Радиолокационной информации. Первым этапом вторичной обработки является автоматическое обнару­жение (автозахват) траекторий

Первым этапом вторичной обработки является автоматическое обнару­жение (автозахват) траекторий. Процесс обнаружения новой траектории на­чинается с образования вокруг одиночной отметки, не попадающей ни в один из уже имеющихся стробов, кольцевой зоны первичного захвата (рис. 3.3). Пусть появилась одиночная отметка (1) в некоторой точке зоны обнаружения

РЛС. Эту отметку следует принять за первую (начальную) отметку траектории нового воздушного объекта. В следующем обзоре вто­рую отметку, принадлежащую той же траектории, следует искать в некоторой области, окружающей начальную отметку. Размеры этой области определяются из возможного диапазона скорости полета воздушных су­дов.

Рис. 3.3. Пояснение способа реализации автозахвата траектории цели.

Обозначим: V_MUH - минимальная скорость полета воздушных судов; V_мак -максимальная скорость полета. Тогда область вероятного нахождения отметок в следующем обзоре можно представить в виде кольца, внутренний радиус которого r_мин = V_мин.T₀ , а внешний r_макс = V_макс.. Т_о (Т_о - период обзора РЛС).

В область может попасть не одна, а несколько отметок. Каждую из них сле­дует считать как возможное продолжение предполагаемой траектории. По двум отметкам можно вычислить скорость и направление движения каждой из предполагаемых целей, а затем предсказать (экстраполировать) положение отметки на следующий (третий) обзор. Вокруг экстраполированных отметок (на рис. обозначены треугольниками) образуются области S₂, размеры кото­рых определяются, исходя из возможных ошибок предсказания. Если в какую-либо область S₂ в третьем обзоре попала отметка, то она считается принадлежащей кобнаруживаемой траектории и траектория продолжается. Процесс привязи новых отметок продолжается до тех пор, пока будет выполнен крите­рий обнаружения траектории или критерий сброса необнаруженной траекто­рии. Критериями обнаружения траектории могут быть «т/т» или «l/т». Чис­ло одиночных отметок, которые необходимо хранить по каждой из обнаружи­ваемых траекторий, не превышает т-1 при использовании критерия «т/т» и l-1 — при использовании критерия «l/т». Значения mили l следует выбирать порядка 2-3.

Операции, выполняемые в процессе автозахвата, сводятся к экстраполя­ции координат и стробированию отметок. Относительно этих операций при­нимаются следующие предпосылки.

1. Экстраполяция координат производится в соответствии с гипотезой о рав­номерном и прямолинейном движении воздушного объекта. Это обуслов­лено тем, что при автозахвате нет достаточной информации для выявления маневра воздушного объекта.

2. Зоны связи автозахвата имеют простейшую форму в виде областей, огра­ниченных двумя значениями азимута (границами строба по азимуту) и двумя значениями дальности (границами строба по дальности) в полярной системе координат.

Принцип экстраполяциикоординат по параметрам траектории в общем виде можно пояснить следующим образом. Пусть в момент времени t_n (по­следний обзор) получены координаты х , y_п отметки от воздушного объекта. Кроме того, рассчитаны параметры траектории в этой точке (скорость V_n курс Q_n) и их первые приращения ΔV_n и ΔQ_n. Задача состоит в том, чтобы определить экстраполированное на п+1 обзор значение координат х_п+1, у_п+1

(рис. 3.4).

Расстояние l, которое объект пролетит за время , равно

Рис. 3.4. Пояснение принципа экстраполяции координат по параметрам траектории.

Курс цели изменится за это время на величину ΔQ_n. Откладывая от точки с координатами х_п, у_п отре­зок l под углом Q_n+ΔQ_n получим координаты экстраполированной от­метки х_э = x_n+1, у_э = у_п+1. Координа­ты экстраполированной отметки вычисляются по формулам:

Экстраполированное значение курса в точке x_n+1, y_n+1 равно

,

а экстраполированное значение скорости

Для получения информации о скорости и курсе полета воздушного объ­екта необходимо иметь по крайне мере две отметки, а для вычитания их при­ращений - не менее трех. Ошибки вычисления координат отметки в упреж­денной точке будут определяться ошибками, с которыми определены в этой точке параметры траектории и их приращения, а также ошибками измерения координат в точке п. Для увеличения точности экстраполяции применяется сглаживание параметров.

Сглаживание параметров траекториипроводится с целью более точ­ного прогнозирования координат, а значит и области возможного обнаруже­ния воздушных объектов в очередном обзоре. Операция сглаживания необхо­дима, так как вычисление прогнозируемых координат сопровождается по­грешностями, соизмеримыми с расстояниями, проходимыми воздушными объектами за период обзора. Операция сглаживания координат и скорости проводится на каждом обзоре РЛС. При этом предполагается, что ошибки, обусловленные внешними помехами, флюктуациями интенсивности отражен­ных сигналов, пропусками обнаруженных объектов, маневром воздушного судна независимы и распределены по нормальному закону. Кроме того, в ал­горитмы сглаживания закладывается гипотеза о постоянстве скорости движе­ния воздушного объекта или совершении маневра с постоянным радиусом. Наиболее часто применяют алгоритм скользящего (последовательного) сгла­живания, который основан на том, что новые координаты воздушного объекта определяются по старым таким образом, что все ранее проведенные измере­ния уменьшаются со временем, т.е. большее влияние оказывают новые, ближ­ние по времени данные.

Сглаженное значение скорости представляет собой линейную комбина­цию предыдущего сглаженного значения скорости и текущего отклонения (рассогласования) полученного значения координаты от рассчитанного по предыдущим данным экстраполированного значения координаты.

где U*_n - сглаживание значения скорости в момент п-го наблюдения;

U*_n-1 - сглаживание значения скорости предыдущего обзора;

y*_пэ- экстраполированное значение координаты;

y_п - текущее значение координаты;

-коэффициент сглаживания скорости.

Сглаженное значение координаты представляет собой линейную комбинацию ее экстраполированного значения и взвешенного с коэффициентом а_п рассогласования между экстраполированным и текущим ее значением. y*_п =у*_nэ+а_п (y_п-y*_пэ),

где -коэффициент сглаживания координаты.

На рис. 3.5 изображена зави­симость коэффициентов а_п и β_п от числа наблюдений п.

Из графиков видно, что с увеличением числа наблюдений п коэффициенты сглаживания координаты и скорости асимпто­тически приближаются к нулю. В реальных условиях коэффициен­ты сглаживания а_п и β_п ограни­чены снизу и для установившегося режима автосопровождения должны быть выбраны постоянными.

Рис. 3.5. Зависимость а_n и β_n от числа наблюдений n.

При сопровождении не маневрирующих объектов, коэффициенты а_п и β_п должны быть взяты малыми. При этом хорошо фильтруются случайные ошибки, а динамические ошибки, обусловленные маневром цели, будут выде­ляться почти не сглаженными. С увеличением а_п и β_n ухудшается сглажива­ние случайных ошибок, однако, улучшается сглаживание динамических оши­бок. Следовательно, при сопровождении маневрирующего объекта необходи­мо увеличить коэффициенты сглаживания а_п и β_n .

Одной из основных операций при автоматическом автосопровождении по данным обзорной РЛС является отбор отметок для продолжения каждой из сопровождаемых траекторий. Такая операция называется селекцией траекто­рий и производится на основе сравнения координат и параметров новых отме­ток с экстраполированными координатами и характеристиками сопровождае­мых траекторий. Для упрощения процесса селекции траекторий и сокращения объема вычислений сравнение координат наблюдаемых и экстраполирован­ных отметок производится в стробах.

Стробирование отметок может быть физическим и математическим.

Под физическим стробированием понимается выделение предполагаемой области появления новой отметки, принадлежащей траектории движения, пу­тем непосредственного воздействия на приемное устройство РЛС. Под мате­матическим стробированием понимается формирование предполагаемой об­ласти появления новой отметки в виде некоторой совокупности чисел (границ строба). Форму строба выбирают простейшей, легкореализуемой в аппаратуре физического стробирования или на ЭВМ при математическом стробировании.

При обработке информации в полярной системе координат простейший строб задается двумя значениями дальности r _н.стр. r_к.стр. (границы строба по дальности) и двумя значениями азимута β _н.стр. и β _к.стр. (границы строба по азимуту), либо координатами центра строба r_э, β _эи его размерами относи­тельно центра (Δ r_стр., Δ β_.стр.). Строб в полярной системе координат изображен на рис. 3.6, а. При обработке информации в прямоугольной системе координат (при этом возможно только математическое стробирование) строб задается двумя параметрами чисел, определяющих границы строба (x _н.стр ,x_к.стр. , y _н.стр ,y_к.стр. , ), или координатами центра строба х, у, и его размерами , Δx_стр , Δy_стр относительно центра. Подобный строб изображен на рис. 3.6, б.

а) б)

Рис. 3.6. Виды стробов.

При отборе отметок в полярный строб проверяются неравенства:

Аналогично при отборе отметок в прямоугольный строб проверяются не­равенства:

Все отметки, удовлетворяющие этим неравенствам, могут явиться про­должением траектории. Отбор единственной отметки, которая имеет наи­большую вероятность принадлежности к траектории, производится в процессе селекции отметок в стробе. Процесс экстраполяции, стробирования и обнару­жение отметок в стробе периодически повторяется, и, когда в соответствии с принятым критерием будет принято решение о подтверждении траектории, она передается на сопровождение. Существует два критерия обнаружения тра­ектории:

1. Критерий "k/т - l": траектория считается обнаруженной и передается на сопровождение, если в течение т смежных периодов обзоров появится не менее k отметок; в противном случае, а так же при отсутствии отметок в l смежных обзорах подряд принимается решение о сбросе траектории.

2. Критерий "k/т": принимается решение об обнаружении траектории при по­явлении k отметок в т смежных обзорах.

Размеры строба выбираются из условия обеспечения заданной вероятно­сти попадания в него истинных отметок. Так, если выбрать строб с размерами , где -суммарные среднеквадратичные отклоне­ния истинных отметок от экстраполированных, то вероятность попадания ис­тинных отметок в строб будет равна Р≈0,68 (при нормальном распределении ошибок). При эта вероятность равна 0,92. Для полу­чения вероятности близкой к 1 (например, 0,997) размеры строба должны быть:

в прямоугольной системе координат

в полярной системе координат

Дисперсии суммарных отклонений истинных отметок от экстраполированных в прямоугольной системе координат определяются по формулам:

где - дисперсии ошибок измерения координат;

- дисперсии суммарных ошибок экстраполяции.

Аналогичным образом определяются дисперсии суммарных отклонений отметок от центра строба в полярной системе координат.

При отсутствии маневра цели и периодическом (без пропусков) поступлении обнаруженных отметок строб рассчитывается только на компенсацию случайных ошибок измерения координат и имеет минимальные размеры. При наличии маневра цели необходимо расширять строб на величину динамической ошибки сопровождения. Размеры стробы при этом будут зависеть от ин­тенсивности маневра и способности алгоритма экстраполяции фильтровать динамические ошибки. Оптимальным является перестраиваемый по величине строб в зависимости от интенсивности маневра.

На размеры строба влияют пропуски отметок. При пропуске одной или даже нескольких отметок система сопровождения продолжает экстраполяцию положения по предыдущим значениям координат и скорости. Ошибки экстра­поляции при этом возрастают, и размеры строба должны быть значительно уве­личены.

Таким образом, для селекции траекторий должны формироваться стробы трех размеров:

1. Узкий строб для сопровождения неманеврирующих или слабо маневрирую­щих объектов при отсутствии пропусков отметок.

2. Средний строб для сильно маневрирующих объектов при отсутствии про­пусков отметок.

3. Широкий строб (или набор широких стробов) для сопровождения при нали­чии пропусков отметок.

Размеры стробов непосредственно влияют на показатели качества обнару­жения траектории. Его увеличение приводит к увеличению ложных отметок в стробе, в результате чего вероятность ложной тревоги F возрастает. Уменьше­ние строба может привести к непопаданию истинной отметки в строб, при этом снижается вероятность правильного обнаружения D.

Попадание ложных отметок в строб создает в нем неопределенную ситуа­цию, требующую дальнейшего анализа. При этом возможны два подхода:

1. Иметь несколько отметок в стробе и продолжать траекторию по каждой из них. Продолжения траекторий по ложным отметкам, из-за отсутствия их кор­реляции, через несколько обзоров будут сброшены с сопровождения, а про­должение траектории по истинным отметкам останется.

2. Выбрать в стробе одну отметку, вероятность принадлежности котором к со­провождаемой траектории наибольшая, а остальные отбросить.

После обнаружения траектории она передается на сопровождение. Сопро­вождение траектории состоит в непрерывной привязке к ней полученных в очередных обзорах отметок и определение параметров траектории. Структур­ная схема алгоритма сопровождения траектории имеет следующий вид.

1 – стробирование и селекция отметок; 2 – оценивание парамет­ров траектории; 3 – экстраполяция координат; 4 – вычисление разме­ров стробов; 5 – обнаружение ма­невра, 6 – проверка критерия сбро­са; 7 – траекторные расчеты.

Блок 1 выполняет стробирова­ние и селекцию отметок: выбирается одна из отметок, наиболее близкая к со­провождаемой траектории, остальные отметки сбрасываются, а в условиях возможного возникновения новых траекторий подаются в обнаружитель. Отселектированная отметка поступает в блок 7, где осуществляются траектор­ные расчеты, в частности оцениваются параметры траекторий с учетом всей имеющейся к этому времени информации. Кроме того, данная отметка пере­дается" в блок 2, в котором оцениваются (сглаживаются) параметры траекто­рий по несложным алгоритмам при упрощенных предположениях относи­тельно закона движения объекта. Это необходимо для обеспечения непрерыв­ности сопровождения, при этом не требуется высокая точность оценивания, которая должна обеспечиваться в блоке 7. Блоки 3 и 4 вычисляют экстрапо­лированные значения координат и размеры стробов на очередной обзор.

Если обнаружен маневр объекта (блок 5), то процедуры оценивания пара­метров, экстраполяции координат и вычисления размеров стробов должны быть скорректированы. В частности, должны быть изменены гипотезы о зако­не движения объекта, а соответственно и алгоритмы оценивания и экстрапо­ляции.

При непоступлении новой отметки проверяется критерий сброса траекто­рии (блок 6). Простейший критерий сброса - l пропусков отметок подряд. При выборе значения l необходимо учитывать, что при увеличении l уменьшается вероятность вынесения неправильного решения о сбросе траектории с сопро­вождения, однако при этом возрастает число сопровождаемых ложных траек­торий и их средняя длительность.

Операции, выполняемые при сопровождении траектории аналогичны тем, которые проводятся при обнаружении, однако они точнее, чем на этапе обнаружения. Фактически обнаружение и сопровождение траекторий может быть проведено с помощью общего алгоритма.

Спорные ситуациивозникают в том случае, если в строб попадает не одна, а несколько целей, которые могут быть как истинными, так и ложными. За истинную отметку можно принять ту i-ю цель с координатами x_i, у_i кото­рая по расстоянию ΔR_i ближе к центру строба с характеристиками х_ст, у_ст. Для суждения об этом для всех i = 1, ..., т целей решается зависимость

.

Из нескольких ΔR_i выбирается минимальное значение. При наличии в стробе двух целей, истинную выбирают по знаку решающей функции

Если К > 0, то i-я цель истинная, если К < 0, то цель ложная.

Возможны ситуации, когда R_j, R_j+1 близки по своим значениям и меньше возможных погрешностей измерения. При этом принимать решение по крите­рию знака функции К нельзя. В этом случае предварительно проводится про­верка на состоятельность применения этого критерия путем сравнения его с порогом K₀. При предыдущий критерий можно использовать, в про­тивном случае принимается решение о переносе анализа в следующий цикл работы системы, для чего координаты прогнозируются по старым данным.

При движении воздушных судов по близким и пересекающимся траекто­риям ситуация становится сложной. В существующих системах для того, что­бы не спутать траектории и отметки от различных самолетов, используют два способа.

Первый способ. С помощью радиопеленгатора диспетчер устанавливает связь с каждым воздушным судном. Ответный сигнал экипажа пеленгуется, пеленг высвечивается на экране диспетчера. Если произошло перепутывание траекторий, диспетчер вносит поправку.

Второй способ. По этому способу отождествляются отметки по бортово­му номеру, получаемому в ответном сигнале при использовании вторичных радиолокаторов.