CC BY
54
Системы управления,связи и безопасности №2. 2020
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
УДК 621.396
Применение беспилотных летательных аппаратов для радиолокационного поиска воздушных и морских судов,
потерпевших аварию
Баженов А. В., Гривенная Н. В., Исаев А. М., Мельников С. В.
Постановка задачи: человеческая жизнь бесценна и когда при аварии воздушных и морских судов люди гибнут не в самой катастрофе, а из-за несвоевременного прибытия спасательных команд, это уже двойная трагедия. Поэтому развитию спасательных служб уделяется большое внимание во всех развитых странах. Одним из ключевых направлений совершенствования технического обеспечения спасательных служб является развитие радиотехнических систем, так как они обладают по отношению к оптическим системам такими ключевыми преимуществами, как всепогод-ность и возможность круглосуточного использования. Применение различных аварийных радиостанций и пеленгационной аппаратуры, размещенной на поисковых самолетах и вертолетах, значительно уменьшает время поиска места аварии, однако ограниченный ресурс источников питания, а иногда и прямой запрет на использование (например, при посадке на территории, занятой противником) определяют актуальность применения пассивных отражателей и радиолокационных поисковых систем. Другой тенденцией развития поисковых систем является использование беспилотной или дистанционно пилотируемой авиации. Использование беспилотных летательных аппаратов (БЛА) позволяет создавать большие группировки поисковых сил и средств, что, в конечном итоге должно привести к уменьшению времени поиска места аварии. Целью работы является обоснование возможности применения БЛА для автоматического поиска места аварии воздушных и морских судов, оснащенных сферическими отражателями по отклику на зондирующий радиолокационный сигнал. Предлагается оснащать воздушные и морские суда не отдельными сферическими отражателями, а конструкцией из трех сферических отражателей, выполненных в виде антенной решетки. Используемые методы: решение задачи обнаружения и локализации места аварии воздушного или морского судна за счет максимизации вероятности правильного обнаружения решетки пассивных отражателей при заданном уровне ложной тревоги. Повышение вероятности правильного обнаружения объекта относительно известных уголковых отражателей осуществляется за счет использования осциллирующего характера диаграммы обратного рассеяния сферических отражателей и использования двух частот зондирующего сигнала. Новизна: элементами новизны представленного решения является размещение двухчастотной поисковой радиолокационной станции (РЛС) на БЛА, а также обоснование использования на борту воздушных и морских судов вместо отдельного сферического отражателя системы из трех отражателей. Результат: использование БЛА с радиолокационной станцией для автоматического поиска сферических отражателей обеспечивает обнаружение места аварии с вероятностью правильного обнаружения свыше 0,9. Рассмотрены три альтернативных варианта обнаружения места аварии: традиционный с использованием поискового вертолета; оператором по информации от дистанционно пилотируемого БЛА; автоматического поиска с помощью двухчастотного поискового радиолокатора, размещенного на борту БЛА. Результаты имитационного моделирования показывают выигрыш от применения поискового радиолокатора, размещенного на борту БЛА, от 20 до 40%. Практическая значимость: представленное решение предлагается использовать для оснащения аварийных плотов морских судов, а также носимых (бортовых) аварийных запасов воздушных судов для снижения времени поиска экипажей в условиях неисправности аварийных радиостанций или при необходимости соблюдения радиомолчания.
Ключевые слова: поиск потерпевших аварию судов, сферический отражатель, эффективная поверхность рассеяния.
Библиографическая ссылка на статью:
Баженов А. В., Гривенная Н. В., Исаев А. М., Мельников С. В. Применение беспилотных летательных аппаратов для радиолокационного поиска воздушных и морских судов, потерпевших аварию // Системы управления, связи и безопасности. 2020. № 2. С. 212-230. DOI: 10.24411/2410-9916-202010207.
Reference for citation:
Bazhenov A. V., Grivennaya N. V., Isaev A. M., Melnikov S. V. Application of Unmanned Aerial Vehicles for Radar Search of Aircraft and Ships Affected by an Accident. Systems of Control, Communication and Security, 2020, no. 2, pp. 212-230 (in Russian). DOI: 10.24411/2410-9916-2020-10207.
DOI: 10.24411/2410-9916-2020-10207
Системы управления,связи и безопасности №2. 2020
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
Введение
Жизнь человека является самой большой ценностью и это все больше проявляется в тенденциях развития современного общества. Существует большое число угроз жизни как отдельных людей, так и целых народов. Среди них особую роль играют технические и техногенные аварии и катастрофы.
Для поиска экипажей воздушных и морских судов, потерпевших аварию, ключевым является не стоимость спасательных работ, а время, в течение которого необходимо найти людей. В некоторых случаях, например, при поиске экипажей, находящихся в холодной воде, спасательная операция должна проходить за считанные часы. В сложных условиях для организации поисковых работ необходимо максимально увеличивать привлекаемую группировку сил и средств, а также максимально автоматизировать процесс поиска для исключения ошибок так называемого человеческого фактора [1]. Поиск аварийных судов не должен прекращаться при ухудшении метеоусловий, в вечернее и ночное время. Реализация этих требования возможна при использовании беспилотных летательных аппаратов (БЛА), оснащенных радиотехнической аппаратурой поиска [2].
Применение систем с пассивным ответом является предпочтительным по отношению к системам с активным ответом по той причине, что авария судна часто сопровождается ударными перегрузками, способными привести к разрушению аварийных радиосистем и их источников электропитания, да и сами источники питания имеют весьма ограниченный ресурс работы. При этом состояние экипажа не всегда позволяет выполнить настроечные операции с аварийным оборудованием. В некоторых случаях (например, при посадке на территории, занятой противником) применение радиомаяков практически невозможно ввиду того, что поисковые службы находятся в худших условиях, чем расположенное непосредственно в зоне поиска наземное пеленгационное оборудование противника.
Радиолокационные станции для поиска мест аварии по характеру отклика на зондирующие сигналы используются достаточно давно (в частности, для поиска морских судов) [2-5]. Однако в настоящее время обнаружение осуществляется по характеру отраженного сигнала, контрастирующего на фоне окружающих объектов (подстилающей поверхности в случае поиска морских судов). При этом превышение порога может дать любой случайный объект, находящийся в луче диаграммы направленности антенны зондирующей РЛС. Таким образом, этот метод не обладает требуемой однозначностью. Нанесение специальных покрытий на фрагменты одежды экипажа или на части планера (корпуса судна) могли бы увеличить степень однозначности, но при аварийном развитии событий трудно предугадать, как будет располагаться участок со специальным покрытием по отношению к источнику радиолокационного сигнала.
Работа в дальнейшем представлена следующим образом. В первом разделе приводятся формулы для расчета эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) отражателей различного вида. А также выполнен вывод аналитических зависимостей для расчета ЭПР системы из трех сферических отражателей. Во втором
DOI: 10.24411/2410-9916-2020-10207
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
разделе производится обоснование показателя эффективности решения задачи поиска судов, потерпевших аварию, в том числе с использованием БЛА. Затем представлены результаты имитационного моделирования.
1. Расчет эффективной поверхности рассеяния отражателей различного вида
В [6] предлагается для оснащения аварийных плотов и носимых аварийных запасов использовать металлизированные сферы, обладающие частотной зависимостью характеристики обратного рассеяния. А также оснащать поисковые самолеты и вертолеты двухчастотными поисковыми радиолокационными станциями [7]. На одной из рабочих частот отклик имеет максимальную амплитуду, а на другой прогнозируемо меньшую.
Обоснование характеристик радиолокационного отражателя производится на основе критерия Неймана-Пирсона [8], при этом в качестве параметра обнаружения используется отношение:
Я = —, (1)
где Оф - эффективная площадь обратного рассеяния (ЭПР) от участка поверхности Земли, попадающего в луч диаграммы направленности антенны РЛС (площади отражения); о1 - ЭПР /-го варианта радиолокационного отражателя.
Вероятность правильного обнаружения Рпо с учетом параметра (1) примет вид:
1
РПО ~ РЛТ , (2)
где Р - заданный уровень ложной тревоги.
Особенностью ЭПР шара для случая гш < X является осциллирующий характер, имеющий ряд резонансных максимумов и минимумов (здесь X - длина волны зондирующего сигнала, гш - радиус сферического отражателя). Первый
г
максимум наблюдается при отношении — « 0,17, при этом значение ЭПР опре-
X
деляется выражением [5]:
; V
(3)
^ш max
/ \ 2 2
1 + 0,905-—-
у
где Оо =
г
Ближайший минимум наблюдается при — « 0,27. В этом случае ЭПР
X
шара будет равна:
X
i 1 л2
max ^0
1 - 0,905-
V
2nr
(4)
DOI: 10.24411/2410-9916-2020-10207
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
На рис. 1 показаны графики зависимости ЭПР сферических отражателей разного диаметра для вариантов максимального и минимального отражения.
Результирующий отраженный сигнал создается неизвестным числом объектов, ЭПР которых превышает фоновое значение (блестящих точек) и множеством элементарных отражателей, собственно и создающих фоновое отражение. В большинстве случаев поверхность Земли имеет неровности, покрыта растительностью и в сантиметровом (несколько меньше в дециметровом) диапазоне обладает свойствами диффузного рассеяния радиоволн. Аналогичные выводы можно сделать и для морской поверхности при волнении более 2 баллов. ЭПР диффузно-рассеивающей поверхности можно рассчитать с учетом удельного значения ЭПР ауд (приведенного к площади в 1 м2) и площади 5 отражающего участка [6]:
= ■ (5)
Результаты сравнительного анализа ЭПР различных фонов в зависимости от ширины ДНА представлены на рис. 2. Как следует из рис. 2 ЭПР фона в ряде случаях сопоставимо с ЭПР сферического отражателя, что уменьшает вероятность правильного обнаружения.
R/lmb=0.17 R/lmb=0.27 / / /
y / / s
y y y y y y f
y y y y y s
y'
_____— _________ --------- _________ _________
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Радиус шара, м
Рис. 1. ЭПР идеального сферического отражателя
'Ч
I 2000
морская вода, волна 1 м
кустарник
сухая почва, степь
4 5 6 7 Ширина ДНА, град
Рис. 2. ЭПР поверхностно распределенных целей (фона)
2500
os 1500
I 1000
500
0
2
3
8 9
10
С целью увеличения вероятности правильного обнаружения радиолокационных отражателей рассмотрим возможность применения сразу нескольких сферических отражателей. Для этого воспользуемся методикой расчета ЭПР антенных решеток [9].
Как известно, для расположенных в ряд N синфазно возбуждаемых вибраторов суммарная напряженность поля в главном направлении возрастает в
раз по сравнению с одиночным излучателем.
Необходимым условием выполнения данного эффекта является то, что расстояние между соседними вибраторами настолько велико, что их взаимным влиянием можно пренебречь.
DOI: 10.24411/2410-9916-2020-10207
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
Для равномерной линейной решетки напряженность поля описывается выражением [2]:
Е = Шч>)/с Ф)е^(ф)е- ^,
где /1 (ф) - характеристика направленности излучателя;
sin
fc P) =■
(kdi sin p -щ)
81П
(kdi sin p - щ)
множитель системы из п излучателей, располо-
женных на расстоянии ¥(ф) - фазовая характеристика направленности системы; А - коэффициент, характеризующий амплитуду поля, возбуждающего
излучатели; к - фазовый коэффициент, для вакуума к = —.
Л
Для линейки отражателей коэффициент А согласно гипотезе о падении на антенную решетку плоской электромагнитной волны принимается равным единице. Фазовые коэффициенты в ¥ (ф) зависят от угла падения и линейных расстояний между отражателями.
В дальней зоне проекции векторов поля на оси сферической системы координат имеют вид:
È©—-ik(Zc АЭ + AM ); H? —
Ъ
(6)
Èm =-ik ( Zc АЭ + AM ); H © — p
(p
Z
где 2с « 120^ - характеристическое сопротивление окружающей антенну среды. При этом средний за период вектор Умова-Пойнтинга является действительным и равен:
П
1
2Z,
f 2 2 ^ 1
¿о + È È
V P — 2Zc
С учетом (6) выражение (7) примет вид:
П
где f (©,p) —
k 2 Zr
2(Ал r)
- 2 f (©,()
f 2(©,P),
(7)
(8)
■ диаграмма направленности антенны по мощности.
ЭПР отражающей антенны определяется через отношение плотности потока мощности отраженной и падающей волн П2/Пь
В свою очередь, плотность потока мощности отраженного от антенны сигнала определяется выражением:
П
отр
2 Ал r2
S ^f 2(©,p),
(9)
1
C
2
DOI: 10.24411/2410-9916-2020-10207
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
где 5эф - эффективная площадь антенны; Ротр - мощность отраженного сигнала: » = р
отр 1 пр
I i2
Ротр = pjГ , (10)
I |2
где |Г| - коэффициент, определяющий отражение от антенной системы объекта поиска падающей на неё энергии.
Мощность, принимаемая антенной:
4Л о
Рпр = ПДО,?) = п:^эф -Л f • (И)
А
С учетом (10) и (11) выражение (9) примет вид:
4л т I I? П^ эф 4-f 2 (©,Р)| Г 2
П 2 =--2-Sэфf 2(©,^). (12)
4л г2 ф
Тогда выражение для ЭПР антенны может быть записано следующим образом
сг(®,ф) = 4лг 2 П 2/ П = ^ S 2 эфf 4(©,^)| Г\2 • (13)
А
Следовательно, диаграмма обратного рассеяния (ДОР), как функция ЭПР от углов , будет определяться диаграммой направленности отражаю-
щей антенны, а также взаимным положением источника зондирующего сигнала и отражающей антенны.
При проведении исследований была разработана в среде МаНаЬ математическая модель расчета ДОР на основе представления отражающего объекта однородной плоской антенной решеткой.
На рис. 3 приведены результаты расчета ЭПР прямоугольной решетки сферических отражателей. Расчеты выполнены для сферы радиусом 0,5м и расстоянием между центрами сфер, равном трем радиусам. Длина волны зондиру-
г
ющего сигнала выбрана из соотношения — « 0,17. Как следует из графиков,
А
использование нескольких сферических отражателей ведет к увеличению максимума ЭПР, который наблюдается при углах зондирования, близких к нормали. При этом происходит сужение диаграммы обратного рассеяния. Что приводит к ухудшению условий поиска.
На основе анализа падения фронта плоской электромагнитной волны были получены основные соотношения, позволяющие выполнить расчет ДОР такой решетки:
f (в,ф) = 3,65яи2 An
2ж о 2ж
n//n j(П) + (r cos^smö)—) j(^о + (r cos(60 +^)smö)—)
eJ^0 + e X + e X
f (e,v)
3,65wa Ane
J¥0
2n
j ( r cos^smö)—-)
1 + e X + e
j(r cos(600 +Ç) siné>)—) X
(14)
DOI: 10.24411/2410-9916-2020-10207
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
Рассмотрим конструкцию решетки сферических отражателей, размещенных в углах равностороннего треугольника (рис. 4, а, б).
к ф
о о га а.
х а. ш
ш -fr fr О
600
500
400
300
200
100
-100
■ р р р р р Прямоугольная решетка 2х2 Прямоугольная решетка 4x4 Прямоугольная решетка 2x4
\ \
1 /' ч
.' / / / 1 / 1 \ \ \ \ \ i t i
/ ; ; ; f / 1 \ i \ \ \ i i
1 j / i L.' ! 1 _______ •г i 1 i 1 \ \ \
---- Г**-—" \ / ,/' » / ! \ Vs. \ -•> \ i \ \ \ * г ^ ' * —• -
\ — \ / ч / v./' \ \ \ \_у У- * —'
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 Направление на источник излучения ©
80
100
Рис. 3. Диаграммы обратного рассеяния плоских регулярных прямоугольных решеток
0
ФФ
г cos (60+çj)
Г СО^(ф)
ФФ
г cos{60+(p)sin{6)
Г С08(ф)8т(в)
а) б)
Рис. 4. Решетка из трех сферических отражателей: а) прохождение фазового фронта (ФФ) с учетом азимута <р б) прохождение ФФ по решетке с учетом угла места в
На рис. 5 показаны сравнительные графики ЭПР одиночного сферического отражателя, прямоугольной решетки сферических отражателей размером 2х2 и решетки из трех отражателей, размещенных в углах равностороннего треугольника.
Как следует из рис. 5 значение ЭПР треугольной решетки больше ЭПР одиночного отражателя более чем в 2 раза практически во всем диапазоне условий наблюдения. Для решетки сферических отражателей сохраняется зна-
DOI: 10.24411/2410-9916-2020-10207
Системы управления,связи и безопасности №2. 2020
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
чительная зависимость ЭПР от длины волны зондирующего сигнала, что позволяет для резонансного отражения существенно превысить уровень фоновых отражений и сформировать ЭПР, обеспечивающую высокую вероятность правильного обнаружения. На других значениях частоты зондирующего сигнала наблюдается ЭПР на порядок меньше, чем в условиях резонанса. Таким образом, использование двухчастотного поискового радиолокатора и системы из трех сферических отражателей позволяет обнаружить и распознать пассивный ответный сигнал.
Направление на источник излучения ©
Рис. 5. Сравнительные графики ДОР различных конструкций отражателей
Следует подчеркнуть, что отраженный сигнал на входе поисковой РЛС является суммой вторичного излучения всех отражателей в пределах площади Б. Поэтому для наблюдения малоразмерных целей на фоне отражающей поверхности необходимо путем повышения разрешающей способности станции (уменьшения ширины луча диаграммы направленности антенны и уменьшения длительности импульса зондирующего сигнала) стремиться приблизить значение Б к размерам цели. С другой стороны, уменьшение разрешаемой площади ведет к увеличению времени просмотра всего участка вероятного нахождения судна, потерпевшего аварию, и, как следствие, к увеличению времени спасательной операции.
DOI: 10.24411/2410-9916-2020-10207
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
2. Обоснование показателя эффективности решения задачи поиска судов, потерпевших аварию
Для оценки целесообразности размещения поисковой РЛС на БЛА и автоматизированном обнаружении потерпевших аварию судов выполним имитационное моделирование поисковой операции. Рассмотрим три альтернативных варианта: поиск потерпевших аварию судов визуально оператором по изображению, передаваемому с БЛА; автоматическому обнаружению по отклику от радиолокационного отражателя; визуальному поиску с вертолета.
Определим показатель эффективности в виде вероятности выполнения поставленной задачи, определяемой выражением:
Ж = РР РтРРптР Роб„, (15)
вып И инф Т Б ПИВ вых 5 V /
где РИ - вероятность того, что БЛА (поисковый вертолет) будет исправным в течение всего полета или уровень его исправности не окажет влияния на выполнение поставленной задачи (вероятность безотказной работы); Ринф = 1 -
вероятность информационного обмена с пунктом наведения в процессе осуществления полета к месту выполнения поставленной задачи. При полностью автономном полете Ринф = 1; РТ = 1 - вероятность своевременного выполнения
операций управления БЛА оператором (в автоматическом режиме Р( = 1) или вероятность своевременного обнаружения экипажем поискового вертолета места аварии; РБ - вероятность безошибочного выполнения оператором операций управления БЛА (в автоматическом режиме РБ = 1); РПИВ = 1 - вероятность преодоления неблагоприятных воздействий в исполнительной зоне и при подлете к ней. По аналогии с БЛА военного назначения, где это вероятность преодоления ПВО противника, РПИВ = 1 учитывает снижение производительности оборудования от воздействия совокупности неблагоприятных факторов в зависимости от времени выполнения поставленной задачи; Рвых = 1 - вероятность выхода в заданную точку (на заданную линию пути), с ошибкой, не превышающей заданное значение; Робн - условная вероятность выполнения поставленной задачи (обнаружения места аварии), при условии своевременного и безошибочного попадания в зону её выполнения.
При применении технических средств, позволяющих обрабатывать информацию непосредственно на борту БЛА объем информации, передаваемой наземному пункту управления, существенно уменьшается.
Поиск объекта в заданной исполнительной зоне осуществляется посредством последовательного просмотра пространственной зоны [10], имеющей размеры (по ширине и в глубину), значительно превышающие мгновенную область обзора бортовой аппаратуры (рис. 6, а). Задача навигационного оборудования заключается в построении траектории, исключающей пропуск участка местности мгновенной зоной обзора оборудования. Ограничения на время выполнения задачи с использованием БЛА обычно связаны с ресурсом энергетической установки [11]. Возврат в точку вылета обычно производится по крат-
DOI: 10.24411/2410-9916-2020-10207
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
чайшей траектории. В ходе поиска возможна ситуация, когда объекта в исполнительной зоне нет.
Исполнительная зона может иметь не только прямоугольную форму. На рис. 6, б показан вариант поиска объекта в угловом секторе.
2Я 2д'
а) б)
Рис. 6. Поиск объекта в исполнительной зоне
Размер площади 5 радиолокационного наблюдения определяется шириной луча ДНА:
Ав = к -,
р а
где А в - ширина луча в радианах; й - размер апертуры; Л - рабочая длина волны, кр - коэффициент пропорциональности, зависящий от точного распределения энергии по апертуре (в типовом случае значение к находится между 1,1 и 1,5).
Применительно к визуальному обнаружению наземного объекта с борта пилотируемого летательного аппарата или по визуальной информации, передаваемой на землю аппаратурой БЛА, можно использовать информационную модель последовательного поиска с равномерным законом распределения координат точки обзора. В этом случае вероятность обнаружения рассчитывается по формуле:
Робн (?) = 1 - е -а, (16)
где а = 1/Гср - характеристика объекта наблюдения, определяющая среднее время обнаружения объектов данного типа; ? - время наблюдения.
Время наблюдения:
Ь - Ь
t =
vB b
nô
DOI: 10.24411/2410-9916-2020-10207
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
где Ь0 - максимальная дальность обнаружения объекта; V- скорость БЛА; В - ширина полосы обзора; Ьср - средняя ширина площадки на наземной поверхности, образованной фовеальным лучом:
(т + тЛ
Ьр =( Ьр,
V 2 у
где р- угловая ширина фовеального луча зрения и составляет 10°. Исходя из приведенных соотношений:
Т2 - Т
-ар-
Робн (L) = 1 - в ™
L2 - L2 Lo L
/(Т) = РобН(Т) = -2арТе~ар ГВ .
Для увеличения дальности обнаружения радиотехническими средствами выход в район бедствия выполняется в диапазоне высот [2]:
- для самолетов - 6000-8100 м;
- для вертолетов - 600-1200 м.
Размер зоны обзора определяется наклоном и шириной диаграммы направленности антенн, при этом для уменьшения времени поиска необходимо увеличивать размер зоны обзора, для снижения вероятности пропуска необходимо обеспечить перекрытие последовательно просматриваемых участков не менее чем на 25%, а также максимально увеличить отношение сигнал/фон.
Формулы для расчета вероятностей, входящих в показатель качества (15), не связанных с обнаружением наземного объекта, подробно рассмотрены, например, в [9, 12].
3. Результаты имитационного моделирования
Общепринятая методика расчета показателя эффективности базируется на представлении процесса выполнения задачи в виде совокупности этапов, вероятности выполнения которых рассчитываются с помощью аналитических выражений. Ей присущ ряд недостатков, наличие которых объясняется общим недостатком аналитических моделей как класса - наиболее полное исследование процесса функционирования системы можно провести, если известны явные зависимости, связывающие искомые характеристики с начальными условиями, параметрами и переменными системы. Однако такие зависимости, связывающие искомые характеристики с начальными условиями, параметрами и переменными системы, удается получить только для сравнительно простых систем. При усложнении систем необходимо существенное упрощение первоначальной модели. При имитационном моделировании реализующий модель алгоритм воспроизводит процесс функционирования системы во времени, причем имитируются элементарные явления, составляющие процесс, с сохранением их логической структуры и последовательности протекания во времени, что позволяет по исходным данным получить сведения о состояниях процесса в опре-
DOI: 10.24411/2410-9916-2020-10207
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
деленные моменты времени, дающие возможность оценить характеристики системы.
Для оценки эффективности различных вариантов построения структуры и компонентов авиационных поисковых комплексов (АПК) на основе математического аппарата систем массового обслуживания (СМО) разработана статистическая имитационная модель функционирования АПК при решении задачи поиска аварийного судна (рис. 7).
На рис. 7 приняты следующие обозначения: БИ противодействия - блок имитации противодействия противника; БИ ЛА - блок имитации летательного аппарата - поискового вертолета; БИ БЛА - блок имитации беспилотного летательного аппарата; БИ объекта поиска - блок имитации местоположения и характеристик потерпевшего аварию судна; БИ НСУ - блок имитации наземной системы управления.
Рис. 7. Блок-схема имитационной модели АПК
На рис. 8-11 представлены результаты расчета показателя (15) с разными условиями выполнения задачи.
DOI: 10.24411/2410-9916-2020-10207
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
Зависимость W от площади поиска
Зависимость W от площади поиска
-
х
альный поиск с вертолета альный поиск по информации с БЛА матический поиск с БЛА
визу авто
Sp,km2
Рис. 8. Графики показателя качества в зависимости от площади зоны обзора (Интенсивность потока неблагоприятных воздействий 0,0001; Условная вероятность выполнения задачи 0,7; Дальность визуального обнаружения 5000 м; Ограниченное время ожидания 120-180 мин)
0.75 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5 0.45 0.4 0.35
\
х
х ч.
-
визуальный поиск с вертолета ' визуальный поиск по информации с БЛА автоматический поиск с БЛА
■
0
Sp,km2
Рис. 9. Графики показателя качества в зависимости от площади зоны обзора (Интенсивность потока неблагоприятных воздействий 0,0001; Условная вероятность выполнения задачи 0,7; Дальность визуального обнаружения 8000 м; Время ожидания 6 ч)
0.8
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
2
4
6
8
10
12
4
6
18
20
0
2
4
6
8
0
12
4
6
18
20
Зависимость W от площади поиска
0.7 0.65 0.6 0.55 0.5 0.45 0.4 0.35
визуальныи поиск с вертолета визуальный поиск по информации с БЛА автоматический поиск с БЛА
Зависимость W от площади поиска
альный поиск с вертолета альный поиск по информации с БЛА матический поиск с БЛА
визу авто *
10 12 14 2
16 18 20
Sp, km'
0.75
0.7
0.65
л 0.6
0.55
0.5
0.45
0.4
0
2
4
68
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Бр.кт2
Рис. 10. Графики показателя качества в зависимости от площади зоны обзора (Интенсивность потока неблагоприятных воздействий 0,01; Условная вероятность выполнения задачи 0,8; Дальность визуального обнаружения 8000 м; Время ожидания не ограничено)
Рис. 11. Графики показателя качества в зависимости от площади зоны обзора (Интенсивность потока неблагоприятных воздействий 0,001; Условная вероятность выполнения задачи 0,8; Дальность визуального обнаружения 8000 м; Время ожидания не ограничено)
Анализ результатов моделирования (рис. 8-11) показал, что, по сравнению с существующей системой поиска аварийных судов, в которой задача поиска и распознавания решается экипажем средствами пассивной радиолокации
DOI: 10.24411/2410-9916-2020-10207
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
или визуально, использование предлагаемой методики обнаружения позволяет обеспечить повышение показателя эффективности на 20...40%. Выигрыш достигается, в основном, за счет повышения дальности и вероятности обнаружения отражателей.
При применении БЛА, оснащенного поисковой РЛС, достигается значительное повышение показателя эффективности по сравнению с другими вариантами построения АПК. Применение поискового БЛА, оснащенного поисковой РЛС для поиска экипажей с допустимым временем ожидания менее 120-180 мин., позволяет повысить показатель эффективности в среднем до 40% (рис. 8). Для поиска мест аварии воздушных судов без ограничения времени и в условиях интенсивного воздействия на информационный канал обмена данными с пунктом наведения и канал коррекции счисленных навигационных координат выигрыш существенен при больших площадях поиска.
Выводы
Анализ выполненных исследований позволяет сделать следующие выводы:
- эффективная поверхность рассеяния сферических отражателей при
г
длине волны зондирующего сигнала Я ~ в любых условиях
наблюдения обеспечивает наилучшие значения вероятности правильного обнаружения;
- при организации поисков в степных условиях или на фоне морской поверхности с волнением порядка 2 баллов размер площади отражения от сферических отражателей должен составлять от 2000 до 10000 м2, что достижимо использованием антенных решеток из сферических отражателей;
- в лесистых условиях требуемое значение вероятности правильного обнаружения РПО > 0,9 обеспечивается при использовании сферического
отражателя радиусом 1 м2. Неоднозначность, возникающая при попадании в луч зондирующей РЛС посторонних объектов, имеющих суммарную ЭПР, сопоставимую с ЭПР сферического отражателя, снижается за счет последовательного использования двух частот зондирующего сигнала. Вначале область поиска просматривается
г
на длине волны зондирующего сигнала Я « . При возникновении отклика,
превышающего установленный порог, длина волны зондирующего сигнала
г
устанавливается равной Я ~ ^ ^ . При этом отклик от сферического отражателя
(или решетки отражателей) будет значительно ниже, и, соответственно, не обеспечит превышения порога.
Особенностью применения сферических отражателей является всена-правленнось их диаграммы обратного рассеяния, позволяющая осуществлять поиск места аварии с любого направления. Использование решетки с располо-
DOI: 10.24411/2410-9916-2020-10207
Системы управления,связи и безопасности №2. 2G2G
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
жением сферических отражателей в углах равностороннего треугольника не приводит к существенному сужению ширины ДОР.
Изготовление сферических отражателей из пластичных материалов с металлическим покрытием (напылением) позволяет хранить отражатели в свернутом виде и приводить их в рабочее состояние путем наполнения газом или воздухом автоматически или вручную только после возникновения аварийной ситуации.
Научная новизна исследования заключается в выводе аналитического выражения для расчета ЭПР конструкции из трех сферических отражателей. В отличие от одиночного сферического отражателя конструкция из трех отражателей существенно увеличивает уровень отраженного сигнала в широком диапазоне углов подхода к месту аварии. В свою очередь увеличение отношения сигнал/фон ведет к повышению однозначности радиолокационного поиска отражателей и обеспечивает применение беспилотных летательных аппаратов для радиолокационного поиска аварийных судов.
Данные исследования выполнены при поддержке научного проекта «Разработка роботизированного беспилотного летательного аппарата мульти-роторного типа с использованием бесплатформенной инерциалъной навигационной системы» Федеральной целевой программы на 2014-2020 годы (уникальный идентификатор RFMEFI57818X0222) при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования России.
Литература
1. Pólka M., Ptak S., Kuziora L. The Use of UAV's for Search and Rescue Operations // Procedía Engineering. 2017. Vol. 192. P. 748-752. doi: 10.1016/j.proeng.2017.06.129.
2. Наставление по авиационному поиску и спасению в государственной и экспериментальной авиации. Приказ Министра обороны Российской Федерации и Министра промышленности и энергетики Российской Федерации от 12 июля 2004 г. № 206/37 // Официальный интернет-портал правовой информации [Электронный ресурс]. 2020. - URL: http://pravo.gov.ru/proxy/ips/? doc_itself=&backlink =1&nd=102131353&page=1&rdk=0#I0 (дата обращения: 05 июня 2020).
3. Радиолокационный отражатель РЛО-1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. [Электронный ресурс]. 05.06.2020. - URL: http://slsa.ru/radiolokacionnyiotrajatelrlo-1 (дата обращения: 05.06.2020).
4. Lu J.B., Hu W.D., Xiao H., Yu W. Novel cued search strategy based on information gain for phased array radar // Journal of Systems Engineering and Electronics. 2008. Vol. 19. № 2. С. 292-297. doi: 10.1016/S1004-4132(08)60081-X.
5. Gonzalo P. Overview and Current Status of Remote Sensing Applications Based on Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) // Photogrammetric Engineering & Remote Sensing. 2015. Vol. 81. С. 281-329. doi: 10.14358/PERS.81.4.281.
DOI: 10.24411/2410-9916-2020-10207
Системы управления,связи и безопасности №2. 2020
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
6. Баженов А. В., Малыгин С. В. Радиолокационная система поиска аварийных судов с использованием сферических отражателей // Системы управления, связи и безопасности». 2015. № 1. C. 16-25.
7. Баженов А. В., Медяный Д. Н., Янковец Ю. Г. О целесообразности расширения задач, решаемых беспилотными летательными аппаратами // Инфокоммуникационные технологии. 2007. Т. 5. № 3. C. 147-149.
8. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. Учебное пособие для вузов / Под ред. Г.С. Кондратенкова. -М.: Радиотехника, 2005. - 368 с.
9. Баженов А. В. Методика расчета диаграммы обратного рассеяния однородной антенной решетки // Развитие инновационных направлений в образовании, экономике и технологиях. Межвузовская научно-практическая конференция. - Ставрополь: ООО Издательский дом «ТЭСЭРА», 2011. C. 135-139.
10. Zhen L, Li M., Laporte G., Wang W. A vehicle routing problem arising in unmanned aerial monitoring // Computers & Operations Research. 2019. Vol. 105. P. 1-11. doi: 10.1016/j.cor.2019.01.001.
11. Boukoberine M. N., Zhou Z., Benbouzid M. A critical review on unmanned aerial vehicles power supply and energy management: Solutions, strategies, and prospects // Applied Energy. 2019. Vol. 255. doi: 10.1016/j.apenergy.2019.113823.
12. Финкильштейн М. И. Основы радиолокации. Учебник для вузов. -М.: Радио и связь, 1983. - 536 с.
References
1. Polka M., Ptak S., Kuziora L. The Use of UAV's for Search and Rescue Operations. Procedia Engineering, 2017, vol. 192, pp. 748-752. doi: 10.1016/j.proeng.2017.06.129.
2. Nastavlenie po aviacionnomu poisku i spaseniyu v gosudarstvennoj i e'ksperimentaTnoj aviacii. Prikaz Ministra oborony' Rossijskoj Federa-cii i Ministra promy'shlennosti i e'nergetiki Rossijskoj Federacii ot 12 iyulya 2004 g. № 206/37 [Counsel for aviation search and rescue in the state and experimental aviation. Decl. by Order of the Ministry of defense Russian Federation from July 12, 2004, no. 206/37]. Ofitsial'nyi internet-portal pravovoi informatsii [The official Internet portal of law information], 05 June 2020. Available at: http://pravo.gov.ru/proxy/ips/?doc_itself=&backlink=1 &nd=102131353&page=1 &rd k=0#I0 (accessed 05 June 2020) (in Russian).
3. Radiolokacionny'j otrazhatel' RLO-1. Texnicheskoe opisanie i instrukciya po e'kspluatacii. [Radar reflector SART-1. Technical description and operating instructions], 05 June 2020. Available at: http://slsa.ru/other-slsa-production/rlo-1-detail (accessed 05 June 2020) (in Russian).
4. Lu J., Hu W., Xiao H., Yu W. Novel cued search strategy based on information gain for phased array radar. Journal of Systems Engineering and Electronics, 2008, vol. 19, pp. 292-297. doi: 10.1016/S1004-4132(08)60081-X.
DOI: 10.24411/2410-9916-2020-10207
Системы управления,связи и безопасности №2. 2020
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
5. Gonzalo P. Overview and Current Status of Remote Sensing Applications Based on Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, 2015, vol. 81, pp. 281-329. doi: 10.14358/PERS.81.4.281.
6. Bazhenov A. V., Malygin S. V. Radar system for searching for emergency vessels using spherical reflectors. Systems of Control, Communication and Security, 2015, no. 1, рр. 16-25 (In Russain).
7. Bazhenov A. V., Medyanyj D. N., Yankovec Y. G. O celesoobraznosti rasshireniya zadach, reshaemyh bespilotnymi letatel'nymi apparatami [On the feasibility of expanding the tasks solved by unmanned aerial vehicles]. Infokommunikacionnye tekhnologii, 2007, vol. 5, no. 3, рр. 147-149 (In Russain).
8. Kondratenkov G. S. Radiovidenie. Radiolokatsionnye sistemy distantsionnogo zondirovaniia Zemli [Radiovision. Radar remote sensing]. Moscow, Radio Engineering Publ., 2005, 368 p. (In Russain).
9. Bazhenov A. C. Metodika rascheta diagrammy obratnogo rasseianiia odnorodnoi antennoi reshetki [Method of calculating charts backscattering uniform antenna array]. The Development of innovative trends in education, economy and technology. Interuniversity scientific-practical conference. Stavropol, Publishing house "TESERA", 2011, pp. 135-139 (In Russian).
10. Zhen L, Li M., Laporte G., Wang W. A vehicle routing problem arising in unmanned aerial monitoring. Computers & Operations Research, 2019, vol. 105, pp. 1-11. doi: 10.1016/j.cor.2019.01.001.
11. Boukoberine M. N., Zhou Z., Benbouzid M. A critical review on unmanned aerial vehicles power supply and energy management: Solutions, strategies, and prospects. Applied Energy, 2019, vol. 255. doi: 10.1016/j.apenergy.2019.113823.
12. Finkil'shtejn M. I. Osnovy radiolokacii [Basics of radar]. Moscow, Radio and communications Publ., 1983, 536 р. (In Russain).
Информация об авторах
Баженов Анатолий Вячеславович - кандидат технических наук, профессор. Профессор кафедры «Информационные технологии и электроника». Ставропольский технологический институт сервиса (филиал) Донского государственного технического университета. Область научных интересов: цифровая обработка сигналов. E-mail: [email protected]
Адрес: 355000 г. Ставрополь ул. Кулакова, д. 41/1.
Гривенная Наталья Владимировна - кандидат технических наук. Начальник управления обеспечения качества основных образовательных программ и информатизации образовательного процесса. Ставропольский государственный педагогический институт. Область научных интересов: моделирование систем, цифровая обработка сигналов, инфокоммуникационные технологии. E-mail: [email protected]
Адрес: 355028, Россия, г. Ставрополь, Ленина ул., д. 417а
Исаев Александр Михайлович - старший преподаватель межинститутской базовой кафедры. Северо-Кавказский федеральный университет. Область научных интересов: повышение эффективности функционирования беспилотных летательных аппаратов мультироторного типа. E-mail: [email protected]
DOI: 10.24411/2410-9916-2020-10207
Системы управления,связи и безопасности №2. 2020
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
Мельников Сергей Владимирович - аспирант кафедры инфокоммуника-ций. Северо-Кавказский федеральный университет. Область научных интересов: повышение эффективности функционирования беспилотных летательных аппаратов мультироторного типа. E-mail: [email protected] Адрес: 355028 г. Ставрополь, пр. Кулакова, д. 2а.
Application of Unmanned Aerial Vehicles for Radar Search of Aircraft and Ships Affected by an Accident
A. V. Bazhenov, N. V. Grivennaya, A. M. Isaev, S. V. Melnikov
The problem statement: human life is priceless, so when people die in an accident, but not in the crash itself, just because of the late arrival of rescue teams, this is a double tragedy. The development of rescue services is given considerable attention in all highly developed countries. One of the key areas for improving the technical support of rescue services is the development of radio engineering systems since they have such crucial advantages as optical systems with all-weather and round-the-clock use. The use of various emergency radio stations and direction-finding equipment, which are located on search planes and helicopters, significantly reduces the time of the search for the scene of an accident, however, the limited number ofpower sources, and sometimes a direct ban on the use of them (for example, when an aircraft is landing on the territory occupied by the enemy) determine the relevance of using passive reflectors and radiolocation systems. Another trend in the development of search and rescue systems is the use of unmanned aircraft or remotely piloted aircraft systems. The use of remotely piloted aircraft systems (RPAS) allows creating large groups of search and rescue systems and leads to a decrease in the search time for the accident site. The aim of the research work is to substantiate the possibility of using RPAS for an automatic search for the accident site of aircraft and ships equipped with spherical reflectors according to the response to the probing radar signal. It is proposed to equip aircraft and ships not with separate spherical reflectors, but with a design of three spherical reflectors made in the form of an antenna array. The research methods: the solution of the problem is based on detecting and localizing the accident site of an aircraft or a sea vessel by maximizing the probability of correct detection of the array of passive reflectors at a given level offalse alarm. The probability of correct detection of an object with respect to known corner reflectors is increased by using the oscillating nature of the backscattering pattern of spherical reflectors and using two frequencies of the probe signal. The research novelty: the novelty of the presented research work is the placement of a dual-frequency search radar station on RPAS, as well as the rationale for using them on board of aircraft and ships instead of a separate spherical reflector system of three reflectors. The result: the use of RPAS with a radar station for an automatic search for spherical reflectors ensures the detection of the accident site with a probability of correct detection over 0.9. The three alternative options for detecting the scene of an accident are presented in the study. They include using a search helicopter; using operator information from RPAS and an automatic search using a dual-frequency search radar system located onboard of RPAS. The results of the imitation model show a gain from the use of a search radar system located onboard of RPAS from 20 to 40%. The practical relevance of the research work: the presented research work suggests equipping emergency rafts of ships, as well as emergency stocks of aircraft with the three spherical reflectors to reduce the search time for rescue teams in the event of a malfunction of emergency radio stations or, in case of emergency, compliance with radio silence.
Keywords: search for emergency aircraft and ships, spherical reflector, effective scattering surface.
Information about Authors Anatoly Viacheslavovich Bazhenov - Ph.D. of Engineering Sciences, Full Professor. Professor at the Department of Information Technology and Electronics. Stavropol Servis Institute of Technology (Branch) Don State Technical University. Field of research: digital signal processing. E-mail: [email protected]
DOI: 10.24411/2410-9916-2020-10207
Системы управления,связи и безопасности №2. 2020
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
Addres: Russia, 355000, Stavropol, Kulakova street, 41/1. Natalya Vladimirovna Grivennaya - Ph.D. of Engineering Sciences. Head of the Department of Quality Assurance of Basic Educational Programs and Informatization of Educational Process. Stavropol State Pedagogical Institute. Area of scientific interests: system modeling, digital signal processing, information and communication technology. E-mail: [email protected]
Address: Russia, 355028, Stavropol, Lenina str, 417a.
Alexander Mikhaylovich Isaev - senior teacher of the interinstitutional basic Department. North Caucasus Federal University. Research interests: improving the performance of multirotor unmanned aerial vehicles. E-mail: [email protected] Address: Russia, 355028, Stavropol, ave. Kulakov, 2a.
Sergey Vladimirovich Melnikov - postgraduate student of the Department of Infocommunications. North Caucasus Federal University Research interests: improving the performance of multirotor unmanned aerial vehicles. E-mail: [email protected]
Address: Russia, 355028, Stavropol, ave. Kulakov, 2a.
DOI: 10.24411/2410-9916-2020-10207
