Анализ потенциальной разрешающей способности многопозиционного радиолокационного комплекса обзора лётного поля Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

Машиностроение к компьютерные технологии

Сетевое научное издание

http://www.technomagelpub.ru

Ссылка на статью:

// Машиностроение и компьютерные технологии. 2017. № 12. С. 32-44.

Представлена в редакцию: 03.11.2017 © НП «НЭИКОН»

УДК 621.396.697

Анализ потенциальной разрешающей способности многопозиционного радиолокационного комплекса обзора лётного поля

Савельев А.Н.1'*, Семёнов А.Н.2, 'а1ех_ьапбб@таД:ш

Кальной М.Д.1

:ОАО "Бортовые аэронавигационные системы",

Москва, Россия 2МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия

Представлены подходы к анализу потенциальной разрешающей способности многопозиционного радиолокационного комплекса обзора летного поля (МП РЛК ОЛП), вариант его реализации в программном комплексе анализа характеристик МП РЛК ОЛП и результаты оценки.

Ключевые слова: радиолокационный датчик; многопозиционный радиолокационный комплекс; станция обзора летного поля

Введение

Повышение требований к обеспечению безопасности полетов определяет необходимость включения в состав оборудования радиотехнического обеспечения полетов радиолокационных станций обзора летного поля (РЛС ОЛП). Одним из недостатков РЛС ОЛП в однопозиционном варианте является зависимость разрешающей способности от удаления от точки наблюдения, что обязывает предъявлять высокие требования к ширине диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, которая должна составлять не более 0,40.

Устранение указанного недостатка осуществляется, как правило, либо путем использования диапазонов более коротких длин волн (Ка вместо Х-диапазона), либо применением антенных систем с повышенными массо-габаритными характеристиками, разработки специализированных РЛС ОЛП, имеющих высокие стоимостные показатели. Следует отметить тенденцию к ужесточению предъявляемых требований к разрешающей способности от существующих 15 - 30 м к рекомендуемым 6 м.

Перспективным направлением устранения недостатка по обеспечению требуемой разрешающей способности является применение многопозиционных принципов построе-

ния радиолокационных систем и комплексов, в том числе с использованием простых и дешевых радиолокационных датчиков (РЛД), обладающих более «скромными» энергетическими характеристиками относительно специализированных РЛС ОЛП [1 - 3, 8 - 12]. При таком подходе системные требования обеспечиваются за счет совместной обработки радиолокационной информации, поступающей от комплекта разнесенных в пространстве РЛД [4 - 7].

Вопросы оценки разрешающей способности многопозиционных систем и комплексов, как правило, ограничиваются общими сведениями о возможности ее повышения при практически полном отсутствии функциональных зависимостей от геометрических параметров пространственного размещения РЛД. Проблема количественной оценки разрешающей способности становится особенно актуальной при наблюдении целей РЛД с высоким разрешением по одной из координат, например, по дальности [8 - 12].

Функция рассогласования многопозиционного радиолокационного

комплекса

Из теории радиолокации известно, что разрешающая способность РЛС определяется функцией рассогласования (ФР) по соответствующей координате [4 - 6]. Для пространственно-некогерентного МП РЛК ОЛП, в состав которого входят активные РЛД кругового обзора с автономным приёмом и видеообработкой, с последующей и совместной обработкой измерений координат цели, поступающих от каждого РЛД, необходимо рассматривать «совместную» ФР.

Следует отметить, что для получения «совместной» ФР многопозиционных систем и комплексов в настоящее время существует два принципиально различающихся подхода: аддитивный и мультипликативный.

При аддитивном подходе «совместная» ФР представляет собой взвешенную сумму функций рассогласования каждого РЛД

¥(г,Го) = £щаЛц^), (1)

I

где г - порядковый номер РЛД; м - весовые коэффициенты (например, 1 или 0 в случае «покрытия» или «непокрытия» расчетной точки анализируемой площади г - м РЛД); Qi - функция рассогласования для г - го РЛД;

Г1 = \\(х - щ),(У - У1)\\, о = \\(хо - х1),(Уо - У1)\\

- векторы дальности для неподвижной точечной цели и произвольной точки анализируемой площади аэродрома (смещенной цели) до г - го РЛД.

При мультипликативном подходе «совместная» ФР представляет собой взвешенное произведение функций рассогласования каждого РЛД

i

Частная ФР i - го РЛД определяется выражением

,ro) = ПWiQi(ri,roi) . (2)

г *

Qi (ri, r0i) = J ui(t' ri) ■ Щ (t' ri)dt > (3)

где iii(t,ri) и Щ (t,ri) формализованный математически тип комплексного сигнала и его

комплексно сопряженный образ соответственно.

Для учета направленных свойств антенны амплитуда сигнала «взвешивается» с учетом формы диаграммы направленности антенны (ДНА). Считается, что максиму ДНА соответствует направление от i - го РЛД на расчетную точку. Изотропная (ненаправленная) ДНА имеет коэффициент взвешивания равный 1.

Таким образом, для оценки «совместной» разрешающей способности целесообразно выполнить следующую последовательность действий:

1) задаться типом сигнала иi (t, r¡) и формой ДНА для i - го РЛД;

2) выбрать единую систему координат XY;

3) для частной конфигурации расположения РЛД из состава МП РЛК ОЛП ¡Xi,y¿\ и неподвижной точечной цели ||xo, Уо\ оценить частную ФР на плоскости;

4) оценить разрешение по уровню 0,5 в топографической проекции двумерной функции рассогласования Qi (ri, roi )\ для текущего положения неподвижной точечной цели и занести результат в двумерную матрицу оценок разрешающей способности Ri (x,y) для i - го РЛД;

5) оценить «совместную» разрешающую способность по соотношению (1) или (2).

В качестве примера рассмотрено четыре варианта оценки «совместной» разрешающей способности:

- изотропная ДНА, аддитивная ФР;

- изотропная ДНА, мультипликативная ФР;

- направленная ДНА ( sin х / х ), аддитивная ФР;

- направленная ДНА ( sin х / х ), мультипликативная ФР.

На рисунке 1 представлен пример размещения РЛД с одинаковыми характеристиками и целей. Размер поля (карты аэродрома) составляет 1550 м по оси Ох и 100 м по оси

Оу.

4 к'

1 Л / -^Хг^ \ ^^^^^^^^^^^^ <50Ц000) * \\

10.0) \\ 3 4 Щ (-ЗС1500)

1500 и

^р - РЛС -уель ■ оищгнв«цель

Рисунок 1 — Пример размещения РЛС

При расчетах разрешающая способность РЛД составляет: по дальности - 1,5 м, по азимуту (ширина главного луча ДНА) - 10.

На рисунках 2, 3, 4 представлены ФР (вид сверху, изометрическая проекция, сечение по уровню - 3 дБ) для вариантов изотропной ДНА, аддитивного и мультипликативного способа оценки разрешающей способности. Единицы измерения по осям в горизонтальной плоскости представлены в метрах.

10 20 30 *0 Ж И П1 АО 30 100 10 » .ЧМ '40 :»»':.№ ВО ВО ИЙ

а) б)

Рисунок 2 - ФР, вид сверху: а) изотропная ДНА, аддитивная ФР; б) изотропная ДНА,

мультипликативная ФР

а)

О 4

б)

Рисунок 3 - ФР, изометрическая проекция: а) изотропная ДНА, аддитивная ФР; б) изотропная ДНА,

мультипликативная ФР

а) б)

Рисунок 4 - Сечение ФР по уровню - 3 дБ: а) изотропная ДНА, аддитивная ФР; б) изотропная ДНА,

мультипликативная ФР

Разрешающая способность МП РЛК ОЛП по координатам (х; у) в метрах для вариантов изотропной ДНА, аддитивной и мультипликативной ФР составляют (5; 5,5) и (0,25; 1,25) соответственно.

На рисунках 5, 6, 7 представлены ФР (вид сверху, изометрическая проекция, сечение по уровню) для вариантов направленной ДНА, аддитивного и мультипликативного способа оценки разрешающей способности. Единицы измерения по осям в горизонтальной плоскости представлены в метрах.

а)

б)

Рисунок 5 - ФР, вид сверху: а) направленная ДНА, аддитивная ФР; б) направленная ДНА,

мультипликативная ФР

а)

б)

Рисунок 6 - ФР, изометрическая проекция: а) изотропная ДНА, аддитивная ФР; б) направленная ДНА,

мультипликативная ФР

а)

б)

Рисунок 7 - Сечение ФР по уровню -3дб: а) направленная ДНА, аддитивная ФР; б) направленная ДНА,

мультипликативная ФР

Разрешающая способность МП РЛК ОЛП по координатам (x; y) в метрах для вариантов направленной ДНА, аддитивной и мультипликативной ФР составляют (0,75 м; 0,75 м) и (0,25 м; 0,25 м) соответственно.

Анализ ФР и их сечений показывает принципиальную возможность получения «совместной» разрешающей способности МП РЛК ОЛП, превышающей характеристики разрешения одиночного РЛД, за исключением варианта изотропной ДНА и аддитивного способа оценки.

Изложенные подходы к оценке потенциальной разрешающей способности были реализованы в программном комплексе анализа характеристик МП РЛК ОЛП в нескольких вариантах детализации анализа по отношению к летному полю аэродрома:

- разрешающая способность в анализируемой точке летного поля по координатам (x, y);

- разрешающая способность вдоль задаваемой линии сечения летного поля с разделением по координатам x и y, например, вдоль осевой линии взлетно-посадочной полосы (ВПП);

- поверхность разрешающей способности на площади летного поля и ее сечения по различным уровням (линии равной разрешающей способности).

На рисунке 8 представлено рабочее окно программного комплекса оценки разрешающей способности МП РЛК ОЛП в выбранной точке летного поля, на котором показано размещение пяти РЛД и контролируемая площадь маневрирования аэродрома. Выбранная для анализа точка, координаты которой отображаются в рабочем окне, находится на пересечении перпендикулярных прямых. Программа позволяет выбрать способ оценки «совместной» разрешающей способности (add - аддитивная, mult - мультипликативная), а также зафиксировать результаты оценки в виде численных значений по координатам x, y, площади элемента разрешения и его изображения.

На рисунках 9 и 10 представлены рабочие окна оценки разрешающей способности вдоль осевой ВПП по координатам x и y для различных способов оценки (аддитивная и мультипликативная ФР).

Рисунок 8 - Рабочее окно программного комплекса оценки разрешающей способности МП РЛК ОЛП в

выбранной точке летного поля

Рисунок 9 - Оценки разрешающей способности МП РЛК ОЛП (аддитивная ФР) вдоль осевой линии ВПП

(10 точек)

Рисунок 10 - Оценки разрешающей способности МП РЛК ОЛП (мультипликативная ФР) вдоль осевой

линии ВПП (10 точек)

Рисунок 11 - Сечения поверхности разрешающей способности МП РЛК ОЛП на летном поле

Результаты анализа с использованием разработанного программного комплекса позволяют сделать выводы о достижении потенциальной разрешающей способности МП РЛК ОЛП на контролируемой рабочей площади аэродрома менее 1 м в любом направлении, которые зависят от характеристик РЛД и их размещения. Исходными данными для оценки разрешающей способности МП РЛК ОЛП являются оценки разрешающей способности РЛД, входящих в его состав, которые определяются экспериментальным путем.

Список литературы

1. Шумов А.В. Анализ целевых направлений развития технических средств наблюдения глобальной аэронавигационной системы // Радиооптика. МГТУ им. Н.Э. Баумана: электрон. журн. 2015. № 5. С. 16-36. DOI: 10.7463/rdopt.0515.0825966

2. Скосырев В.Н., Кочкин В.А., Шумов А.В., Ананенков А.Е., Слукин Г.П., Нефедов С.И., Федоров И.Б. Пути создания радиооптического комплекса контроля воздушного и наземного пространства для диспетчерских служб региональных аэропортов // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана: электрон. журн. 2015. № 11. С. 301-324. DOI: 10.7463/1115.0825935

3. Черняк В.С. Многопозиционная радиолокация. М.: Радио и связь, 1993. 415 с.

4. Кондратьев В.С., Котов А.Ф., Марков Л.Н. Многопозиционные радиотехнические системы / Под ред. В.В. Цветнова. М.: Радио и связь, 1986. 264 с.

5. Авиационные радиолокационные комплексы и системы: учебник / П.И. Дудник, Г.С. Кондратенков, Б.Г. Татарский, А.Р. Ильчук, А.А. Герасимов; под ред. П.И. Дудника. М.: Изд-во ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2006. 1112 с.

6. Черняк В.С. Многопозиционные радиолокационные системы на основе MIMO РЛС // Успехи современной радиоэлектроники. 2012. № 8. C. 29-47.

7. Скосырев В.Н., Слукин Г.П., Усачев В.А., Ананенков А.Е., Коновальцев А.В., Нуждин В.М., Соколов П.В. Многофункциональный аэродромный радиолокатор по технологии сверхкороткоимпульсной радиолокации // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер.: Приборостроение. 2007. № 4. С. 120 - 122.

8. Ananenkov A.E., Skosyrev V.N., Konoval'tsev A.V., Nuzhdin V.M., Rastorguev V.V. Multi-functional aerodrome control radar by USPR technology // 29th congress of the Intern. Council of the Aeronautical Sciences: ICAS 2014 (St. Petersburg, Russia, September 7-12, 2014): Proc. Vol. 1. Red Hook: Curran Associates Inc., 2014. Pp. 3867-3873.

9. Федоров И.Б., Слукин Г.П., Нефедов С.И., Скосырев В.Н., Ананенков А.Е., Нуждин В.М. Многофункциональная РЛС малой дальности для удалённой диспетчеризации региональных аэропортов // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана: Электрон. журн. 2014. № 12. С. 633-644. DOI: 10.7463/1214.0751276

10. Dotsenko V.V., Nosov D.M., Osipov M.V., Rovkin M.E., Surkov A.S., Khlusov V.A. Close range coverage ship radar with distance high resolution // 20th intern. Crimean conf. «Mi-

crowave & Telecommunication Technology»: CriMiCo 2010 (Sevastopol, Ukraine, Sept. 13-17, 2010): Proc. Vol. 1. N.Y.: IEEE, 2010. Pp. 1253-1254. 11. Доценко В.В., Осипов М.В., Хлусов В.А. Повышение энергетического потенциала РЛС с непрерывным ЛЧМ-сигналом // Докл. Томского гос. ун-та систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР). 2011. №1(23). С. 29 - 33.

Mechanical Engineering & Computer Science

Electronic journal

http://www.technomagelpub.ru

Mechanical Engineering and Computer Science, 2017, no. 12, pp. 32-44.

Received: 03.11.2017

© NP "NEICON"

Analysis of the Potential Space Resolution in

Multi-position Surface Movement Radar System

A.N. Saveliev1'*, A.N. Semenov2, ''aiex_&an6e^maiiju

M.D. Kalnoy1

JSC "Airborne navigation systems", Moscow 2Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia

Keywords: radar sensor; multi-position radar system; surface movement radar

Specialized surface movement radar (SMR) systems for visual observations of the airfield are one of the mandatory systems ensuring the safety of flights and control service of aerodromes. Design of multi-position SMR systems comprising a set of simple and low-cost radar sensors (RS) is a promising trend. A problem to estimate a potential resolution in a multiposition SMR system is relevant.

The paper describes two approaches to estimate the potential resolution using the "joint" ambiguity function, namely additive and multiplicative. Both approaches allow taking into account a type of the radar signal used, an antenna radiation pattern (ARP), and the location of radar sensors on the airfield.

To implement the considered approaches to the resolution estimation, was used a software package to analyse the multi-position SMR system characteristics. For a particular example to locate radar sensors, the calculation results of the ambiguity function are given.

The paper presents an estimated space resolution in the multi-position SMR system in Cartesian coordinate system. Draws conclusions about the possibility for obtaining the multiposition SMR system resolution that exceeds the resolution of a single radar sensor with the exception of the isotropic radiation pattern of radar sensor and the additive estimation method.

The developed software package can be used to analyse and justify the following:

- space resolution requirements to the radar sensor;

- recommendations on the location of the radar sensors;

- resolution of the multi-position SMR system space including a radar sensor with known characteristics.

References

1. Shumov A.V. Analysing the target surveillance technology development trends of the global air navigation system. Radiooptika [Radiooptics], 2015, no. 5, pp. 16-36.

DOI: 10.7463/rdopt.0515.0825966 (in Russian)

2. Skosyrev V.N., Kochkin V.A., Shumov A.V., Ananenkov A.E., Slukin G.P., Nefedov S.I., Fedorov I.B. Ways to create the radio-optical airspace and surface control system for dispatch services of regional airports. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E. Baumana [Science and Education of the Bauman MSTU], 2015, no. 11, pp. 301-324.

DOI: 10.7463/1115.0825935 (in Russian)

3. Cherniak V.S. Mnogopozitsionnaia radiolokatsiia [Multi-position radar]. Moscow: Radio i Sviaz' Publ., 1993. 415 p. (in Russian).

4. Kondrat'ev V.S., Kotov A.F., Markov L.N. Mnogopozitsionnye radiotekhnicheskie sistemy [Multiple radio system] / Ed. by V.V. Zvetnov. Moscow: Radio i Sviaz' Publ., 1986. 264 p. (in Russian).

5. Aviatsionnye radiolokatsionnye kompleksy i sistemy [Airborne radar systems]: a textbook / P.I. Dudnik, G.S. Kondratenkov, B.G. Tatarskij, A.R. Il'chuk, A.A. Gerasimov; ed. by P.I. Dudnik. Moscow: Zhukovsky Air Force Engineering Academy Publ., 2006. 1112 p. (in Russian).

6. Cherniak V.S. Multisite radar systems based on MIMO radars. Uspekhi sovremennoj radioelektroniki [Achievements on Modern Radioelectronics], 2012, no. 8, pp. 29-47 (in Russian).

7. Skosyrev V.N., Slukin G.P., Usachev V.A., Ananenkov A.E., Konoval'tsev A.V., Nuzhdin V.M., Sokolov P.V. Multi-purpose aerodrome radar by technology of super-shop-pulse radiolocation. Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Ser.: Priborostroenie [Herald of the Bauman MSTU. Instrument Engineering], 2007, no. 4, pp. 120-122 (in Russian).

8. Ananenkov A.E., Skosyrev V.N., Konoval'tsev A.V., Nuzhdin V.M., Rastorguev V.V. Multi-functional aerodrome control radar by USPR technology. 29th congress of the Intern. Council of the Aeronautical Sciences: ICAS 2014 (St. Petersburg, Russia, September 7-12, 2014): Proc. Vol. 1. Red Hook: Curran Associates Inc., 2014. Pp. 3867-3873.

9. Fedorov I.|B., Slukin G.P., Nefedov S.I., Skosyrev V.N., Ananenkov A.E., Nuzhdin V.M. Multifunctional short-range radar system for distant regional airport traffic control. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E. Baumana [Science and Education of the Bauman MSTU], 2014, no. 12, pp. 633-644. DOI: 10.7463/1214.0751276 (in Russian)

10. Dotsenko V.V., Nosov D.M., Osipov M.V., Rovkin M.E., Surkov A.S., Khlusov V.A. Close range coverage ship radar with distance high resolution. 20th intern. Crimean conf. «Microwave & Telecommunication Technology»: CriMiCo 2010 (Sevastopol, Ukraine, Sept. 13-17, 2010): Proc. Vol. 1. N.Y.: IEEE, 2010. Pp. 1253-1254.

11. Dotsenko V.V., Osipov M.V., Khlusov V.A. Rising of energetic potential of radar with continuous LFM-signal. Doklady Tomskogo gosudarstvennogo universiteta sistem upravleniia i radioelektroniki (TUSUR) [Proc. of TUSUR], 2011, no. 1(23), pp. 29-33 (in Russian).