Методика оценивания эффективности бортового радиотехнического комплекса дистанционного зондирования Земли

Применение систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) показало, что в условиях сложной фоноцелевой обстановки данные системы должны решать ряд специфических задач, среди которых обнаружение и распознавание типа целей, определение координат обнаруженных объектов и параметров их движения. Одним из вариантов решения подобных задач является комплексирование информационных каналов различной физической природы, что позволяет одновременно повысить помехозащищенность, точность и достоверность получаемых данных [3]. В качестве радиотехнических систем, подлежащих комплексированию, в работе рассматриваются многопозиционная радиотехническая и радиотеплолокационная (РТЛ) системы. Принцип работы таких систем основан на фиксации контраста радиоизлучения объектов, который возникает из-за различных коэффициентов поглощения и отражения материалов. Преимуществом РТЛ систем над инфракрасными (ИК) является всепогодность, т.е. способность получать изображения объектов независимо от погодных условий и времени суток. Так, дождь или туман ведут лишь к небольшой потере контраста радиоизображений, но являются серьезной проблемой для ИК приборов. В таблице 1 представлены эффективные температуры земных покровов и объектов [2].

Таблица 1

Эффективные температуры земных покровов и объектов

Наименование объекта	Т об , К
Здания	230–250
Металлические конструкции	~50
Реки и озера	170–200
Почвы и растительность	260–275
Лесные массивы	270–285

Радиотепловой контраст объекта по отношению к фону ∆ T_k создается за счет разности яркостных температур фона T _ф и объекта T _об, таким образом, радиотепловой контраст металлических объектов на фоне растительности составляет 210–225 К (см. табл. 1).

Чувствительность радиометрического датчика определяется известным выражением

=  αTш.min min ν J вч c

Алимов Н.И., Пономарев А.Л., Шубин Д.А. Методика оценивания эффективности...

где α – коэффициент, определяемый типом радиометра (α = 1…2); T _ш.min – минимальная шумовая температура, достижимая величина порядка 5°С; ν – коэффициент использования ДНА ( ≈ 0,5); [7].

Пороговое обнаружение малоразмерных целей возможно при условии ∆Tk ≥Tmin. Исходя из заданных вероятностей правильного обнаружения PΠΟ и ложной тревоги PΛТ, требуемое соотношение сигнал/шум выходного сигнала по напряжению q определяется выражением

uc q = uш

= A T ^ 2  вч tc k a T  .

ш. min

Для определения возможности обнаружения объектов радиометрическим средством наблюдения была применена модель, рассмотренная в работе [9]. Исследуемым параметром в ней является вероятность правильного обнаружения при заданной вероятности ложной тревоги, определяемая согласно критерию Неймана – Пирсона:

p p 1 + q^{2 2} ПО “ ^Г AT     .

На рисунке 1 представлен график зависимости вероятности правильного обнаружения наземных объектов P _ΠΟ от расстояния до объекта (цели) наблюдения при различных значениях радиотепловой контрастности объектов.

Рис. 1. Зависимость вероятности правильного обнаружения наземных объектов от их дальности при различных значениях радиотеплового контраста

Из анализа графика следует, что дальность действия радиотеплолокатора является недостаточной для современных радиотехнических систем мониторинга при требуемом уровне вероятности обнаружения. Одним из путей повышения показателя вероятности правильного обнаружения является интеграция пассивных систем. В настоящее время большой интерес в области радиолокации получили бистатические радиолокационные системы, использующие сигналы глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) в целях ДЗЗ и др. Данный вид пассивной радиолокации имеет ряд преимуществ

34 в ыпуск 1/2020

перед классической схемой построения наземного бистатического радара. Во-первых, сложность обнаружения за счет пассивного приема; во-вторых, простота конструкции; в-третьих, сигналы спутниковых систем покрывают всю поверхность Земли. В работах [9; 10; 11] рассматривался вопрос приема отраженных радионавигационных сигналов ГНСС ГЛОНАСС.

На рисунке 2 представлен график зависимости вероятности правильного обнаружения P _ΠΟ от расстояния до объекта (цели) наблюдения при приеме отраженных сигналов ГНСС при различных вероятностях ложной тревоги.

Рис. 2. Зависимость вероятности правильного обнаружения наземных объектов от расстояния до них при приеме отраженных сигналов ГНСС

Повышение эффективности бортового радиотехнического комплекса состоит в комплексном объединении всех доступных результатов измерений сигнальной и координатной информации об объектах наблюдения от нескольких датчиков в единый вектор измерений с комплексной многомерной оптимальной обработкой информации.

В случае комплексирования радиометрической системы с радиотехнической, принимающей отраженные сигналы ГЛОНАСС в единый бортовой радиотехнический комплекс (БРТК), повышаются такие частные показатели эффективности функционирования БРТК, как вероятность правильного обнаружения объекта наблюдения и точность определения координат.

• 1 . Интеграционная вероятность правильного обнаружения P по Σ будет определяться выражением

P по Σ = 1 - (1 - P по.РМ )(1 - P по.РТ ). (4)

В результате объединения информации от радиотехнических средств (РТС) (рис. 3), работающих на различных физических принципах, требование современных систем обнаружения по вероятности правильного обнаружения ( Р _по = 0,9) обеспечивается на расстоянии более 2000 м.

Алимов Н.И., Пономарев А.Л., Шубин Д.А. Методика оценивания эффективности...

Рис. 3. Зависимость вероятности правильного обнаружения наземных объектов от расстояния до них при объединении информации от радиотехнических средств

В таблице 2 представлены сравнительные данные о дальности действия средств обнаружения.

Таблица 2

Z s /

1 ^

л

РТ + /

о2  + о2

^ ^zpt      Z pM ^

о2

ZPT

1 ^

о 2 +о 2

^ ^ZPT ^ZPM ^

ˆ

ZРМ о 2

ZPМ

^ZPT ^O Z pm ^{+ Z}PM ^O Z pt о 2   +о 2       ,    ( )

Z PT      Z PМ

Сравнительные данные о дальности действия средств обнаружения

Дальность обнаружения при PПО = 0,9 Средство обнаружения Теплорадиолокационное Радиотехническое (ГНСС ГЛОНАСС) БРТК PΛΜ = 10-3 1530 1600 2200 PΛΜ = 10-4 1420 1500 2000 PΛΜ = 10-5 1350 1400 1900 а дисперсия определения координат объекта наблюдения при разноточных некоррелированных измерениях определяется как

• 2    _  ° zpt ° zpm

  .

  
  
  
  

°E = ^2    ^2° 7 + ° 7

Z PT       Z PМ

Целесообразность комплексирования РТС по точности и по степени подавления по- мехами определяется как

л=^

^a 1

—

^a 2 ,

|

с l^a |j ^X,= 1, X = 0.

Выпуск 1/2020

На рисунке 4 представлена структурная схема оценки координат при объединении данных от РТЛ и РТС наблюдений.

Z_PTt {^(r);^/)}

Рис. 4. Схема оценки координат в БРТК по результатам измерений независимых радиотехнических средств

Результаты моделирования зависимости значения среднеквадратичного отклонения (СКО) ошибки комплексированной системы от времени при комплексировании данных и воздействии помех показаны на рисунке 5. Примером такой помехи может быть использование ложных целей – ловушек, на время действия которых в ряде случаев пеленгатор отслеживает положение энергетического центра ловушки, что приводит к отклонению линии визирования от направления на объект [5; 6]. Воздействие этой помехи приводит к резкому (скачкообразному) изменению сигнала на входе средства измерения, но при правильно выбранном времени формирования оценки дисперсий результирующее влияние на комплексированную систему нивелируется [4; 12].

Рис. 5. СКО измерения координат объекта наблюдения БРТК

Анализ графика позволяет сделать вывод о том, что применение комплексирования дает возможность, помимо увеличения точности отслеживания координаты, повысить помехозащищенность БРТК при воздействии помехи на одно из радиотехнических средств.

Алимов Н.И., Пономарев А.Л., Шубин Д.А. Методика оценивания эффективности...   37

***

Объединение информации о наземной обстановке от источников, функционирующих на различных физических принципах, позволяет добиться значительного увеличения дальности пассивными радиотехническими средствами обнаружения наземных объектов с требуемыми характеристиками – до 2000 м.

Комплексирование датчиков различной физической природы, отслеживающих изменение одного и того же процесса, позволяет уменьшить СКО ошибки оцениваемой координаты в условиях как одинаковой, так и различной точности первичных измерений датчиками. Применение индикаторов неинформативных параметров при комплексиро-вании информации измерителей координаты в бортовой системе наблюдения летательного аппарата позволяет добиться нейтрализации действия помехи по одному из информационных каналов и минимизации ее воздействия на систему наблюдения.

В результате комплексирования разнородных средств измерения в БРТК были повышены следующие характеристики обнаружения:

• 1)    на 20% вероятность обнаружения на дальности до 2000 м (с 0,75 до 0,95);

• 2)    на 42% точность определения координат (с 20 до 14 м).