Информационно-измерительная и управляющая система с дальномерным каналом третичной обработки радиолокационной информации повышенной точности

Полный текст

Введение

Повышение безопасности маневрирования воздушных судов (ВС) – важная задача информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС), выполняющих задачи диспетчерского сопровождения маневрирующих ВС в районе аэродрома. Согласно плану развития гражданской авиации на 2013 – 2028 гг. [1], утвержденному Международной организацией гражданской авиации (ICAO), а также п. 4.5.2.4.2. Федеральных авиационных правил т. 2 ч. 170 [2], ИИУС, выполняющая задачи диспетчерского сопровождения маневрирующих ВС, должна поддерживать третичную обработку радиолокационной информации. Решение задачи повышения точностных характеристик измерения координат движения ВС системой способствует повышению пропускной способности ИИУС при сохранении заданного уровня безопасности.

Обработка информации, поступающей от нескольких источников радиолокационной информации, принято называть третичной обработкой информации [3]. Главная задача третичной обработки информации в ИИУС – повышение точности оценки координат движения ВС за счет использования данных от нескольких РЛС. Третичная обработка информации проводится в диспетчерском пункте системы на основании результатов вторичной обработки информации о координатах ВС от каждой из используемых РЛС системы. Основными этапами третичной обработки информации являются сбор полученной от РЛС информации о движении ВС, приведение к единой системе координат и единому времени, оценка радиолокационной информации (РЛИ) о движении ВС, полученной от РЛС, укрупнение оцененной информации [3 – 5]. Наиболее важным этапом третичной обработки информации является оценка информации о движении ВС.

Оценка координат движения ВС, полученная от нескольких РЛС и приведенная к единой системе координат, проводится одним из методов: математического усреднения или весовой обработки информации.

Информационно-измерительная и управляющая система с применением третичной обработки информации

Рассмотрим ИИУС с дальномерным каналом, где используется третичная обработка информации.

В зависимости от метода оценки дальности ВС относительно наземных РЛС при третичной обработке информации, структура ИИУС будет отличаться, однако можно выделить общие основные составляющие части: наземные РЛС1, РЛС2 и диспетчерский пункт (рис. 1, а).

Наземные РЛС идентичны. Каждая РЛС состоит из приемо-передающей аппаратуры (ППА), аналого-цифрового преобразователя (АЦП) дальности, датчика измерения дальности (ДИ), калмановского фильтра оценки дальности (ФОД) и аппаратуры передачи информации РЛС (АПРЛС). Приемо-передающая аппаратура формирует зондирующий сигнал, который излучается в пространство в сторону ВС. Отраженный сигнал (ОС) от ВС поступает на вход приемо-передающей аппаратуры, где происходит его обнаружение. Отраженный сигнал и синхронизирующий импульс (СИ) с выхода приемо-передающей аппаратуры поступают на АЦП дальности для преобразования аналоговых сигналов в цифровые. Затем цифровые сигналы ОС и СИ поступают на датчик измерения дальности, который регистрирует значение дальности до ВС методом измерения задержки по времени ОС относительно СИ. С выхода датчика измерения дальности, полученное значение поступает на калмановский фильтр оценки дальности, где осуществляется ее вторичная обработка. Оцененное значение дальности поступает в аппаратуру передачи информации РЛС, а затем в приемную аппаратуру диспетчерского пункта (ПАДП).

Диспетчерский пункт ИИУС состоит из диспетчера (ДП), приемной аппаратуры, устройства синхронизации координат и времени (УС), фильтра усреднения дальности (ФУД), фильтра укрупнения отметок (дальности) (ФУО), аппаратуры отображения информации (АОИ) диспетчера, аппаратуры управления ИИУС (АУ ИИУС), аппаратуры связи диспетчера (АСД). Информация о дальности до ВС с приемной аппаратуры диспетчерского пункта поступает в устройство синхронизации координат и времени, в котором информация от РЛС1 и РЛС2 приводится к единой системе координат и времени. В фильтре усреднения дальности проводится третичная оценка дальности до ВС с учетом радиолокационной информации от двух РЛС. Третичная оценка дальности через фильтр укрупнения дальности поступает на аппаратуру отображения информации диспетчера, где отображается информация дальности до ВС. Диспетчер использует информацию дальности до ВС, который при необходимости дает команду об укрупнении РЛИ, либо, при потенциальной вероятности возникновения конфликтных ситуаций ВС при маневрировании, передает команду с помощью аппаратуры связи об изменении пространственного положения ВС в горизонтальной и вертикальной плоскостях на величины ΔX, ΔY, ΔZ.

Одним из наиболее простых методов оценки информации о фазовых координатах ВС является метод математического усреднения. Метод математического усреднения заключается в нахождении среднего арифметического от значений фазовых координат движения ВС от каждой из РЛС в данный момент времени [4, 6]. При определении координат движения ВС (дальности, азимута, угла места) в РЛС информация поступает в диспетчерский пункт, где оценка проводится согласно формуле

$X_i=\frac{X{1}_i+X{2}_i}{2},$                                                                                            (1)

здесь X_i – значение фазовой координаты движения ВС, полученное в результате третичной обработки информации в момент времени i; X1_i, X2_i – значения фазовых координат движения ВС, полученные в результате вторичной обработки информации в РЛС1 и РЛС2 соответственно в момент времени i.

Рассмотрим структуру ИИУС с применением метода математического усреднения при оценке дальности до ВС (см. рис. 1, а).

 

Рис. 1а. Структура ИИУС с применением третичной обработки информации методом математического усреднения дальности до ВС (а) (начало)

 

Рис. 1б.  методом весовой обработки информации о дальности до ВС (б) (продолжение)

 

Рис. 1в. методом апостериорной весовой обработки (в) (окончание)

 

Главное достоинство данного метода – простота реализации в ИИУС, поскольку вычислительные затраты минимальные, однако точность оценки фазовых координат движения ВС при использовании данного метода не способна обеспечить безопасное движение ВС [4 – 6]. Это объясняется тем, что при использовании метода математического усреднения не учитываются точностные характеристики РЛС, входящих в состав ИИУС, а также параметры маневрирования ВС.

Более точным, но сложным в реализации, является метод весовой обработки информации, где оценка при третичной обработке информации проводится согласно выражению [3]

$X_i=b{1}_{i}X{1}_i+b{2}_{i}X{2}_i,$                                                                                   (2)

где b1_i, b2i – значения весового коэффициента фазовой координаты движения ВС для информации, поступающей от РЛС1 и РЛС2 соответственно.

Метод математического усреднения координат ВС можно также считать методом весовой обработки. В таком случае радиолокационная информация, поступающая от двух РЛС, считается равной по весу, то есть b1 = b2 = 0.5 [3, 6, 9].

Весовые коэффициенты, используемые в существующих методах весовой обработки, являются априорными, то есть не изменяются в процессе маневрирования ВС [6, 9].

Так, при использовании метода весовой обработки, представленного в [3, 9], используются априорные данные о среднеквадратической погрешности оценки фазовых координат маневрирования ВС в РЛС согласно формуле

$X_i=$$\frac{\frac{1}{\sigma 1^2}X{1}_i+\frac{1}{\sigma 2^2}X{2}_i}{\frac{1}{\sigma 1^2}+\frac{1}{\sigma 2^2}},$                                                                 (3)

где σ1, σ2 – априорные значения среднеквадратических погрешностей (СКП) фазовых координат маневрирования ВС, не изменяющиеся в процессе маневрирования ВС.

Структура ИИУС с применением методов априорной весовой обработки при оценке дальности до ВС представлена на рис. 2.

Отличием структуры, представленной на рисунке 1, б, от структуры ИИУС с методом математического усреднения (см. рис. 1, а) является наличие фильтра оценки дальности третичной обработки информации (ФОДТОИ), где, учитывая априорные точностные характеристики РЛС системы, проводится оценка дальности согласно выражению (3).

Применение в ИИУС метода весовой обработки при оценке дальности до ВС способствует повышению точностных характеристик системы в сравнение с применением метода математического усреднения. Однако, поскольку весовые коэффициенты являются априорными, не учитываются апостериорные параметры маневрирования ВС и пространственное расположение РЛС [10, 11].

Решением данной проблемы является использование при оценке фазовых координат маневрирования ВС апостериорных параметров движения ВС. Так, в методе весовой обработки с апостериорными весовыми коэффициентами, представленном в [9, 10], таким параметром является невязка дальности до ВС. Оценка дальности до ВС при третичной обработке информации методом весовой обработки, описанным в [9, 10], проводится согласно выражению [12]

${Д}_{\text{ТОИ}}\left(k\right)=b_1\left(k\right){Д}_{\text{o}1}\left(k\right)+b_2\left(k\right){Д}_{\text{о}2}\left(k\right);$                                                                   (4)

$b_1\left(k\right)=\frac{Q1\left(k\right)}{Q1\left(k\right)+Q2\left(k\right)};$                                                                                        (5)

$b_2\left(k\right)=\frac{Q2\left(k\right)}{Q1\left(k\right)+Q2\left(k\right)};$                                                                                        (6)

$Q1\left(k\right)={\left(2\text{π}{D}_1\right)}^{-\mathrm{0,5}}\exp \left\{-\frac{{\left(\Delta {Д}_1\right(k\left)\right)}^2}{2D_1}\right\}(1-b_1(k-1\left)\right);$                                              (7)

$Q2\left(k\right)={\left(2\text{π}{D}_2\right)}^{-\mathrm{0,5}}\exp \left\{-\frac{{\left(\Delta {Д}_2\right(k\left)\right)}^2}{2D_2}\right\}(1-b_2(k-1\left)\right),$                                              (8)

где D₁, D₂– дисперсии невязки по дальности для наземных РЛС1 и РЛС2 соответственно; ΔД₁(k), ΔД₂(k) – значения невязок дальности для наземных РЛС1 и РЛС2 соответственно; ΔДo₁(k), ΔДo₂(k) – оцененные значения дальности до ВС.

Структура ИИУС с применением метода апостериорной весовой обработки с применением невязки дальности при оценке дальности до маневрирующего ВС представлена на рис. 1, в.

Главным отличием предложенной структуры ИИУС с применением апостериорной весовой третичной обработки информации является использование измерителей невязки дальности (ИНД) в РЛС1 и РЛС2, где проводятся вычисления невязки дальности на каждом шаге измерения, а также фильтра оценки весовых коэффициентов (ВВК) в диспетчерском пункте, учитывающего информацию о невязке дальности, определяемую в процессе вторичной обработки информации в измерителях невязки дальности каждой из РЛС.

Информация о невязке дальности от РЛС поступает в аппаратуру приема диспетчерского пункта, откуда поступает в фильтр оценки весовых коэффициентов, где проводится оценка весовых коэффициентов в реальном времени, влияющая в дальнейшем на оценку дальности при третичной обработке информации [12, 13].

Заключение

Использование разработанной ИИУС с применением третичной обработки информации методом весовой апостериорной обработки, учитывающим невязки дальности, способствует улучшению точностные характеристик оценки дальности до 60 % по сравнению с ИИУС, использующими другие методы третичной обработки информации, а также позволяет повысить пропускную способности ИИУС при сохранении заданного уровня безопасности до 15 % [12, 14].

Об авторах

Александр Иванович Сустин

ФГБОУ ВО «ТГТУ»

Автор, ответственный за переписку.
Email: sasasustin@mail.ru

ассистент кафедры «Радиотехника»

Россия, Тамбов

Анатолий Петрович Пудовкин

ФГБОУ ВО «ТГТУ»

Email: resbn@mail.ru

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Радиотехника»

Россия, Тамбов

Юрий Николаевич Панасюк

ФГБОУ ВО «ТГТУ»

Email: resbn@mail.ru

кандидат технических наук, доцент кафедры «Радиотехника»

Россия, Тамбов

Список литературы

Дополнительные файлы