СПЕЦИФИКА КОМПЛЕКСНОГО СОПРОВОЖДЕНИЯ НАЗЕМНЫХ ОБЪЕКТОВ

THE SPECIFICS OF THE INTEGRATED MAINTENANCE OF GROUND FACILITIES

Roman Kolomoets

Postgraduate Student, Belgorod State National Research University,

Russia, Belgorod

АННОТАЦИЯ

Целью работы является исследование методов многоцелевого сопровождения наземных объектов с использованием когерентных и некогерентных радиолокационных станций воздушного базирования, а также раскрыть особенности комплексного сопровождения наземмных объектов. Подчеркивается необходимость адаптации алгоритмов сопровождения к различным факторам, включая задачи, выполняемые летательным аппаратом, используемое вооружение, режимы обзора, класс объекта, радиолокационную заметность, а также наличие внешних факторов мониторинга. Проанализировано сопоставление разных подходов к сопровождению объектов. Оценивается влияние оператора на процесс сопровождения объектов. Описаны ключевые этапы сопровождения наземных объектов, такие как получение первичных измерений, формирование траекторий, идентификация измерений, экстраполяция и фильтрация, а также удаление устаревших траекторий.

ABSTRACT

The aim of the work is to study methods of multi-purpose tracking of ground objects using coherent and incoherent air-based radar stations, as well as to reveal the features of integrated tracking of ground objects. The need to adapt tracking algorithms to various factors is emphasized, including the tasks performed by the aircraft, the weapons used, viewing modes, object class, radar visibility, as well as the presence of external monitoring factors. The comparison of different approaches to object maintenance is analyzed. The influence of the operator on the process of object maintenance is assessed. The key stages of tracking ground objects are described, such as obtaining primary measurements, forming trajectories, identifying measurements, extrapolating and filtering, as well as removing outdated trajectories.

Ключевые слова: наземный объект; сопровождение; траектория; алгоритм; информация.

Keywords: ground object; tracking; trajectory; algorithm; information.

В научно-технической литературе подробно описаны методы многоцелевого сопровождения объектов с использованием радиолокационных комплексов (РЛК) воздушного и наземного базирования. Однако, большинство исследований сосредоточено на алгоритмах, предназначенных для воздушных объектов. При разработке алгоритмов для наземных объектов необходимо учитывать уникальные характеристики формирования их радиолокационных образов и радиолокационного изображения (РЛИ) земной поверхности, что часто не принимается во внимание. Следует отметить, что в [1] указаны характеристики сопровождения бортового радиолокационного комплекса одиночных направленных объектов. Эти характеристики также будут иметь место при организации процедуры многоцелевого сопровождения указанных объектов в той или иной степени.

Целью исследования является разработка и анализ алгоритмов многоцелевого сопровождения наземных объектов (НО) для авиационных радиолокационных систем. Работа учитывает особенности измерения координат и формирования радиолокационного изображения различными типами радиолокаторов, что позволит повысить точность и надежность сопровождения объектов. Многоцелевое сопровождение наземных объектов, рассматриваемое как элемент режима обзора земли бортовой радиолокационной системы (РЛС) воздушного носителя, предназначено для непрерывного формирования оценок координат наземных объектов без переключения радиолокатора на режим прямого измерения положения конкретного объекта.

Как известно, бортовые радиолокационные системы обзора земли осуществляют наблюдение за различными объектами, среди которых выделяются точечные и поверхности, на которых расположены распределенные объекты. В качестве таких объектов могут рассматриваться радиолокационно-выразительные ориентиры — участки местности с характерными признаками, небольшие населённые пункты, города, узлы железных дорог, мосты, а также объекты городской и военной инфраструктуры, стационарные искусственные конструкции и различные виды военной техники. В зависимости от поставленных задач для бортовой РЛС и ее носителя, координаты этих объектов могут быть заранее известны или определяться в процессе выполнения конкретного задания. Например, при навигации воздушных судов заранее известны координаты ориентиров, которые помогают уточнить положение летательного аппарата. Также заранее могут быть установлены координаты стационарных объектов, выбранных для поражения с использованием бортовой РЛС в режиме наводки. В случае оперативного обнаружения объектов требуется измерение их координат прямо в ходе обзора локатора. В целом, многоцелевое сопровождение наземных объектов требует выполнения тех же основных задач, что и при сопровождении воздушных объектов (ВО), а именно:

• Получение исходных данных об объектах.
• Определение и отслеживание траекторий движения объектов.
• Прогнозирование дальнейшего движения объектов.
• Сопоставление полученных данных с существующими траекториями.
• Уточнение прогнозируемых параметров траекторий на основе сопоставленных данных.
• Определение приоритетности объектов.
• Прекращение сопровождения потерянных или неактуальных объектов.

Однако, разработка алгоритмов для многоцелевое сопровождение наземных объектов осложняется следующими факторами:

• Конкретные задачи, стоящие перед носителем РЛС, и доступные типы вооружения.
• Характеристики сканирования земной поверхности бортовой РЛС, а также особенности выделения наземных объектов на фоне местности.
• Наличие или отсутствие цифровой карты местности для помощи в обработке данных.
• Наличие или отсутствие информации о целях, поступающей от вышестоящих систем управления.

Задачи, которые выполняет носитель, влияют на выбор типа бортовой радиолокационной станции и режимов ее функционирования. В зависимости от этих задач РЛС может быть разработана на основе когерентного или некогерентного принципа. Например, если главными являются крупные и стационарные наземные объекты, для их наблюдения можно использовать некогерентный бортовой радиолокатор, работающий в режиме обзора поверхности Земли с помощью реального луча антенны. В то время как для детекции мелких объектов, как неподвижных, так и движущихся, а также объектов средних размеров, требуется когерентный бортовой радиолокатор, оснащенный режимом синтезирования искусственной апертуры антенны (РСА).

Кроме того, вооружение, установленное на носителе, определяет набор координат наблюдаемых объектов, которые необходимо оценивать, точность их представления, используемую систему координат (полярную, прямоугольную, географическую и т.д.) и режимы обзора земной поверхности бортовой РЛС.

Выбор режима работы радиолокатора для наблюдения за земной поверхностью определяется как характеристиками самой РЛС, так и целями, которые стоят перед носителем. Некогерентные РЛС обычно используют три основных режима обзора: круговой, секторный и микроплан. Когерентные РЛС предоставляют более широкий выбор режимов, включая полосовой, секторный, микроплан в режиме реального луча (РЛ), микроплан с доплеровским сужением луча (ДОЛ), микроплан с фокусированной синтезированной апертурой (ФСА) и телескопический обзор. При работе по наземным объектам (НЦ) РЛС обычно функционирует в двух основных режимах: обзора и прицеливания (сопровождения). Режимы обзора, в свою очередь, подразделяются на картографирование в режиме реального луча с различным разрешением: среднем (СР) и высоком (ВР).

Режим высокого разрешения часто называют режимом детального разрешения. В отличие от воздушных объектов, наземные объекты, как правило, не являются точечными. Они могут занимать несколько элементов разрешения, представляя собой распределенные по поверхности объекты. Это затрудняет точное определение их координат и, следовательно, усложняет процесс сопровождения.

Совместное корреляционное сопровождение нескольких площадных или линейных объектов по азимуту значительно усложнено. Одной из особых задач при обследовании поверхности земли является выделение наземных объектов. Они видимы не на фоне свободного пространства, как в случае ВО, а на фоне отражений от подстилающей поверхности, что затрудняет их отделение и, соответственно, измерение координат и дальнейшее сопровождение.

Кроме того, по отношению к фону НО могут проявлять как положительный, так и отрицательный контраст (например, взлётно-посадочные полосы или участки автомобильных дорог), или же вовсе не иметь заметного контраста. Поэтому обычно в процессе первоначальной оценке координат наблюдаемых объектов принимает участие оператор, который накладывает подвижный маркер на изображение объекта для определения точки, от которой будут измеряться координаты объекта.

Важно отметить, что различный подход к обзору поверхности земли в когерентном и некогерентном режимах работы радиолокационной системы также предопределяет различные способы представления радиолокационного изображения (РЛИ) обследуемой поверхности и находящихся на ней объектов. В некогерентном режиме радиолокационное изображение чаще всего отображается в полярной системе координат в виде сектора (рис. 1), тогда как в когерентном режиме обычно предпочтительнее использование прямоугольной системы координат (рис. 2). Это, в свою очередь, делает необходимым применение соответствующих моделей состояния и измерений для разных систем координат.

Рисунок 1. Секторный вариант радиолокационного изображения

Следует обратить внимание на то, что скорость передвижения наземных подвижных объектов незначительна по сравнению со скоростью носителя. Поэтому, при моделировании наземных объектов, обычно вполне достаточно использовать упрощённые модели состояния, чаще всего второго порядка. Исключение составляют только математические модели состояния для морских объектов, которые относятся к более маневренным по сравнению с наземными.

В общем случае состав модели состояния при решении задач управления траекторией полёта определяется необходимостью выполнения задач целеуказания. Учитывая особенности решения этих задач в некогерентном (секторном) режиме, достаточно иметь оценки наклонной дальности, угловых координат и их скорости изменения.

Рисунок 2. Радиолокационное изображение цели в прямоугольной системе координат

Режимы синтезированной апертуры (СА) требуют лишь знания координат объекта и скорости их перемещения, представленных в прямоугольной системе координат. Однако, существенным недостатком является затрудненность повторного сканирования зоны наблюдения, что, в свою очередь, усложняет получение новых измерений. В отличие от фотозамеров, радиолокационное изображение (РЛИ) не отображает высоту объектов. Более того, изображение земной поверхности, полученное в режиме реального луча, является условным, так как размер элемента разрешения по азимуту (рис. 3) изменяется в зависимости от расстояния до объекта.

                                                                                  (1)

где:  — параметры разрешения РЛС по линейной шкале азимута;

 — угловая разрешающая способность РЛС;

Д — дальность до объекта;

 — ширина диаграммы направленности антенны (ДНА) РЛС в горизонтальной плоскости.

При применении когерентного режима с СА отображение исследуемого участка поверхности происходит в прямоугольной системе координат, что значительно улучшает точность его воспроизведения.

Рисунок 3. Связь между линейным разрешением по азимуту и дальностью

Формирование точного радиолокационного изображения наблюдаемой поверхности позволяет применять алгоритмы многоканальной системы навигации и целеуказания не только для отслеживания траекторий объектов, но и для сопровождения их изображений. На РЛИ, полученном с радара, положение объекта однозначно определяется её измеренными координатами. Поскольку при движении платформы-носителя координаты объекта меняются, то меняется и его отображение на РЛИ. Таким образом, анализируя последовательность кадров РЛИ, можно осуществлять покадровое сопровождение объекта. При покадровом сравнении РЛИ возможно не только отслеживание неподвижных объектов, но и выделение движущихся наземных объектов с последующим их сопровождением.

Учитывая вышесказанное, рассмотрим особенности отдельных этапов многоканальной системы навигации и целеуказания.

Первичные измерения площадных и линейных объектов производятся либо по ближайшей точке объекта, либо по его геометрическому или энергетическому центру, который вычисляется путем интегрирования площади объекта по дальности и азимуту. Идентификация измерений обычно выполняется стробовым методом, при этом размеры стробов должны быть больше размеров объекта.

Определение траектории НО обычно осуществляется оператором, который помечает определённые участки объекта метками, обозначающими расстояние и направление. Эта задача может выполняться как с помощью радиолокационного изображения, так и на основе целеуказаний от связанных с радаром оптических систем или более сложных систем, таких как автоматизированные комплексы радиолокационного дальномера (РЛДН).

Экстраполяция и фильтрация полученных данных производятся с применением классических алгоритмов оценки, используя фильтры второго порядка. Процесс становится специфичным, если результаты оценки представлены в прямоугольных координатах, при этом в качестве измерений принимаются расстояния до объектов и их бортовые пеленги. В таких случаях целесообразно использовать методы расширенного фильтра Калмана, либо преобразовать измерения расстояний и пеленгов в искусственные измерения в прямоугольных координатах для последующей линейной фильтрации.

Поскольку наблюдение за наземными объектами происходит на фоне отражений от земной поверхности, метки от объектов могут заглушаться фоновыми отражениями. В результате в процессе многоканального сопровождения некоторые обозначения сопровождаемых объектов могут исчезать на текущий момент, а затем вновь появляться в следующих циклах. Более того, сильные фоновые отражения могут быть ошибочно приняты за наземный объект. Поэтому для предотвращения ложных сбросов траектории объектов в процессе многоканального сопровождения следует предусмотреть систему сопровождения по «памяти». При этом могут быть использованы методы, аналогичные тем, что применяются в процессе многоканального сопровождения визуальных систем [6].

Список литературы:

1. Меркулов В. И., Верба В. С., Ильчук А. Р., Колтышев Е. Е. Автоматическое сопровождение целей в РЛС интегрированных авиационных комплексах. Т. 2. Сопровождение одиночных целей / Под ред. В. С. Вербы. – М.: Радиотехника, 2018. – 348 с.
2. Акиншин Руслан Николаевич, Пыхтункин Алексей Викторович, Румянцев Владимир Львович, Ростовцев Иван Александрович АЛГОРИТМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ И СОПРОВОЖДЕНИЯ ТРАЕКТОРИЙ ВОЗДУШНОЙ ЦЕЛИ ПРИ НЕОДНОЗНАЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ // Известия ТулГУ. Технические науки. 2022. №2.
3. Севостьянов М. А., Разин А. А. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ СОПРОВОЖДЕНИЯ СКОРОСТНЫХ ЦЕЛЕЙ // Вестник Концерна ВКО Алмаз-Антей. 2022. №1 (40).
4. Донсков Юрий Ефимович, Федюнин Павел Александрович, Васильев Валерий Александрович АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ФОРМИРОВАНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕОПРОСТРАНСТВЕННЫХ ДАННЫХ В ИНТЕРЕСАХ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ ВОЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ // Военная мысль. 2022. №3.
5. Колтышев Е. Е., Филиппов Д. Л., Фролов А. Ю., Иванов С. Л. АЛГОРИТМ ВЫСОКОТОЧНОГО АВТОСОПРОВОЖДЕНИЯ НАЗЕМНЫХ ЦЕЛЕЙ В МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ БОРТОВЫХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ // Воздушно-космические силы. Теория и практика. 2020. №16.
6. Донсков Юрий Ефимович, Федюнин Павел Александрович, Васильев Валерий Александрович ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕОПРОСТРАНСТВЕННЫХ ДАННЫХ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ДВИЖУЩЕЙСЯ НАЗЕМНОЙ ЦЕЛИ И ЕЕ ПОРАЖЕНИИ // Военная мысль. 2020. №12.