Алгоритм вторичной обработки радиолокационной информации

Вторичная обработка первичной РЛИ предопределяет некогерентное пространственно-временное объединение результатов первичной обработки.

Вторичная обработка РЛИ призвана предупредить опасные сближения воздушных судов. Для этого необходимо для ранее наблюдавшихся ВС подтвердить существование их траектории (наличие координат ВС за несколько обзоров), а для вновь обнаруженных ВС «завязать» их траектории. Для этого производятся ряд операций:

- подтверждение наличия в памяти координат ранее обнаруженных целей;

- обнаружение новых целей и определение их координат;

- сглаживание координат;

- автосопровождение ВС;

- прогнозирование (экстраполяция) координат ВС;

- объединение информации от нескольких РЛС.

Существует несколько способов объединения результатов первичной обработки:

- когерентное сложение (накопление) сигналов за несколько циклов обзора;

- некогерентное сложение (накопление) сигналов за несколько циклов обзора;

- процедура объединения единичных решений по правилу «n из », ( - число циклов обзора) состоящая в том, что объединенное решение о наличии цели принимается в том случае, если хотя бы n единичных решений о наличии цели из объединяемых являются положительными, в противном случае выносится решение об отсутствии цели.

Первый способ объединения (когерентное накопление) практического интереса не представляет в силу сложности реализации когерентного накопления на больших интервалах времени, а так же по причине возможного отсутствия столь продолжительной когерентности объединяемых сигналов.

Второй способ объединения (когерентное накопление) много проще в технической реализации, приводит к улучшению характеристик обнаружения как при наличии межобзорной корреляции, так и при её отсутствии.

Одна отметка не позволяет с высокой достоверностью принимать решение о наличии объекта в зоне обнаружения. Кроме того, по ней нельзя определить направление движения объекта и параметры его траектории. Для выяснения этих вопросов необходимо располагать совокупностью отметок, полученных в разные моменты времени за несколько циклов обзора пространства.

Траектория движения объекта описывается векторной функцией, зависящей от ряда факторов: объекта, его маневренные возможности, скорости и т.д. На траекторию влияют и случайные факторы: изменение характеристик среды, ошибки в процессе управления и другие. Поэтому вторичная обработка носит статистический характер (процесс на входе устройства вторичной обработки случайный). Качество обнаружения траектории характеризуется следующими показателями: вероятность обнаружения истинной траектории D; вероятность обнаружения ложной траектории F; среднее время обнаружения траектории ; среднее время обнаружения ложной траектории ; среднее число ложных траекторий в единицу времени .

Процесс вторичной обработки состоит в следующем.

Пусть устройство первичной обработки приняло решение о наличии объекта и измерило его координаты: дальность R и азимут β в некоторый момент времени t. В устройстве вторичной обработки формируется отметка y(R,β,t), которая принимается за начало траектории. Так как РЛС предназначена для наблюдения за объектами определенного класса, то обычно известны максимальная и минимальная скорости их полета. Тогда, если - период наблюдения (обзора) РЛС, то можно выделить область в виде кольца с центром, совпадающим с первой отметкой радиусами

.

 

Рис.10.13.Этапы формирования траекторий:

1. Стробирование.

2. Завязка.

3. Экстраполяция.

4. Подтверждение траектории.

5. Сопровождение.

 

В том кольце может находиться в следующем обзоре. Операция формирования такой области называется стробирование, а сама область – стробом. Если в следующем обзоре в строб попадает отметка, то происходит завязка траектории. При попадании в строб нескольких отметок происходит завязка нескольких траекторий. Если в начальном стробе не оказывается ни одной отметки, то первая считается ложной и стирается из памяти (обработка осуществляется с помощью ЭВМ), если критерии завязки трассы «2 из 2», либо остается в памяти, если критерии завязки «2 из m» m>2.

По двум отметкам можно определить направление и среднюю скорость движения объекта , где - расстояние между 1 и 2 отметками. Зная направление движения и среднюю скорость, можно рассчитать предполагаемое положение отметки в следующем обзоре, т.е. провести экстраполяцию (предсказание). На рисунке экстраполирование отметки обозначены ∆. Вокруг этих отметок образуются стробы, размеры которых определяются погрешностями измерения координат объектов и ошибками расчета положения экстраполированных отметок. При обнаружении траектории маневрирующего объекта размеры стробов рассчитываются с учетом маневра. Размеры стробов непосредственно влияют на показатели качества обнаружения траектории. Его увеличение приводит к увеличению отметок в стробе, в результате чего вероятность F возрастает. Уменьшение строба может привести к непопаданию истинной отметки в строб, при этом снижается вероятность D.

Если в строб попала отметка, то она считается принадлежащей обнаруживаемой траектории. Процесс обнаружения продолжается, и, когда в соответствии с принятым критерием будет вынесено решение о подтверждении траектории, т.е. об окончательном обнаружении, она передается на сопровождение.

Если в строб не попадает ни одной отметки, то траектория продолжается отметка, при этом размеры строба увеличиваются. При невыполнении критерия подтверждения траектория сбрасывается. При попадании в стробы , , ,…нескольких отметок можно либо продолжать траекторию по каждой из них, при этом ложные траектории через несколько обзоров из-за отсутствия подтверждения будут отброшены, либо выбрать в стробе одну отметку, наиболее близкую к обнаруживаемой траектории, а остальные отбросить как ложные.

Два вида критериев обнаружения трасс.

1. Критерий «» траектория считается обнаруженной и передается на сопровождение, если в течение m 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. Два порога: верхний k и нижний l.

2. Критерий «»: принимается решение об обнаружении траектории при появлении k отметок в m смежных обзорах.

Принцип экстраполяции координат по параметрам траектории в общем виде можно пояснить следующим образом. Пусть в момент времени t_n (последний обзор) получены координаты x_n, y_n 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 n+1 обзор значение координат x_n+1, y_n+1.

Расстояние l, которое объект пролетит за время T₀, равно

. (10.6)

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

x_n+1 = x_э = x_n + l ·sin (Q_n+ΔQ_n);

у_n+1 = у_э = у_n + l ·cos (Q_n+ΔQ_n). (10.7)

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

Q_n+1 = Q_э = Q_n + ΔQ_n, (10.8)

а экстраполированное значение скорости

V_n+1 = V_э = V_n + ΔV_n, (10.9)

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 n. Для увеличения точности экстраполяции применяется сглаживание параметров.

Сглаживание параметров траектории проводится 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.

U*_n = U*_n-1 + b_n (y_n – y*_nэ), (10.10)

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

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

y*_nэ – экстраполированное значение координаты;

y_n – текущее значение координаты;

– коэффициент сглаживания скорости.

Сглаженное значение координаты представляет собой линейную комбинацию ее экстраполированного значения и взвешенного с коэффициентом a_n рассогласования между экстраполированным и текущим ее значением.

у*_n = у*_nэ+a_n (y_n – y*_nэ ), (10.11)

где – коэффициент сглаживания координаты.

На рис. 3.5 изображена зависимость коэффициентов a_n и b_n от числа наблюдений n.

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

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

Спорные ситуации возникают 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 х_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,..., m целей решается зависимость

. (10.12)

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

.

Если K > 0, то i-я цель истинная, если K < 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 K нельзя. В этом случае предварительно проводится проверка на состоятельность применения этого критерия путем сравнения его с порогом K₀. При |K| ≥ K₀ 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.