Новый алгоритм оценки координат в разностно-дальномерной системе при наличии переотражений Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.396:969.1

Е.П. Ворошилина, В.И. Тисленко

Новый алгоритм оценки координат в разностно-дальномерной системе при наличии переотражений

Предложен нетрадиционный алгоритм оценки координат неподвижного источника радиоизлучения в разностно-дальномерной системе при наличии переотражений. Работоспособность алгоритма подтверждена на экспериментальных данных.

Введение

ИП 1

Траектории лучей

ИП о

ИП 2 _

На практике часто возникает задача определения параметров движения объектов по локационным измерениям. В пассивной радиолокации широко применяется разностно-даль-номерный метод определения координат источника радиоизлучения (ИРИ). Координаты

определяются по разностям моментов прихода сигнала в разнесённые измерительные пункты (ИП). При узкой диаграмме направленности антенной системы ИРИ возможны пропуски сигналов в одном и более измерительных пунктах. Это приводит к невозможности определения координат цели. Наличие переотражений от местных предметов является причиной ошибок измерений моментов прихода, а следовательно, координат ИРИ (рис. 1).

В работе рассматривается задача синтеза алгоритма оценки координат в разностно-дальномерной системе при наличии переотражений. На вход вычислителя координат поступают измеренные значения разности моментов прихода сигналов в разнесённые ИП.

Рис. 1. Расположение излучателя и измерительных пунктов

Алгоритм оценки координат

Рассматривается задача определения координат неподвижного ИРИ, работающего в режиме кругового сканирования диаграммы направленности антенны. Во время работы ИРИ в ИП могут быть обнаружены как прямой сигнал, так и переотражённые. Вычислитель координат состоит из блоков, представленных на рис. 2.

Наблюдения

Рис. 2. Общая структура алгоритма оценки координат

В блок формирования координат помимо наблюдений (отметки разности моментов прихода) от ИРИ поступают наблюдения от вторичных излучателей — местных предметов. Возникает неопределённость выбора наблюдений, принадлежащих ИРИ — первичному излучателю. Можно использовать одно наблюдение из всех, поступивших на текущем интервале времени (такте), например, с большей мощностью. Такое жёсткое решение часто приводит к ошибкам. Более эффективным является алгоритм вероятностного объединения данных [1]. Он использует все наблюдения, поступившие на текущем такте, для уточнения координат излучателя. Уточнение координат по каждому наблюдению реализуется с помощью рекурсивного алгоритма фильтра Калмана [2]. Итоговая оценка формируется в виде взвешенного

среднего с весами, равными вероятностям принадлежности наблюдения излучателю, как первичному, так и вторичному. Веса зависят от дисперсии оценки разности моментов прихода, а также величины отклонения наблюдения на текущем такте от своего предсказанного значения. Синтез алгоритма вероятностного объединения данных выполнен при следующих предположениях [1]:

- погрешность измерения разности моментов прихода имеет гауссов закон распределения вероятности с известной ковариационной матрицей и нулевым средним;

- распределение наблюдений разности моментов прихода по переотражённым сигналам равномерное;

- количество наблюдений разности моментов прихода по переотражённым сигналам имеет пуассоновский закон распределения;

- необходима априорная информация о координатах излучателя (поступает из блока завязки);

- прямой сигнал сразу во всех ИП фиксируется на каждом такте не более одного раза.

В блоке завязки оценивается количество излучателей (первичного и вторичных) и выполняется грубый расчёт их координат. На практике часто используют критерий завязки, реализующий логическое правило *т из ./V» [3]: неподвижный излучатель подтверждается т из N последовательными наблюдениями. Под подтверждением понимается попадание наблюдения в доверительный строб, размеры которого определяются СКО оценки разности моментов прихода стЛ(. По мере поступления наблюдений в блоке формирования координат уточняются координаты каждого излучателя в режиме реального времени.

В блоке идентификации реализуется алгоритм принятия решения о том, какой из излучателей является первичным. Большое значение для этого алгоритма играет характер трассы. В случае открытых трасс для принятия решения можно придерживаться следующих очевидных физических предположений:

- искажения формы прямого сигнала меньше, чем переотражённого;

- сигнал от ИРИ приходит чаще, чем от каждого вторичного излучателя (переотражателя);

- мощность прямого сигнала больше мощности переотражённого.

Таким образом, алгоритм оценки координат ИРИ в разностно-дальномерной системе при наличии переотражений от местных предметов состоит из следующих этапов, выполняемых в режиме реального времени:

1) обнаружение излучателей и предварительная оценка их координат в блоке завязки;

2) уточнение координат излучателей по мере поступления новых наблюдений в блоке формирования координат;

3) формирование итоговой оценки координат ИРИ с учётом вероятностей, рассчитанных в блоке идентификации. Вероятности определяют достоверность отнесения наблюдений к первичному или вторичному излучателям.

Моделирование работы алгоритма

Проверка алгоритма выполнялась по данным эксперимента, полученным сотрудниками лаборатории РРВ НИИ РТС ТУСУР. В трех измерительных пунктах (см. рис. 1) определялся момент прихода сигнала ИРИ, работающего в режиме кругового обзора. Приземная трасса имела протяжённость 12 км. Измерения разности моментов прихода выполнялись на интервале 120 с (2 оборота антенной системы ИРИ) и показаны на рис. 3. Видно, что гистограмма распределения разницы моментов прихода многомодальна. Это означает, что существуют объекты преимущественного переотражения (какие-то особенности рельефа местности). На этапе завязки они и воспринимаются как дополнительные излучатели.

Моделирование алгоритма оценки координат проводилось в пакете Ма^аЬ. Задавались следующие параметры: АГ—40, т = 34 , =80 не. Излучатель считается обнаруженным, если логическое правило *т из Ы» совместно выполняется по разности моментов времени Д£01 и AÍ2o • После обработки всех наблюдений с выхода блока идентификации поступает информация о координатах всех обнаруженных излучателей и вероятностях того, что излучатель является первичным (Рири).

На рис. 4 изображены результаты моделирования алгоритма. Звёздочками обозначены оценки разности моментов прихода для каждого излучателя, а тёмными пятнами — наблюдения отнесённые к конкретному излучателю.

ДГ01-Ю .с

-ЫЙ-13

••Щ ■

i JB t.7

■ли 1.6 Ж

1.-5

Í

Ж-Г

Л1.

'f W

? ?

,¡> * Истинней

Л

значение Д?„

ЛГ

1Ш

чш

.ООО р

"а*.

6Ш

400

"t

,'200

в л «о

¿4,2 > НС в**-'--' ' < ""

41 80

'X Д2В

t,c

.-.п.......«4 1

,Д.з: га ■ '4 i2 24 , as-*'- А

Aíol-10-s,c

б

6003

sajo ■

5000

Истинное í

«в.

ЛГ

'«О

■зоо

ям.

■юоо

Щ

■

■600 -•яо ■

300

О,-

5 6^-7

в г Д^-ю^с

Рис. 3. Разность моментов прихода между 0 и 1 пунктами с течением времени (Л£01) (а); гистограмма распределений моментов прихода между 0 и 1 пунктами (б); разность моментов прихода между 0 и 2 пунктами с течением времени (Л^о2 ) (в)> гистограмма распределений моментов прихода между 0 и 2 пунктами (г)

AÍ01,HC

AÍ02)HC

-1.5 ■1«

-1,66 -1.7 -175! •1»

-t.8S

Л»

-195 •2о

*10

Изл l№2. ¡i : . ,

'" 'Jl¡Jli■^tfí^ii^MITITiriijjrii iii -i 1-ти - -1 •' ^ri^g^jjíi п^'-1..........тг.......fir........H^'jT"

:,V»f . / Ичл ЛИ

6TGG

ш^ШЯ

■■ ЛЬ

Шг\

IW

Ичл №1

/

iii/iiiiniii¡[<4[i........

Изл №3

Истинное значение М

ssoo ■

5СОО-

4íjUG

Истинное значение

Изл №4

Изл №2-

Изл №3

01.

100 - «В '• «OJO □

t, с

"20

-40

-•60

ю

100 1Л)

С

Рис. 4. Результат работы алгоритма

Поскольку настоящие координаты излучателя известны, то будут приведены не его координаты, а отклонения оценки координат хц,уц от истинного значения. Тогда информация с выхода блока идентификации запишется в виде:

- излучатель № 1: хц ~ хц = 16,83 м, уц - ¿/ц = - 15,7 м, Рири= 0,5877;

- излучатель № 2: £ц -*ц = 85,37 м, уц-уц = - 2472 м, Рири= 0,1006;

- излучатель № 3: хц - хц = 464,06 м, уц - уа = - 383,37 м, Рири= 0,0714;

- излучатель № 4: £ц -хц = 25,57 м, уц - уц = - 372,19 м, Рири= 0,2403.

По максиму вероятности Рири будет сделан правильным выбор, что ИРИ является излучатель № 1 и ошибка места составит ДЯ = - хц)2 ~УЦ)2 = 23 м.

На рис. 5 изображено изменение ошибки места для излучателя М» 1 с течением времени обработки наблюдений.

На рис. 5 видно, что уже через 80 с после начала обработки погрешность определения координат ИРИ уменьшилась в 2 раза и достигла своего установившегося значения.

Условие завязки *т из Ы* влияет на количество обнаруживаемых излучателей. Чем оно жестче, тем меньше будет их количество, вплоть до того, что не будет обнаружен даже первичный излучатель.

Исследовалось также влияние задаваемой СКО оценки разности моментов прихода сД( на точностные характеристики алгоритма. По экспериментальным данным было определено, что сД4 =80 не. Задавая этот параметр в алгоритме в пределах от 20 до 300 не оказалось, что его работоспособность не нарушается. Следует отметить, что результат работы рекурсивного алгоритма зависит от начальных условий. Если в имеющихся экспериментальных данных обработку начать не с нулевого момента времени, а, например, с 50-й секунды сеанса, то по-другому пойдёт процесс завязки, и другие оценки координат излучателей будут переданы из этого блока в блок формирования координат. Поэтому для каждого значения параметра суД( определялась ошибка места на последнем такте работы алгоритма при разном моменте времени сеанса, с которого начиналась обработка. На рис. 6 изображена зависимость ошибки места от задаваемой в алгоритме СКО оценки разности моментов прихода. В каждом разрезе по стдг представлена совокупность ошибок места, которые соответствуют разным начальным моментам времени обработки данных.

6Л,м

¥

■Л + * * ♦

ш* * V * +

-X ■ * 1 •

Д/?,м в §

-'да

ы

шм

.5 | Р ¡и

.18

жШШ г'

Ы ТО»'» <*И0 20С

¡в -Й5

t*^-t *

** * * X * * и

>НС

Рис. 5. Изменение ошибки места с течением времени обработки наблюдений

Рис. 6. Зависимость ошибки места от задаваемой в алгоритме СКО оценки разности моментов прихода

АЛ ,м

Ср '

250; Шг.

НС

Рис. 7. Зависимость среднего квадрата ошибки места от СКО оценки разности моментов прихода

На рис. 7 изображена зависимость средней квадратической ошибки места ИРИ

ЩР = ^(х-хц)2 +(1/~уц? (усреднение выполнено по начальному моменту времени обработки данных) на последнем такте от СКО оценки разности моментов прихода.

На рис. 6 и 7 видно, что с увеличением

оД( увеличивается и среднее значение ошибки места. Таким образом, алгоритм остаётся работоспособным в широком диапазоне погрешности задания стЛг по сравнению с его истинным значением.

Выводы

1. Предложенный субоптимальный алгоритм состоит из трех частей (завязка, уточнение координат, идентификация) и ориентирован на решение задачи определения координат ИРИ в реальном масштабе времени при наличии переотражений.

2. Эффективность алгоритма автосопровождения обеспечивается следующими факторами:

- блок завязки фиксирует наличие любого излучателя (как первичного, так и вторичных) и грубо оценивает его координаты для дальнейшего уточнения в блоке формирования координат, где реализован более сложный алгоритм;

- в блоке формирования координат все отметки, на текущем такте, участвуют с разными весами в образовании итоговой оценки координат (вероятностное объединение данных) каждого излучателя и в этой процедуре реализован оптимальный алгоритм фильтра Кал-мана;

- блок идентификации формирует оценки вероятностей принадлежности излучателя первичному источнику.

3. Проверка алгоритма на экспериментальных данных подтвердила его работоспособность и слабую чувствительность к задаваемым в алгоритме параметров. Среднее значение ошибки места составило 35 м на трассе протяжённостью 12 км.

Литература

1. Kirubaraian Т. Probabilistic data association techniques for target tracking in clutter / Kirubaraian Т., Bar-Shalom Y. - Proc. IEEE. - 2004. - Vol. 92. - № 3. - P. 536-557.

2. Теория оценивания и ее применение в связи и управлении / Э. Сейдж, Дж. Меле ; пер. с англ. ; ред. Б.Р. Левин. - М . : Связь, 1976. - 495 с.

3. Фарина А. Цифровая обработка радиолокационной информации. Сопровождение целей / А. Фарина, Ф. Студер ; пер. с англ. - М. : Радио и связь, 1993. - 319 с.

Ворошилина Елена Павловна

Аспирант каф. радиотехнических систем ТУСУРа

Телефон: (3822) 41 81 92, 8 906 198 51 13

Эл. почта: [email protected]

Тисленко Владимир Ильич

Канд. техн. наук, доцент каф. радиотехнических систем ТУСУРа Телефон: (3822) 41 38 89, 8 913 802 61 41 Эл. почта: [email protected]

Е.Р. Voroshilina, V.I. Tislenko

New algorithm for coordinate estimation in range-difference location when re-reflection signals present

This paper introduce new non-traditional algorithm for coordinate estimation stationary radio-frequency source in range-difference location when re-reflected signals present. Algorithm workability is confirmed by experimental data.