ТРАЕКТОРНОЕ УПРАВЛЕНИЕ НАБЛЮДЕНИЕМ В ПОДВИЖНЫХ ПАССИВНЫХ СИСТЕМАХ ВОЗДУШНОГО БАЗИРОВАНИЯ
В.И. Меркулов, Д.А. Миляков, В.С. Чернов
ОАО «Концерн «Вега»
Аннотация
радиоизлучение радиоэлектронный воздушный базирование
Рассмотрен вариант построения угломерной двухпозиционной распределенной радиоэлектронной системы управления воздушного базирования, для решения ряда практических задач, требующих непрерывного оценивания параметров источников радиоизлучений (ИРИ).
Предложен вариант организации управления приемной позицией информационной поддержки (ПП ИП) при условии минимизации ошибки определения местоположения ИРИ. Разработан алгоритм на основе теории оптимального управления динамическими процессами. Проведен анализ предложенного алгоритма. В работе также использован градиентный метод нелинейного программирования для определения оптимального управления ПП ИП. Проведено математическое моделирование. Представлены результаты его анализа.
Ключевые слова: траекторное управление наблюдением; боевая эффективность, живучесть, информативность; системные показатели БРЛС; тактические показатели РЛС; статистическая теория оптимального управления; первичная, вторичная обработка сигналов.
Abstract
A design of bistatic angle finder of spatially distributed airborne radio electronic control system is studied. The variant is intended for solution of a range of practical tasks which require continuous estimation of characteristics of radio sources. A variant of control of the receiving post of informational support with minimisation of localisation error of radio source is proposed. An algorithm is demonstrated based on statistical theory of optimal control of dynamic processes and its study is conducted. The gradient method of non-linear programming is used for obtaining optimal control of the receiving post of informational support. Results of a simulation are presented.
Keywords: trajectory control of observation, combat effectiveness, survivability, informativeness, system factors of onboard radar, tactical factors of radars, statistical theory of optimal control, secondary signal processing, non-linear programming.
Основная часть
Существует ряд задач народнохозяйственного и военного назначения, охраны государственной границы, проведения антитеррористических мероприятий, обеспечения действий в чрезвычайных ситуациях, требующих для своего решения непрерывного ведения мониторинга работы источников радиоизлучений, в процессе которого выполняются такие операции как поиск, обнаружение, распознавание, отождествление и определение местоположения источников радиоизлучений (ИРИ). Для решения указанных задач могут применяться распределенные угломерные радиоэлектронные системы управления воздушного базирования (РЭСУ ВБ), состоящие из пункта сбора, обработки информации и управления (ПОИУ) на базе воздушного командного пункта и подвижных приемных позиций (ПП), на которых осуществляется прием сигналов от ИРИ. Извлекаемая на каждой ПП из принимаемых сигналов информация транслируется по радиолиниям связи в ПОИУ и на другие ПП. На начальном этапе в ПОИУ производится коллективное распределение целей (задач) между ПП, необходимое для достижения общей групповой цели, и при необходимости разбиение всей совокупности ПП на отдельные группы.
Результаты решения задачи коллективного распределения целей передаются с ПОИУ через многоканальную командную радиолинию управления (КРУ) на ПП, базирующиеся на пилотируемых и беспилотных летательных аппаратах (ЛА). Далее начинается этап самостоятельного функционирования ПП, на котором осуществляется коллективная или стайная стратегия управления ими [1]. Коллективное управление ПП применяется при необходимости точного определения местоположения всех ИРИ в заданном географическом районе. Стратегия стайного управления используется в тех случаях, когда требуется обеспечить встречу назначенных ПП или объектов, запускаемых с ПП, с выбранными ИРИ.
Для формирования сигналов траекторного управления на ПП предварительно вырабатываются оценки относительных и абсолютных координат и параметров движения ИРИ. Особенность процедуры оценивания в рассматриваемых системах состоит в том, что точность оценивания фазовых координат ИРИ в существенной степени зависит от взаимного положения ПП и ИРИ, т.е. от геометрии решения задачи местоопределения цели. Установлено [2], что точность оценивания наиболее высока, если угол пересечения линий положения (пеленгов) ИРИ, измеряемых из двух точек, достаточно близок к прямому, и заметно снижается, если линии положения пересекаются под острым углом. Поэтому для достижения высокой эффективности функционирования распределенных угломерных (РУ) РЭСУ ВБ предпринимают определенные организационные мероприятия, направленные на построение требуемого взаимного положения ПП и ИРИ. Проведение этих мероприятий существенно упрощается при объединении ПП в отдельные пары. При этом на ПП, входящие в состав пары, может быть возложено решение разных задач. В частности, одна из ПП (ведущая) непосредственно решает задачу сближения и встречи с ИРИ, другая ПП -- задачу информационной поддержки. В этом случае ведущая ПП управляется системой наведения по известным алгоритмам [3], которые выбираются в соответствие с поставленными целями сближения. Полет ПП информационной поддержки (ИП) организуется таким образом, чтобы обеспечить требуемое взаимное пространственное положение ИРИ и ПП. В результате образуется угломерная двухпозиционная радиоэлектронная система управления (УДП РЭСУ), которая, по терминологии, принятой в [1], представляет собой гетерогенный кластер. Кластеризация ПП на пары особенно целесообразна при реализации стратегии стайного управления в РУ РЭСУ.
Рассмотрим принцип функционирования РУ РЭСУ, используя для этого упрощенную структурную схему, представленную на рисунке 1. Для простоты на этом рисунке показана одна УДП РЭСУ, в общем случае таких систем может быть множество.
Рис. 1 Структурная схема распределенной угломерной радиоэлектронной системы управления с двумя приемными позициями
В состав УДП РЭСУ входят первая и вторая подвижные ПП. Каждая ПП содержит одинаковый состав оборудования: угломерное устройство, навигационную систему, аппаратуру передачи данных, приемную часть КРУ, вычислительную систему и систему автоматического управления (САУ).
Источник излучения, являющийся для наводимых ПП УДП РЭСУ радиоизлучающей целью, формирует радиосигналы, принимаемые в первой и второй ПП. Источниками радиоизлучения могут быть различные радиоэлектронные средства: бортовые и наземные РЛС, радиосвязные системы и др. Угломерные устройства измеряют бортовые пеленги ИРИ в каждой ПП. Навигационные системы счисляют местоположение ПП в прямоугольной системе координат и оценивают угловые положения ЛА в пространстве. Предпочтительным вариантом для определения координат ЛА является использование спутниковой радионавигационной системы как наиболее точной. Указанные координаты и параметры движения образуют минимально необходимый набор измеряемых величин. Оцененные значения пеленгов ИРИ, прямоугольных координат ПП, а также курсов и углов тангажа с помощью аппаратуры передачи данных передаются с ПП в ПОИУ и на другие ПП. Вместо пеленгов ИРИ, курсов и углов тангажа ПП могут передаваться функционально связанные с ними азимуты и углы места ИРИ. Кроме того, передаются радиотехнические параметры ИРИ, что необходимо для распознавания типов ИРИ и отождествления пеленгов. Результаты оценивания пеленгов ИРИ в двух позициях, прямоугольных координат и угловых положений ПП поступают в вычислительную систему ПОИУ, в которой на начальном этапе происходит отождествление пеленгов и формирование оценок координат ИРИ и параметров их движения. В ПОИУ определяется также тип ИРИ. При отождествление пеленгов и определении типов ИРИ может использоваться информация, поступающая от других ПП.
На основе поступившей информации в ПОИУ производится общая оценка радиоэлектронной обстановки, кластеризация ПП, распределение различных ИРИ по отдельным парам ПП (кластерам). На основе заложенных в вычислительную систему ПОИУ критериев назначения выбираются ведущая ПП и ПП ИП, обеспечивающая наилучшие условия наблюдения ИРИ. Кроме того, выбираются режимы функционирования пеленгаторов.
Следует отметить, что указанная проблема коллективного распределения целей относится к широко известной задаче о назначениях, которая может решаться с использованием как точных, так и приближенных алгоритмов [1]. Данные коллективного целераспределения, относящие к каждой ПП, передаются через многоканальную КРУ. КРУ состоит из передающей части, установленной в ПОИУ, и приемных частей, размещенных на ПП. В последующем ПОИУ осуществляет общий контроль качества и эффективности функционирования РУ РЭСУ ВБ в целом.
На этапе самостоятельной работы УДП РЭСУ приемные позиции обмениваются результатами измерений пеленгов ИРИ и собственных прямоугольных координат, характеризующих местоположение ПП. На их основе в вычислительных системах ПП формируются координаты и параметры движения назначенного с ПОИУ источника радиоизлучения и вырабатываются параметры управления согласно поставленным задачам (ведущая позиция или позиция информационной поддержки) и выбранному способу наведения. Параметры управления, воздействуя на системы автоматического управления, изменяют траектории движения носителей ПП таким образом, чтобы обеспечивалось решение целевой задачи кластера.
Как указывалось выше, высокая точность определения фазовых координат ИРИ может быть достигнута за счет оптимизации траекторного управления ПП ИП, в результате целенаправленного движения которой обеспечивается минимизация ошибок местоопределения ИРИ. Выполним синтез алгоритмов траекторного управления ПП ИП для горизонтальной плоскости наведения. При этом для простоты полагаем, что движение ПП УДП РЭСУ в вертикальной плоскости выполняется на одинаковой для обеих ПП постоянной высоте. Кроме того, рассматривается случай, когда значения углов визирования ИРИ в вертикальной плоскости малы.
Как известно [2, 3], принцип определения координат ИРИ в УДП РЭСУ в горизонтальной плоскости при указанных условиях состоит в следующем (рис. 2). При пеленгации ИРИ, расположенного в точке Ц, из двух точек С1 и С2, отстоящих друг от друга на расстоянии , координаты ИРИ в УДП РЭСУ определяются путем решения треугольника С1ЦС2 по двум углам , и основанию с помощью следующих соотношений [2]:
, (1)
где углы и отсчитываются в точках С1 и С2 относительно направления базы пеленгации.
Рис. 2 Геометрия взаимного расположения приемных позиций и источника радиоизлучения
На рисунке введены следующие обозначения: и -- расстояния от ИРИ (точка Ц) до ПП С1 и С2, оборудованных пеленгаторами; -- бистатический угол (угол пересечения линий визирования); -- база пеленгации (линия, соединяющая ПП); , , -- векторы скоростей ПП и ИРИ; , , , и , -- текущие координаты первой (ведущей) и второй (информационной поддержки) ПП и ИРИ.
Наряду с оцениванием расстояний и в УДП РЭСУ может выполняться оценивание прямоугольных координат , ИРИ [4, 5].
В УДП РЭСУ ошибки измерителей азимутов ИРИ и относительно двух ПП и ошибки измерения собственных прямоугольных координат ПП приводят к погрешностям формирования (расчета) оценок расстояний и и прямоугольных координат и ИРИ. Анализ точности определения местоположения ИРИ при функционировании УДП РЭСУ, проведенный в [2], показал, что ошибки определения местоположения ИРИ зависят от «геометрии» системы местоопределения, т.е. от размеров базы и положения ИРИ относительно базы, от погрешностей измерения пеленгов, прямоугольных координат и курсов ПП.
Точность определения местоположения радиоизлучающих целей на плоскости характеризуется линейной ошибкой. При случайных ошибках пеленгации в случае одинаковых ошибок пеленгаторов для СКО местоопределения имеет место соотношение [2]:
. (2)
Из (2) следует, что ошибка определяется значениями , и и ошибками пеленгации .
На основе анализа выражения (2) могут быть выработаны рекомендации по требуемым параметрам геометрической конфигурации ПП на плоскости, для достижения которых разработаны различные способы траекторного управления ПП [6-13]. Так как ведущая ПП решает задачу сближения с ИРИ, то полет ПП ИП организуется таким образом, чтобы обеспечить требуемое для высокоточного функционирования УДП РЭСУ взаимное геометрическое положение ИРИ и ПП.
Как видно из формулы (2), одним из способов снижения ошибок оценивания местоположения ИРИ является поддержание угла , близким к 90о. Для реализации этого условия разработано несколько способов наведения ЛА в УДП РЭСУ [8-13].
Общим недостатком данных способов наведения является тот факт, что до выхода ПП ИП в точку, лежащую на перпендикуляре к линии «ИРИ - ведущая ПП», или в заданную точку этого перпендикуляра не предъявляется никаких требований к текущим значениям ошибок определения местоположения ИРИ. В то же время процесс наведения ведущей ПП может закончиться еще до момента выхода ПП ИП на указанный перпендикуляр, когда ошибки определения местоположения ИРИ становятся минимальными.
Так как процедура обеспечения одновременного выхода ведущей ПП в точку окончания наведения, а ПП ИП на заданную линию (точку) представляет собой довольно сложную задачу, то управление ПП ИП можно организовать таким образом, чтобы ошибка определения местоположения ИРИ в любой момент времени была минимально возможной. Для выполнения данного условия ПП ИП должна двигаться по специальной траектории, параметры которой определяются алгоритмом, полученным на основе теории оптимального управления (ТОУ) динамическими процессами. В качестве целевой функции при этом может быть выбрана зависимость ошибки (2) определения местоположения ИРИ от погрешностей пеленгаторов и «геометрии» решения задачи местоопределения.
Для вычисления оптимальных траекторий могут использоваться две группы методов:
- косвенные методы, использующие необходимые условия оптимальности;
- прямые методы, определяющие оптимальное управление непосредственным решением оптимизируемого функционала без использования необходимых условий.