|
КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ імені ТАРАСА ШЕВЧЕНКА
ВІЙСЬКОВИЙ ІНСТИТУТ
ГОНЧАРУК АНТОН АНТОНОВИЧ
УДК 621.391
МЕТОД ВИЗНАЧЕННЯ КООРДИНАТ ВОГНЕВИХ ПОЗИЦІЙ ІЗ ЗАСТОСУВАННЯМ ІНФОРМАЦІЇ СИГНАЛЬНОГО РОЗПІЗНАВАННЯ ЦІЛЕЙ В РЛС РВП.
20.02.14 – озброєння і військова техніка
Автореферат дисертації
на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ - 2006
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана Одеському ордена Леніна
інституті Сухопутних військ Міністерства оборони України.
Науковий керівник
кандидат технічних наук, старший науковий співробітник
Братченко Геннадій Дмитрович,
Науковий центр бойового застосування Сухопутних військ при ОІСВ,
начальник науково-дослідного відділу
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, старший науковий співробітник
Лещенко Сергій Петрович,
Об’єднаний науково-дослідний інститут ЗС, м. Харків
начальник науково-дослідного управління
кандидат технічних наук, доцент
Вишнівський Віктор Вікторович,
Військовий інститут Київського національного університету імені Тараса Шевченка,
заступник начальника науково-дослідного центру
Провідна установа – Харківський університет повітряних сил, МО України,
м. Харків
Захист відбудеться “05” липня 2006 р. о 14.00 годині
на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26. 001. 40
Військового інституту Київського національного
університету імені Тараса Шевченка за адресою:
03680, Київ, просп. Глушкова 2, корп. 8.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці
Київського національного університету імені Тараса
Шевченка за адресою: 01033, Київ, вул. Володимирська 58, зал 12.
Автореферат розісланий “31” травня 2006 року.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради С.О. ПАШКОВ
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. В умовах сучасного загальновійськового бою спостерігаються зміни у тактиці застосування артилерійських підрозділів, а саме: скорочення часу перебування гармат на вогневих позиціях (ВП), розосередження їх на ВП на відстань більше за 100–150 метрів одна від одної та розташування їх у довільному порядку, застосування одиночних мобільних гармат, що потребує в умовах контрбатарейної боротьби, підвищення точності та скорочення часу визначення координат стріляючих гармат. При визначенні координат ВП за допомогою РЛС розвідки вогневих позицій (РВП) пропускна здатність РЛС обмежується необхідністю достатньо тривалого спостереження балістичного об’єкту (БО) на траєкторії з метою забезпечення потрібної точності визначення координат ВП. При стрільбі по настільній траєкторії реальний час спостереження БО є обмеженим і може бути недостатнім для забезпечення потрібної точності визначення координат ВП.
Можливим шляхом підвищення точності визначення координат ВП при обмеженому часі спостереження БО є застосування апріорного знання типу стріляючої системи, що дає змогу використовувати відомі для певної артилерійської системи еталонні траєкторії руху БО.
Сучасні засоби радіолокаційної артилерійської розвідки дозволяють лише досить грубо визначати клас системи (тактичні ракети, реактивні системи залпового вогню, гармати, міномети) за траєкторними ознаками, що не достатньо для використання цієї інформації при визначенні еталонної траєкторії з метою екстраполяції, тому така інформація фактично не використовується при визначенні координат ВП.
Стосовно нарізних артилерійських гармат принципово існує додаткова можливість використання сигнальної модуляційної ознаки розпізнавання, що пов’язана з характером обертального руху снаряду на траєкторії для визначення типу артилерійської системи (АС), що раніше не застосовувалось. Таким чином, задача розпізнавання типу АС та використання цієї інформації для підвищення точності та скорочення часу спостереження БО при визначенні координат гармати, що стріляє, в РЛС РВП є актуальною.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в межах планових науково–дослідних робіт ОІСВ і пов’язана з теоретичними та експериментальними дослідженнями РЛС РВП. Обраний напрямок досліджень пов’язаний з НДР “Аркадія” (номер держреєстрації №0103U008067) (особисто автором розроблена фасеточна математична модель (ММ) розрахунку характеристик розсіювання радіолокаційних (РЛ) об’єктів із застосуванням САПР).
Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення точності визначення координат ВП при обмеженому часі спостереження БО (типу артилерійський снаряд, стабілізований в польоті власним обертанням) шляхом додаткового використання результату РЛ розпізнавання класу АС.
Для досягнення поставленої мети в роботі вирішуються такі задачі:
обґрунтування доцільності використання інформації розпізнавання в РЛС РВП для підвищення точності визначення координат ВП противника;
розробка ММ для дослідження якості сигнального розпізнавання та точності визначення координат вогневих позицій в РЛС РВП;
розробка методики експериментальних досліджень для перевірки адекватності ММ руху БО;
розробка методик і проведення математичного та електродинамічного моделювання для перевірки адекватності фасеточної ММ розрахунку вторинного випромінювання БО;
розробка методу, алгоритму та структурної схеми пристрою РЛ розпізнавання;
розробка методу, алгоритму та структурної схеми пристрою визначення координат ВП, що застосовує інформацію РЛ розпізнавання.
Об’єктом дослідження є процес розпізнавання та визначення координат ВП нарізних артилерійських гармат, що стріляють, в РЛС РВП.
Предметом дослідження є методи розпізнавання та визначення координат ВП нарізних артилерійських гармат із застосуванням інформації сигнального розпізнавання в РЛС РВП.
Методи дослідження. Методи статистичної теорії радіолокації, математичної статистики, теорії розпізнавання образів використані при обґрунтуванні методів сигнального розпізнавання та визначення координат ВП, розробці структурних схем пристроїв РЛ розпізнавання та визначення координат ВП. Методи зовнішньої балістики, диференційного числення використані при розробці ММ руху БО. Розрахунок характеристик розсіяння об’єктів виконувався із застосуванням електродинамічних методів наближеного розрахунку вторинного випромінювання. Апроксимація поверхні об’єктів здійснювалася за допомогою САПР. Під час фізичного електродинамічного експерименту характеристики розсіяння об’єктів досліджувались методом електродинамічної подібності. Обробка результатів дослідження здійснювалася методом теорії похибок. Методи моделювання використані при розробці ММ та дослідженні методів і алгоритмів РЛ розпізнавання та визначення координат ВП.
Наукова новизна одержаних результатів:
1. Удосконалений метод сигнального розпізнавання АС, який відрізняється від відомих тим, що для розпізнавання класу АС використовується встановлений закономірний зв’язок між частотами прецесійно–нутаційних коливань БО та спектром амплітудних флуктуацій відбитого від нього сигналу, що дозволило розробити алгоритм та структурну схему пристрою розпізнавання класу АС в РЛС РВП;
2. Удосконалений метод визначення координат ВП гармат, що стріляють, шляхом порівняння виміряних координат БО з еталонними траєкторіями за рахунок застосування вперше отриманих двопараметричних (кут кидання та момент часу від початку руху БО) еталонних залежностей траєкторій польоту БО на початковій ділянці (при фіксованій початковій швидкості БО) та їх вибору з використанням удосконаленого методу сигнального розпізнавання, який використано для розробки алгоритму та структурної схеми пристрою визначення координат ВП.
3. Вперше, стосовно РЛС РВП, розроблено ММ для дослідження обробки відбитих від БО, стабілізованих в польоті власним обертанням (далі – БО), сигналів з метою розпізнавання класу АС та визначення координат ВП, яка відрізняється від відомих можливістю моделювання комплексного вирішення задачі розпізнавання–визначення координат ВП.
Практичне значення одержаних результатів:
Розроблена ММ, реалізована на ПЕОМ, дозволяє проводити експериментальні дослідження процесів розпізнавання цілей та визначення координат ВП противника в РЛС РВП.
Розроблено алгоритм виділення ознак та розпізнавання класу нарізних АС та структурну схему пристрою розпізнавання, які використовують удосконалений метод сигнального розпізнавання, і можуть бути фізично реалізовані.
Реалізована на ПЕОМ фасеточна ММ розрахунку характеристик вторинного випромінювання РЛ об’єктів з апроксимацією їх поверхні за допомогою САПР, яка може бути використана для дослідження характеристик розсіяння та радіолокаційної помітності об’єктів різної форми.
Розроблена методика отримання аналітичних залежностей та отримані аналітичні залежності для відтворення траєкторій БО, що дозволяють зменшити об’єм пам’яті обчислювача в задачах виявлення траєкторій БО.
Розроблені алгоритм та структурна схема пристрою визначення координат ВП, що застосовує інформацію розпізнавання класу АС, який може бути використаний при модернізації існуючих та створенні перспективних РЛС РВП з метою підвищення точності визначення координат ВП при обмеженому часі спостереження БО на траєкторії.
Основні результати роботи, які пов’язані з дослідженнями процесів розпізнавання цілей та визначення координат БО в РЛС РВП, реалізовані в штабі озброєння Південного оперативного командування та навчальному процесі Одеського інституту Сухопутних військ, про що маються відповідні акти про їх реалізацію.
Особистий внесок здобувача. У роботі [1] в ММ руху БО запропонував методику для перерахунку координат, що дозволяє визначити орієнтацію площини стрільби БО відносно РЛС. У роботі [2] отримав результати моделювання спектрів флуктуацій відбитого сигналу в РЛС РВП, які вказали на принципову можливість виділення в спектрі відбитого сигналу складової, пов’язаної з калібром БО. У роботі [3] за допомогою фасеточної ММ розрахунку вторинного випромінювання, що застосовує САПР, отримав діаграми розсіяння сфери та циліндру, які підтверджують адекватність ММ, та перевірив уточнене співвідношення для розрахунку відбиття від ребер, що має єдиний фазовий множник цілі. У роботі [4] здобувач прийняв участь у обговоренні та моделюванні чисельностійкого співвідношення для урахування ефекту затінення при фасеточному описанні поверхні, розрахунковим методом та методом електродинамічного моделювання на експериментальній установці отримав діаграми ЕПР кругового циліндру та БО. У роботі [5] здобувачем запропонована поліноміальна апроксимація та отримані аналітичні співвідношення для спрощеного моделювання поступального руху БО. У роботі [6] здобувач отримав залежності точності визначення координат ВП з урахуванням та без урахування інформації розпізнавання типу АС, які підтвердили доцільність використання інформації розпізнавання з метою підвищення точності визначення координат ВП. У роботі [7] запропонував використати удосконалену, за рахунок урахування впливу моменту гасіння, ММ обертального руху БО та отримав спектри амплітудних флуктуацій відбитого сигналу в РЛС розвідки ВП.
Апробація результатів дисертації. Наукові результати, основні положення та матеріали дисертації оприлюднено на: VI, VІI, VІIІ, ІX, Х міжнародних НМК “Удосконалення підготовки фахівців”, які проводились ОДАБА, Одеса, 2001–2005 рр.; на III НПК “Сучасні інформаційні та електронні технології”, яка проводилась МПП та МОНУ, Одеса, 2002 р.; на ІІІ та ІV НПК ВМС ЗС України, які проводились у СВМІ, Севастополь, 2003, 2005 рр.; на науковій конференції молодих вчених, яка проводилась у ХВУ, Харків, 2003 рік, на 1–й всеукраїнській НПК “Військова освіта та наука: сьогодення та майбутнє”, яка проводилась у КНУ, 2005 р.; на міжвузівських НПК “Сучасні напрямки розвитку СВ ЗСУ” в ОІСВ, Одеса, 2002, 2003, 2005 рр.; на постійно діючому науковому семінарі наукових співробітників та ад’юнктів ОІСВ (2001 – 2003 рр.), на засіданнях НТР НЦ БЗСВ при ОІСВ (2002 – 2006 рр.).
Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи опублікований у 7 статтях в наукових фахових виданнях, а також додатково відображений у 12 тезах і матеріалах конференцій та викладено у звіті з НДР “Аркадія”.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і трьох додатків. Загальний обсяг складає 157 сторінок машинописного тексту, з яких 23 сторінки займають ілюстрації, таблиці, додатки та список використаних джерел, який складається з 103 найменувань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ
У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, визначена її мета і сформульовані основні задачі.
У першому розділі аналізуються відомі методи виявлення траєкторій БО та обґрунтовується можливість підвищення якості визначення координат ВП за рахунок застосування результатів РЛ розпізнавання. Шляхом ММ отримано оцінки якості визначення координат ВП за алгоритмом, що застосовує достовірну інформацію розпізнавання (пунктир) у порівнянні з їх визначенням за алгоритмом, що застосовує екстраполяцію ділянки траєкторії поліномом третього ступеня без урахування інформації розпізнавання (суцільна лінія) (рис. 1).
Рис. 1. Залежність середньої абсолютної похибки визначення координат ВП від часу супроводження цілі на траєкторії для кутів кидання: а, в –15 град, б, г – 35 град.
Наведені результати для двох кутів кидання є усередненими для чотирьох початкових ракурсів спостереження БО – 0, 5, 10 та 15 градусів за результатами 10 вимірювань для кожного ракурсу при заданому відношенні сигнал–шум =17 дБ і дискретністю відліків Дt=0,02 с. Як видно з рисунка, алгоритм, що застосовує інформацію про клас АС, забезпечує задовільну точність визначення координат ВП вже при 2 с спостереження, тоді, як традиційний алгоритм, що її не застосовує, потребує близько 6,2 с.
Проаналізована сукупність сигнальних і траєкторних ознак та методів РЛ розпізнавання, що може бути використана для визначення класу стріляючої АС у імпульсній РЛС із вузькосмуговим зондувальним сигналом (ЗС).
Сигнальною ознакою РЛ розпізнавання АС можуть бути характерні складові у спектрі амплітудних флуктуацій відбитого сигналу, виникнення яких пов’язане з характером обертального руху снаряду на траєкторії (рис.2). Частоти повільних та швидких коливань БО є різними для різних АС і змінними в залежності від величини заряду (початкової швидкості), отже вони принципово можуть бути сигнальними ознаками для розпізнавання класу (типу та заряду) нарізних АС.
Рис. 2. Спектр відбитого сигналу на виході АД для 152-мм БО у початковий момент спостереження 1 с. Частота повільних коливань – 3,4 Гц, частота швидких коливань – 16,6 Гц.
Обґрунтовано доцільність використання для дослідження якості розпізнавання нарізних АС та підвищення точності визначення їх координат в РЛС РВП методів ММ. До структурної схеми ММ на відміну від відомих додатково включено блок визначення координат ВП, який може враховувати інформацію РЛ розпізнавання. З метою моделювання вторинного випромінювання від БО типу артилерійський снаряд було обрано фасеточний метод описання поверхні. Застосування САПР дозволяє швидко описувати поверхню об’єкта за допомогою плоских трикутних пластин (фасет), причому деталізація описання може бути змінною.
У другому розділі описана ММ для дослідження розпізнавання та визначення координат ВП в РЛС РВП (рис. 3).
Блоки моделювання зворотного вторинного випромінювання та руху БО задають динамічні характеристики вторинного випромінювання цілі, блок лінійної частини приймача імітує узгоджену фільтрацію відбитого сигналу, блок шумів та зовнішніх завад призначений для імітації внутрішніх шумів приймача та задавання необхідного рівня відношення сигнал–шум при розпізнаванні АС. Блок вимірювання ознак розпізнавання містить алгоритми отримання сигнальних та траєкторних ознак розпізнавання. Блок алгоритмів розпізнавання включає алгоритм прийняття рішення про належність цілі до певного класу АС або відмову від розпізнавання. Блок визначення координат ВП реалізує алгоритми визначення координат ВП за відомим та розробленим алгоритмами. У блоці оцінки результатів моделювання виконується статистична обробка потоку рішень з розпізнавання АС та відхилення визначених координат від істинних для розрахунку показників якості розпізнавання та оцінки точності визначення координат ВП.
Рис. 3. Структурна схема ММ оцінки якості розпізнавання та визначення координат ВП.
В блоці руху (рис. 4) рух БО представлено сумою поступального руху центру мас (ЦМ) БО та обертального руху відносно ЦМ.
Рис. 4. Структурна схема блоку руху БО.
Поступальний рух задається чисельним рішенням методом Рунге–Кутта 4–го порядку системи диференційних рівнянь (ДР) зовнішньої балістики поступального руху в системі координат ВП OXYZ (рис.5), причому площина польоту БО співпадає із площиною стрільби YOX. Для спрощення моделювання значення балістичних коефіцієнтів (БК) апроксимується поліномом с(α)=.
Отримані поточні значення координат ЦМС (т – знак транспонування) перераховуються в систему координат, що пов’язана із РЛС O3X3Y3Z3 за виразом
,
де – координати ВП; (рис. 5).
По отриманим декартовим координатам розраховуються сферичні координати БО за формулами: дальність –кут місця –і азимут БО
Крім того розраховуються абсолютна величина V та складові швидкості польоту БО – Vx і Vy.
Для математичного описання просторової орієнтації БО відносно вектору швидкості використане рішення системи ДР зовнішньої балістики, що описує обертальний рух снаряда з урахуванням моменту гасіння та сили тертя повітря. При інтегруванні цієї системи ДР враховується, що в момент вильоту снаряд має випадкову швидкість зміни кута нутації, що є наслідком похибок виготовлення снаряду та стволу гармати, підскакування гармати, вібрації ствола в момент пострілу, тиску газів у період післядії та інших випадкових факторів.
Рис. 5. Взаємне положення систем координат.
Рішення системи ДР обертального руху дає поточні значення кутів прецесії  і нутації  , за якими (з урахуванням малості кута д) обчислюються кути відхилення проекції вісі снаряду О1ж на площину г (на рис. 5 вона утворена векторами  та  ), відносно напрямку візування  – ш та вісі БО – ц, які використовуються у блоці вторинного випромінювання. У цьому блоці (рис. 6) проводиться розрахунок ПМР БО в залежності від його поточної орієнтації відносно РЛС.
Рис. 6. Структурна схема блоку вторинного випромінювання.
Оскільки досліджується вісесиметричний об’єкт, то для описання динаміки зміни його ПМР достатньо попереднього знання діагональної ПМР S(Ш) на двох узгоджених ортогональних лінійних поляризаціях. Елементи цієї ПМР розраховуються в ММ розрахунку РЛХ об’єктів чисельним методом із фасеточним описанням поверхні за допомогою САПР (рис. 7).
Рис. 7. Структурна схема цифрової моделі дослідження РЛХ об’єкта.
Поле розсіяння БО представляється у вигляді когерентної суми двох компонент: складової поля, що визначається когерентною сумою полів розсіяння, освітлених РЛС фасет (розраховується методом ФО за формулою Гордона) та складової від когерентного підсумовування полів розсіяння освітлених РЛС реальних ребер (розраховується за методом еквівалентних струмів (ЕС) із застосуванням коефіцієнтів дифракції Уфімцева П.Я.). Для кожного l–го ребра об’єкта, яке є освітленим, відбитий сигнал обчислюється за формулою
, (1)
де Ll = |r1l– r2l| – довжина l–того ребра,
βl – кут між l–тим ребром та вектором візування,
,
r1l, r2l – радіус–вектори вершин l–того ребра у власній системі координат БО,
,
Fl, Gl– значення коефіцієнтів дифракції l–того ребра за методом крайових хвиль в фізичній теорії дифракції (ФТД) Уфімцева П.Я.
 =– – одиничний вектор напрямку розсіяного поля,
 – одиничний вектор уздовж l–того ребра,
 – одиничний вектор падаючого поля,
 ,  – одиничні вектори напрямків електричної та магнітної складових випромінюваного поля (рис. 5).
Формула (1) була отримана шляхом інтегрування уздовж ребра виразу для обчислення розсіяного поля за методом ЕС. Отриманий результат на відміну від отриманого Борзовим, Соколовим та Сучковим, завдяки іншому вибору системи координат ребра має фазовий множник, який враховує положення l–того ребра в єдиній з трикутними фасетами системі координат. Також запропоновані нові співвідношення для виключення із розрахунку затінених трикутних фасет, які стійкі до неточностей обчислення точки перетину площин прямою (рис. 8).
Координати точки перетину площини k–ї фасети мають одночасно задовольняти рівнянню прямої, що проходить через середину і–ї фасети, та рівнянню площини k–ї фасети
, (2)
де Аk – вектор нормалі до площини k–ї фасети, яка може бути затінена;
rm,k – координати m–ї вершини k–ї фасети, m=1,2,3;
– координати середини і–ї фасети, яка може затінювати наступні;
r – координати точки перетину;
аі – направляючий вектор прямої (вектор візування) (рис. 8).
Розв’язання системи (2) дає значення параметру. Координати точки перетину отримуються підстановкою цього значення до рівняння прямої. Умова потрапляння цієї точки у межі k–ї фасети перевіряється обчисленням величини, де, якщо m дорівнює 1 або 2, , якщо m = 3. Якщо усі значення аm,k додані, фасета вважається затіненою і відбиття від неї не враховується.
Розраховані за даною методикою ПМР мають дискретні відліки як для дійсних, так і для мнимих складових. Для отримання безперервної залежності кожна з них апроксимується рядом Котельникова, що також є особливістю реалізації блоку вторинного випромінювання.
У блоці лінійної частини приймача в залежності від поляризацій передавальної та приймальної антен РЛС при вузькосмуговому зондуванні обирається відповідний член ПМР  , який імітує відбитий сигнал на її виході, до якого з блоку шумів та зовнішніх завад додаються комплексні відліки власних шумів приймача  , значення яких у вказаному блоці задаються датчиком випадкових чисел за нормальним законом розподілення N(0, у) як для реальної, так і для мнимої складових. Значення у обирається з умови забезпечення необхідного відношення сигнал–шум на виході приймача. Узгоджена фільтрація пачки з M відбитих імпульсів імітується її когерентним накопиченням шляхом комплексного дискретного перетворення Фур’є і вибору вихідного сигналу з фільтра, в якому він має максимальну амплітуду.
| 
