CC BY
42
УДК 621.396.96
КОМПЛЕКСИРОВАНИЕ КАНАЛОВ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОЙ БОРТОВОЙ ЛОКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ С ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ
Мария Владимировна Орлова
АО «Научно-исследовательский институт электронных приборов», 630005, Россия, г. Новосибирск, ул. Писарева, 53, кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник, тел. (383)216-05-68; Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск пр. К. Маркса, 20, доцент кафедры АИУС, тел. (383)216-05-68, e-mail: [email protected]
Валерий Григорьевич Эдвабник
АО «Научно-исследовательский институт электронных приборов», 630005, Россия, г. Новосибирск, ул. Писарева, 53, заместитель генерального директора по развитию, чл.-корр. РАРАН, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)216-05-63, e-mail: [email protected]; Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, профессор кафедры АИУС, тел. (383)346-26-23
Олег Валерьевич Санков
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, старший преподаватель кафедры АИУС, тел. (383)346-26-23, e-mail: [email protected]
Владимир Николаевич Легкий
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, доктор технических наук, доцент, зав. кафедрой автономных информационных и управляющих систем, тел. (383)346-26-23, e-mail: [email protected]
Системы ближней локации работают в условиях воздействия различных помех, поэтому актуально комплексирование информационных каналов с различными физическим принципами действия. Разработана методика оценки характеристик комплексированной системы и выбора характеристик радиолокационного канала, оптического дальномера и магнито -метрического канала (феррозондовый датчик), позволяющая оценить выигрыш в достоверности обнаружения объекта.
Ключевые слова: комплексированная бортовая система, ближняя локация, радиоканал, оптоэлектронный дальномер, магнитный датчик, помехоустойчивость, алгоритмы обнаружения, характеристики обнаружения.
ON-BOARD ANTIJAMMING LOCATION SYSTEM CHANNELS COMPLEXING WITH DIGITAL PROCESSING
Maria V. Orlova
Joint-Stock Company «Scientific Research Institute on Electronic Devices», 630005, Russia, Novosibirsk, 53 Pisareva St., Ph. D., Associate Professor, Senior Researcher, tel. (383)216-05-68; Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 K. Marksa Prospekt, Associate Professor at the Department of AICS, tel. (383)216-05-68
Valery G. Edvabnik
Joint-Stock Company «Scientific Research Institute on Electronic Devices», 630005, Russia, Novosibirsk, 53 Pisareva St., Deputy General Director for development, Corresponding member of Russian Academy of Missile and Ammunition Sciences, Ph. D., Senior Researcher, tel. (383)216-05-63,
e-mail: [email protected]; Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 K. Marksa Prospekt, Professor at the Department of AICS, tel. (383)346-26-23
Oleg V Sankov
Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 K. Marksa Prospekt, Senior Lecturer of the Department of AICS, tel. (383)346-26-23, e-mail: [email protected]
Vladimir N. Legkiy
Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 K. Marksa Prospekt, D. Sc., associate Professor, Head of the Department Autonomous Information and Control Systems, tel. (383)346-26-23, e-mail: [email protected]
Short-range location systems operate in various jamming conditions, so the diverse operating mode information channels complexing is an important problem. The complexing system performance evaluation procedure and radar channel, optical rangefinder channel and magnetic measurement (ferroprobe sensor) channel performance optimization procedure are proposed. These procedures applying is able to estimate detection probability gain.
Key words: short-range location, on-board system, complexing, antijamming capability, optoelectronic rangefinder, magnetic sensor, detection algorithms, detection capabilities.
Одной из актуальных задач при разработке локационных систем является повышение характеристик обнаружения при воздействии различного вида помех. Применение комплексирования, то есть, совместной обработки информации, поступающей с нескольких каналов, позволяет повысить помехоустойчивость и надежность системы.
Совместная обработка аналоговых реализаций дает большой выигрыш в помехоустойчивости только в том случае, когда помехи, поступающие с выходов приемников различных каналов, коррелированы между собой [1, 2]. Если реализации помехи с выходов каналов между собой не коррелированны, например, в том случае, когда в каналах используются различные физические принципы действия, обработку принятых реализаций целесообразно проводить в каждом канале отдельно, а результаты подавать на блок комплексирования для дальнейшей обработки. Это может быть использовано также в том случае, когда в качестве информационных каналов комплексированной системы используются уже разработанные автономные локаторы. При этом в каждом канале принимается предварительное решение об обнаружении объекта, и в результате совместной обработки решений принимается окончательное решение об обнаружении. Могут использоваться датчики различного принципа действия (радиолокационный, оптический, магнитный). Например, разработанные на кафедре АИУС НГТУ наносе-кундный лазерный измеритель расстояния [3,6,7,8], рис. 1, и феррозондовый двухкоординатный датчик металлосодержащих целей [5], рис. 2, способны решать задачи обнаружения объекта и измерения расстояния до не го на фоне подстилающей поверхности.
Рис. 1. Экспериментальный образец лазерного дальномера - высотомера (диапазон 1-32 м, погрешность 10 %) с длительностью излучаемого импульса 2 нс, период измерения менее 50 мкс, габаритные размеры 25 х 50 х 50 мм
Рис. 2. а) феррозондовый двухкоординатный датчик металлосодержащих объектов, б) диаграммы направленности, позволяющие фиксировать момент пролета: 1 - сердечник датчика, 2 - измерительная катушка, 3, 4 - диаграммы направленности в продольной и поперечной плоскостях, 5 - датчик высотой
5 мм при длине 10 мм
Важное перспективное направление - создание многофункциональных устройств управления (МФУУ), работающих в радиочастотном и оптическом диапазонах, позволяет создать эффективные комплексы. МФУУ включает в себя систему датчиков для обнаружения объектов, информационный канал (автономный или спутниковый), цифровую процессорную платформу, элементы управления действием компонентов носителя. Датчики (каналы получения данных) могут быть однотипными или разными по физическому.
Комплексированные системы обнаружения объектов применяются в сложной помеховой обстановке. При разработке алгоритмов обнаружения используют параметры сигналов от заданных объектов, а также характеристики помех, воздействующих на каналы МФУУ [1].
При обнаружении объекта n-й канал выдает напряжение Un = 1, а при необнаружении - Un = 0. Кроме того, каждый канал с определенной достоверностью фиксирует тип помехи. При фиксации воздействия на n-й канал помехи типа «k» этот канал вырабатывает напряжение Vnk = 1, иначе - Vnk = 0. Таким образом, обрабатываемая информация представляет собой вектор бинарных сигналов.
Алгоритм принятия решения об обнаружении может быть получен при использовании интегрального критерия идеального наблюдателя [4]. Под интегральным критерием идеального наблюдателя понимается условие минимума результирующей суммарной вероятности ошибки Rm за весь интервал времени Т, в течение которого ожидается появление полезного сигнала от объекта.
NT
Кни = ^ p 1 (i ) p о ш (i )= min
1 , (1)
NT = T/K T
где ' ш - количество интервалов ДТ, равных длительности сигнала отраженного от объекта, Т - общая длительность интервала обнаружения, в течение которого ожидается полезный сигнал; pош(i) - результирующая суммарная вероятность ошибки, которая определяется через вероятность ложной тревоги до i-го интервала и вероятность пропуска на i-м интервале; pi(i) - вероятность появления сигнала на i-м интервале.
Для симметричного закона распределения вероятностей появления сигнала на интервалах ДТ относительно среднего интервала и при неизменяющихся параметрах системы в течение времени возможного появления сигнала от обнаруживаемого объекта алгоритм обнаружения может быть записан в виде [1]
M M
^ bmWn + , (V , U / m )>(мср - 1 bmWn (V , U / m )
m= 1 m= 1 (2)
где М - возможное число помеховых ситуаций; bm - априорная вероятность m-й помеховой ситуации; Wn+s(V,U/m), Wn(V,U/m) - условные вероятности принятия реализации Y(V,U) при воздействии помехи совместно с сигналом и одной помехи соответственно; Иср - средний интервал появления сигнала.
В том случае, когда реализации V и U на выходах, фиксирующих воздействие полезного сигнала и тип помех, независимы, алгоритм имеет вид
MM ^ bmwhmsgm > (n ср - 1 bmwhmfgm
m=1 m=1 , (3)
где whm - вероятность принятия реализации h вектора V на выходах, фиксирующих воздействие помехи определенного типа, при m-й помеховой ситуации; sgm - вероятность принятия реализации g вектора U на выходах, фиксирующих воздействие полезного сигнала, при воздействии сигнала совместно с помехой при m-й помеховой ситуации; pgm - вероятность принятия реализации g при воздействии одной помехи при m-й помеховой ситуации.
Вероятности sgm и р§т определяются вероятностями правильного обнаружения и ложной тревоги для каждого канала для каждой из М помеховых ситуаций. Вероятности whm определяются вероятностями правильной селекции помехи каналами. Эти вероятности могут быть определены для каждого канала по результатам испытаний и моделирования работы каналов.
В соответствии с алгоритмом (3), на каждом интервале обнаружения принимается решение о принадлежности входной реализации к классу «сигнал плюс помеха» или к классу «помеха».
Разработанная программа оценки комплексированной системы позволяет исследовать характеристики обнаружения системы при различных вероятностях по-меховых ситуаций и характеристиках каналов. Для оценки выигрыша за счет ком-плексирования сравниваются характеристики обнаружения двухканальной системы и отдельных каналов при воздействии помех двух типов. Например, на рис. 3 приведены зависимости вероятности обнаружения системы и отдельных каналов от вероятности ложной тревоги для первого канала, при условии воздействии помехи типа «А». На рис. 4 - зависимости от коэффициента Nр в формуле (3), который определяет порог обнаружения. Как видно из графиков, отдельные каналы имеют невысокую вероятность обнаружения, в то время как двухканальная система обеспечивает гораздо более высокие характеристики обнаружения.
0.7
0.6
Wг
(
W2г
0.2
0.1
w1la
WWг
WW1г
WW2г
1
0.95 0.9 0.85 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0
10
V.
Л >
100
1 10
№
1 10
1 10
Рис. 3. Зависимости вероятности Рис. 4. Зависимости вероятности
обнаружения от вероятности ложной обнаружения двухканальной системы, тревоги первого канала при воздействии 1-го и 2-го каналов от порогового помехи типа «А» коэффициента Кср
0.9
0.8
0.4
0.3
0
6
4
1x10
1x10
1x10
1x10
Максимальный выигрыш за счет применения комплексирования достигается в том случае, когда каналы системы дополняют друг друга по помехоустойчивости. В зависимости от задачи, возможно рассмотрение помеховых ситуаций по отдельности для определения оптимальных характеристик каналов и исследования возможности корректировки алгоритма в процессе работы адаптивной системы. Полученные результаты могут применяться при разработке комплек-сированных систем для выбора параметров отдельных каналов и системы в целом, обеспечивающих максимальную эффективность действия МФУУ и комплекса в целом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Орлова М.В. Обработка сигналов в комплектированных системах ближней локации: учеб. пособие. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007. - 76 с.
2. Орлова М.В. Адаптивная компенсация помех в комплексированных системах ближней локации // Интерэкспо Гео-Сибирь - 2015. Сборник материалов международной научной конференции «СибОптика - 2015». - Новосибирск.: СГГА, 2015. - т. 5. № 3. С. 197 - 201.
3. Легкий В.Н., Помехоустойчивость импульсных оптоэлектронных дальномерных систем, "Безопасность информационных технологий", МИФИ, 2002.-С.94-97.
4. Орлова М.В. Оптимизация обработки сигналов в комплексированных системах ближней локации одноразового действия // Труды вузов России. Радиоэлектроника. Санкт -Петербург. Выпуск 4, 2004. - С. 46 - 53.
5. Санков О.В., Легкий В.Н. Исследование феррозондовых датчиков магнитных объектов для систем ближней локации // Вестник МГТУ имени Н.Э. Баумана. - Москва, МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2(75) 2009. - Сер. Машиностроение №2. - С. 90-102.
6. В.Н.Легкий, Б.В.Галун, С.А.Литвиненко, О.В.Санков, Шумейко В.А., И.Ю.Баласов, А.О.Башмаков. Принципы построения помехоустойчивых миниатюрных лазерных импульсных дальномеров, высотомеров и датчиков для бортовых и транспортных систем // Оптический журнал. - Санкт-Петербург. Выпуск 78, №5, 2011.- С.64-69.
7. Легкий В.Н., Галун Б.В., Санков О.В. Оптоэлектронные элементы и устройства систем специального назначения. - Новосибирск: Издательство НГТУ, 2011.-455 с.
8. Принципы построения помехоустойчивых миниатюрных лазерных импульсных дальномеров, высотомеров и датчиков для бортовых и транспортных систем / В.Н.Легкий, Б.В.Галун, С.А.Литвиненко, О.В.Санков, В.А.Шумейко, И.Ю.Баласов, А.О.Башмаков // Оптический журнал. -2011.-Т. 78, №5.- С.64-69.
© М. В. Орлова, В. Г. Эдвабник, О. В. Санков, В. Н. Легкий, 2017
