Дтк/ М(Дгк) * 0)

к=1

Пiсля логарифмування виразу (7) одержимо 1пл = (ДТР"^^ТПАС>(Дг„ - М(Дг.))2 ^ 21пС(а) = С,(а).

к=1 СТДг

. (8)

Рiшенням зaдaчi ототожнення параметрiв вимiрiв е перевiркa умови (8).

(дтрлс/ дтпас)

Випадкова величина ^ (1п ^/Ы2) розпо-

к=1

дiленa за нецентральним законом х2 iз (к+1) ступенями свободи i параметром нецентральност М(Дгк), а випадкова величина

( ДТрлс/ ДТпас)

^ (1п 11/Ы1) розподiленa за центральним

к =1

законом х2 iз (к+1) ступенями свободи. Ваговий коефщент порогу ухвалення рiшення визначаеться за методом, аналопчним рaнiше описаному, для випадку iз (к+1) ступенями сво-боди.

Виршальне правило для ототожнення парамет-рiв вимiрiв активно-пасивних кaнaлiв РЛС супроводження, при 1хнш робот в асинхронному режимi, буде мати вигляд

Z2 =

(A«W (Ark - M(Ark))2 < C(a)

г,км

Графж розподшу ймов1рност1 взяття на супроводження залежно вщ помилкового ухвалення ршення про виявлення повiтряноï' цш з1 зниженою ЕПВ : 1 - роз-подш ймовiрностi взяття на супроводження при ймо-вiрностi виявлення повiтряноï цiлi р = 0,7; 2 - розпо-дш ймовiрностi взяття на супроводження при ймовь рностi виявлення повиряно1 цiлi р = 0,8; 3 - розподш ймовiрностi взяття на супроводження при ймов!рнос-тi виявлення повпряно! цiлi р = 0,9

Ршення про належшсть параметр1в вим1р1в у результат! опрацювання даних циклу ATrac i декшькох ATnAC приймасться, якщо при деякому k значення Z2 перевищуе заданий пор1г С2(а) . Для оцшки якост запропонованого методу ототожнення на рисунку подана залежшсть P = f (Ar) ймов1рносп помилкового ршення супроводження траси цш вщ значення параметра нецентральност при фшсованому значенш ймо-в1рност1 правильного ршення P = const. Даш залежност побудоваш вщповщно до наведених в [6] табульованих значень функцн х2. З анатзу наведених залежностей можливо стве-рджувати, що при ефективнш площ1 вщдзерка-лення динам1чних л1тальних апарат1в в д1апазош вщ [0,015 - 0,025] м2 i при ймов1рносп ухвалення ршення правильного ототожнення вим1р1в Р=0,9 ймов1ршсть помилкового ршення не перевищуе значення 0,1.

Таким чином, реал1защя даного методу ототожнення вим1р1в РЛС супроводження i пасивних засоб1в дозволить ютотно зменшити кшьюсть помилкових траекторш на етапах зав'язки трас i супроводження пов1тряних цшей з1 штучно зниженою площею вщдзеркалення. Лiтература: 1. Барабаш Ю.Л. Проблемы радиолокационного распознавания и возможные пути их решения / Ю.Л. Барабаш. К.: 1984. 369 с. 2. Востриков А.К. Радиолокационные станции сопровождения цели и визирования / А.К. Востриков, А.Н. Раинкин. К.: КВЗРИУ, 1984. 84 с. 3. Пархомей 1.Р., Толюпа С.В., В.А. Дружинiн, Наконечний В.С. Резонансш методи отримання i використання шформацп в радютехно-логи // Монографiя. К. Логос, 2013. 146 с. 4. Толюпа

Р

С.В., Дружитн В.А., Наконечний В.С. Методи та алгоритмы обробки та захисту радюлокацшно1 шформацп у багатопозицшних системах з1 змшною просторо-вою конфпуращею // Монограф1я. К. Логос, 2014. 251 с. 5. Толюпа С.В., Дружитн В.А., Наконечний В.С. Ефектившсть радюлокацп при використанш технологи штучного зниження ефективно! поверхш випромь нювання лггальних апарапв // Телекомушкацшш та шформацшш технологи. 2014. №1. С. 62-69. 6. Дорохов А.П. Расчет и конструирование антенно-фидерных устройств / А.П. Дорохов. Х.: ХГУ, 1980. 284 с. Transliterated bibliography:

1. Barabash Ju.L. Problemy radiolokacionnogo raspoz-navanija i vozmozhnye puti ih reshenija / Ju.L. Barabash. K.: 1984. 369 s.

2. Vostrikov A.K. Radiolokacionnye stancii so-provozhdenija celi i vizirovanija. / A.K. Vostrikov, A.N. Rainkin K.: KVZRIU, 1984. 84 s.

3. Parhomej I.R., Toljupa S.V., V.A. Druzhinin, Na-konechnij V.S. Rezonansni metodi otrimannja i vikor-istannja informacii' v radiotehnologii' // Monografija. K. Logos, 2013. 146 s.

4. Tolyupa S.V., Druzhinin V.A., Nakonechniy V.S. Metodi ta algoritmi obrobki ta zahistu radiolokatsiynoyi informatsiyi u bagatopozitsiynih sistemah zi zminnoyu prostorovoyu konfiguratsieyu // Monografiya. K. Logos, 2014. 251 s.

5. Tolyupa S.V., Druzhinin V.A., Nakonechniy V.S. Efek-tivnist radiolokatsiyi pri vikoristanni tehnologiyi shtuchnogo znizhennya efektivnoyi poverhni viprominyuvannya litalnih aparativ // Telekomunikatsiyni ta informatsiyni tehnologiyi. 2014. №1. S. 62-69.

6. Dorohov A.P. Raschet i konstruirovanie antenno-fidernyh ustrojstv / A.P. Dorohov. H.: HGU, 1980. 284 s.

Надшшла до редколеги 11.05.2017 Рецензент: д-р техн. наук, проф. Бараншк В.В.

Толюпа Сергш Васильович, д-р техн. наук, профе-сор кафедри кiбербезпеки та захисту шформацп факультету шформацшних технологiй Кшвського нащ-онального унiверситету iм. Т. Шевченка. Науковi iнтереси: iнтелектуальнi системи управлшня, напрям-ки пiдвищення ефективностi функцюнування шфор-мацiйних систем та мереж, системи техшчного захисту шформацп, кiбербезпека та кiберзахист, обробка та захист радюлокадшно! шформацп. Адреса: Укра'на, 01033, Ки1'в, вул. Володимирська, 60, e-mail: to-lupa@i.ua

Самохвалов Юрш Якович, д-р техн. наук, професор кафедри кiбербезпеки та захисту шформацп факультету шформацшних технологш Кшвського нацюна-льного унiверситету iм. Т. Шевченка. Науковi ште-реси: теорш i практика побудови iнтелектуальних систем, нечита алгоритми управлiння, лопко-лшгвистичне моделювання у кiберпросторi та теорiя i практика проектування автоматизованих систем та проведения експертиз. Адреса: Укра'на, 01033, Ки!в, вул. Володимирська, 60, e-mail: yu1953@ukr.net Tolyupa Sergey Vasilievich, Dr. of Sc., Professor, Department of Cybersecurity and Information Protection at Faculty of Information Technologies, Kyiv National University named after T. Shevchenko. Scientific interests: intellectual control systems, directions for improving the operation of information systems and networks, systems of technical protection of information, cyber security and cyber defense, processing and protection of radar information. Address: Ukraine, 01033, Kyiv, Vladimirskaya Str., 60, e-mail: to-lupa@i.ua Samokhvalov Yuriy Yakovlevich, Dr. of Sc., Professor, Department of Cybersecurity and Information Protection at Faculty of Information Technologies, Kyiv National University. T. Shevchenko. Research interests: the theory and practice of building intelligent systems, fuzzy control algorithms, logic-linguistic modeling in cyberspace, and the theory and practice of designing automated systems and conducting expert assessments. Address: Ukraine, 01033, Kyiv, Vladimirskaya Str., 60, e-mail: yu1953@ukr.net