Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ , 1
1 СОВРЕМЕННАЯ РЛС ОБНАРУЖЕНИЯ И СОПРОВОЖДЕНИЯ КАК ОБЪЕКТ
ПОМЕХОВОГО ПОДАВЛЕНИЯ 18
1.1 Общая характеристика и принципы функционирования РЛС ! 8
/. /. 1 Общая характеристика современных РЛС обнарулсекия и сопровождения ВЦ... 18
Поиск ВЦ в зоне целеуказания 21
Обнаружение траектории ВЦ. 24
Автоматическое сопровождение ВЦ. 26
Этап обслуживания ВЦ. 30
Распределение временного ресурса в РЛС обнаружения и сопровождения ВЦ 31
1.2 Принципы построения и характеристики современных РЛС обнаружения и
СОПРОВОЖДЕНИЯ ВЦ 32
1.3 Средства ломехозащиты, применяемые в современных РЛС обнаружения и
сопровождения ВЦ 36
1.4 Способы помехового подавления РЛС обнаружения и сопровождения 38
Основные виды помех, применяемые для подавления РЛС обнаружения и сопровождения ЗН
Помехи, создаваемые РЛС на этапе поиска 39
Помехи, создаваемые РЛС на этапе обнаружения траектории ВЦ 41
1.4.4. Помехи, создаваемые РЛС на этапе сопровождения ВЦ 42
) .5 Выводы к главе 1 47
2 МЕТОДИЧЕСКИЙ АППАРАТ АНАЛИЗА НАДЕЖНОСТИ
ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ РЛС НА НАЧАЛЬНОМ ЭТАПЕ В УСЛОВИЯХ ДЕЙСТВИЯ
ПРЕДНАМЕРЕННЫХ ПОМЕХ 49
Постановка задачи, показатели надежности 49
Общая характеристика математической модели конфликтного взаимодействия РЛС и средств помехозащиты ЛА 52
Определение вероятностных показателей помехоустойчивости 58
Определение временных показателей 72
2.5-Учет влияния шумовых и имитирующих помех на характеристики
функционирования РЛС 74
2.5.1 Оценка качества подавления РЛС с помощью шумовых помех 74
2,5.2 Оценка качества подавления РЛС с помощью имитирующих помех 79
Расчет пространственных показателей 87
Выводы к главе 2 89
3 АНАЛИТИЧЕСКИЕ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ РЛС НА НАЧАЛЬНОМ ЭТАПЕ В УСЛОВИЯХ ДЕЙСТВИЯ ПРЕДНАМЕРЕННЫХ ПОМЕХ.. 91
Вводные замечания 91
Оценка возможностей срыва поиска защищаемого ЛА 92
3.2. J Сущность поиска и срыва поиска 92
3.2.2 Оценка возможностей срыва поиска с помощью шумовых помех 94
3.3 Оценка возможностей срыва обнаружения траектории ДА 100
Сущность обнаружения траектории Л А и срыва обнаружения 100
Оценка возможностей срыва обнаружения траектории защищаемого ЛА с помощью шумовых помех 101
Оценка возможностей срыва обнаружения траектории защищаемого Л А с помощью имитирующих помех 106
Оценка возможностей срыва обнаружения траектории защищаемого Л А с помощью комбинированных имитационно-шумовых помех 115
3.4 Оценка возможностей срыва слежения за ВЦ 123
3.4Л Сущность срыва сопровождения ВЦ 123
3.4.2 Оценка возможностей срыва слежения с помощью шумовых помех 124
3-4.3 Оценка возможностей срыва слежения с помощью имитирующих и
комбинированных имитационно-шумовых помех 129
3.5 Оценка возможностей предотвращения передачи защищаемого ЛА на
обслуживание исполнительной подсистеме СВУ 132
Условия предотвращения передачи ЛА на обслуживания ИПС. 132
Оценка возможностей срыва передачи ЛА на обслуживание с помощью 11111.... 136
Оценка возможностей срыва передачи Л А па обслужива}ше с помощью ИИ и КИШП. 142
3.6 Выводы к главе 3 146
4. АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ РЛС НА НАЧАЛЬНОМ
ЭТАПЕ МЕТОДОМ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ 148
4.1 Краткое описание компьютерной модели 148
Общая характеристика модели 148
Структура компьютерной имитационной модели ISO
4.!.3 Алгоритм работы модели 154
4.2 Модельный эксперимент 157
Исходные данные для моделирования 157
Результаты моделирования 160
4.3 Выводы к главе 4 163
5. ПРИНЦИПЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ПОМЕХОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА
РЛС В РЕЖИМЕ САМОЗАЩИТЫ ЛА 166
Вводные замечания 166
ответно-упреждающая помеха с прогнозированием момента начала облучения защищаемого ла сигналом очередного зондирования 168
Общая характеристика помехи 168
Определение временной структуры ОУП при известном временном графике зондирования строки обзора подавляемой РЛС 173
Определение временной структуры ОУП при известной сетке межзондовых интервалов подавляемой РЛС 176
5.3 Ответно - упреждающая помеха с прогнозированием момента начала облучения
ЛА очередным зондирующим импульсом РЛС 179
Общая характеристика помехи 179
Определение временной структуры поимпулъсной ОУП при известной сетке межимпульсных интервалов излучения подавляемой РЛС 181
5.4, Возможные варианты ответно-упреждающей помехи 185
Ответно -упреждающая помеха типа «шум» 1Н5
Ответно -упреждающая помеха типа «Ложные отметки» 188
Ответно -упреждающая помеха комбинированного типа 190
Особенности создания ОУП в условиях применения мер помехозащиты 191
Возможности аппаратной реализации ответно - упреждающей помехи 192
Выводы к главе 5 195
ЗАКЛЮЧЕНИЕ „ 196
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 198
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
ВЦ - воздушная цель;
СКВП - система контроля воздушного пространства;
СВУ - система высокого уровня;
ИПС - исполнительная подсистема;
ЗС - зондирующий сигнал;
ФАР - фазированная антенная решетка;
ДНА (ДН) — диаграмма направленности антенны;
ЛА — летательный аппарат;
РЛ - радиолокационный;
ПАП - постановщик активной помехи;
ОУП - ответно-упреждающая помеха;
ЦУ — целеуказание;
СРЦ - станция разведки и целеуказания;
АСПО - автоматическое сопровождение цели в процессе обзора;
АСОЦ- автоматическое сопровождение одиночной цели;
СНП — сопровождение на проходе;
ГЛ ДН - главный лепесток диаграммы направленности;
ЕРО — единичная радиолокационная отметка;
УР — управляемая ракета;
ВЧПИ - высокая частота повторение импульсов;
СЧПИ - средняя частота повторение импульсов;
НЧПИ - низкая частота повторение импульсов;
КНИ - квазинепрерывное излучение;
ЛЧМ - линейно-частотная модуляция;
ФКМ — фазокодовая манипуляция;
ВС — вычислительная система;
ВЧ - высокочастотный;
АСН — автоматическое сопровождение по направлению;
ПЧ - преобразование частоты;
УПЧ - усилитель промежуточной частоты;
АРУ - автоматическая регулировка усиления;
АСД - автоматическое сопровождение по дальности;
АСС - автоматическое сопровождение по скорости;
АПО - анализатор помеховой обстановки;
ЦОС — цифровая обработка сигналов;
РТР - радиотехническая разведка;
ШП - шумовая помеха;
ИП - имитирующая помеха;
ФП — факт присутствия;
КИШП - комбинированная имитирую щее-шумовая помеха;
ШПНП - шумовая помеха, накрывающая пачку импульсов;
ШПНИ - шумовая помеха, накрывающая импульс;
ЛО - ложная отметка;
МОП — многократная ответная помеха;
ГДЧ — гребенка доплеровских частот;
ДШ - доплеровский шум;
ВЧШ — высокочастотный шум;
ДМС — динамическая модель состояний;
МН - модель наблюдений;
СШ - собственный шум;
ЭПР - эффективная площадь рассеяния;
ПШП- постановщик шумовой помехи;
ПИП — постановщик имитирующей помехи;
СМО — система массового обслуживания;
ФП - факт присутствия;
РОЗ — распределение отметок в зоне;
РП - разведывательный приемник;
САП - станция активных помех;
ЦЗВС - цифровое запоминание и воспроизведение сигналов;
ЭМР — электромагнитная развязка;
СМЗИ - сетка межзондовых интервалов;
СМИ - сетка межимульсных интервалов.
Введение к работе
Актуальность работы.
Бурное развитие авиации, наземных средств обеспечения полетов и систем противовоздушной обороны (ПВО) предъявляет все более высокие требования к объему, качеству и своевременности их информационного обеспечения, наиболее важную роль в котором играют радиолокационные станции (РЛС) различного назначения, в частности, РЛС обнаружения и сопровождения воздушных целей (ВЦ).
Современные РЛС обнаружения и сопровождения являются важным элементом систем контроля воздушного пространства (СКВП), типичными представителями которых являются системы управления воздушным движением и системы ПВО. Данные системы относительно рассматриваемой РЛС является системами более высокого уровня (СВУ). На рисунке вЛ представлена обобщенная структурная схема СКВП, которая состоит из информационной, исполнительной (ИПС) и управляющей подсистем. Основу информационной подсистемы СКВП составляют РЛС обнаружения и сопровождения ВЦ. Они позволяют эффективно решать задачи поиска и обнаружения летательных аппаратов (ЛА) в зоне наблюдения, сопровождения ЛА, подготовки данных для передачи ЛА на дальнейшее обслуживание ИПС СВУ. Большие информационные возможности современных РЛС предопределяются их высоким техническим уровнем: применением разнообразных видов и параметров зондирующих сигналов (ЗС), возможностью реализации различных режимов работы, использованием моноимпульсных способов пеленгования, высокими уровнями энергетических потенциалов, применением фазированных антенных решеток (ФАР) и т.д. [2, 55,65]. .
Функции, выполняемые ИПС, определяются общим назначением СКВП, например, в качестве ИПС может выступать диспетчерская система управления воздушным движением, система опознавания ВЦ или система наведения оружия.
Рисунок вЛ - Состав СКВП
Функционирование РЛС обнаружения и сопровождения ВЦ (особенно РЛС, входящих в системы ПВО), обычно осуществляется в условиях действия различных помех, в том числе преднамеренных, создаваемых средствами радиоэлектронной борьбы (РЭБ). В связи с этим как при разработке, так и при целевом применении РЛС уделяется пристальное внимание обеспечению защиты от преднамеренных помех, которые могут быть маскирующими, дезинформирующими или комбинированными и действовать как по основному, так и по боковым лепесткам диаграммы направленности антенны (ДНА) РЛС [3-7, 19, 25, 79, 80].
Вопросы, связанные с помехозащитой РЛС, рассматриваются в современной радиолокации как одни из наиболее актуальных и перспективных [27, 40, 51, 55]. При решении задач помехозащиты РЛС важное значение имеют вопросы анализа надежности функционирования РЛС в условиях действия различных помех. Результаты оценки помехоустойчивости могут использоваться как база для определения опасных видов помех, их параметров, а также способов и приемов создания. С другой стороны, результаты этих исследований необходимы при разработке мер помехозащиты РЛС. Таким образом, вопросы анализа помехоустойчивости РЛС имеют ключевое значение с точки зрения разработки как мер помехозащиты, так и мер помехового подавления РЛС.
Данная диссертационная работа посвящена вопросам анализа конфликтного взаимодействия РЛС и средств помехового подавления - постановщиков активных помех, решающих задачу самозащиты летательного аппарата (ЛА), находящегося в зоне ответственности рассматриваемой РЛС.
Объекты рассматриваемого радиолокационного (РЛ) конфликта - современные сложные радиотехнические системы, обладающие широким спектром различных способов и приемов, направленных на решение стоящих перед ними задач и возможностью адаптации к изменяющимся условиям функционирования. Так, в современных РЛС обнаружения и сопровождения для решения целевых задач используются различные типы сигналов: ЛЧМ, ФКМ, КНИ и др., реализуются возможности управления уровнем мощности. В РЛС применяются различные меры помехозащиты: адаптивное управление параметрами сигналов (периодом следования импульсов, несущей частотой и тлі.), бланкирование и когерентная автокомпенсация помех, действующих по боковым лепесткам диаграммы направленности антенны (ДНА) и др.
Задача самозащиты ЛА от РЛС решается постановщиками активных помех (ПАП), находящимися на борту защищаемого ЛА. С их помощью создаются маскирующие (шумовые), имитирующие, комбинированные и другие типы активных помех. Решение каждой конкретной задачи по обеспечению помехо-вого подавления РЛС обнаружения и сопровождения ВЦ (срыву поиска ЛА и захвата его на сопровождение, срыву сопровождения ЛА и передачи его для дальнейшего обслуживания СВУ) может потребовать применения разных видов помех и способов их создания.
Одним из ключевых вопросов диссертационной работы является выбор системы показателей надежности функционирования РЛС в условиях действия преднамеренных помех (одновременно являющихся и показателями эффективности помехового подавления РЛС), которая позволяла бы проводить сравнение различных помех при их воздействии на РЛС.
В настоящее время существует несколько подходов к оценке эффективности помехового подавления [16 — 18, 48, 65, 80, 84, 86], основанных на определении различных количественных показателей: энергетических, информационных и оперативно-тактических. Наиболее часто используются такие показатели, как дальность R(1aH обнаружения РЛС (или дальность Rm)fi подавления), вероятность D правильного обнаружения ВЦ на заданной дальности, вероятности
Dmp правильного и Fmp ложного обнаружения траектории ВЦ,
среднеквадратические ошибки <тг,ар,о-Е измерения радиолокационных
координат ВЦ и др. Для оценки помехоустойчивости и качества помехового подавления применяются также пространственные показатели, к которым относятся, например, «зона видимости РЛС в условиях помех», «зона подавления РЛС», «зона эффективного действия ПАП» и др.
Однако приведенные выше показатели применимы в основном для оценки эффективности только маскирующих (шумовых) активных помех. Получение оценок эффективности имитирующих помех с их помощью довольно проблематично, и для этой цели используются другие показатели, такие, например, как, вероятности различения или перепутывания истинного РЛ сигнала и имитируемого [38, 46], количество создаваемых ложных угловых направлений (пеленгов) [48, 86, 88]. В свою очередь данные показатели весьма слабо связаны с показателями эффективности шумовых помех. Таким образом, на основе системы указанных показателей не представляется возможным сравнивать между собой по эффективности различные типы помех, и решать задачи по рациональному выбору оптимальных параметров помех.
В работах [26, 67] предложен подход для оценки эффективности функционирования РЛС как средства поиска ВЦ, при совместном применении маскирующих и имитирующих помех, основанный на использовании вероятностно-временных показателей. Однако не представляется возможным использование этого подхода для анализа функционирования РЛС сопровождения ВЦ.
В связи со сказанным выше в диссертационной работе развивается подход к оценке эффективности помеховых воздействий на РЛС обнаружения и сопровождения ВЦ, основанный на использовании совокупности вероятностных, временных и пространственных показателей, которые характеризуют способности РЛС по решению целевых задач в условиях действия различных преднамеренных помех. Оценивание эффективности помехового противодействия на основе предлагаемых показателей позволяет более полно отразить функциональное предназначение РЛС по сравнению с другими подходами.
Особенность диссертационной работы заключается в том, что рассматриваемые в ней вопросы относятся к начальному этапу функционирования РЛС, который включает в себя операции поиска ВЦ, обнаружения ее траектории, слежения за ВЦ до момента передачи ВЦ на дальнейшее обслуживание ИПС СВУ. Причины акцентирования внимания на начальном этапе функционирования РЛС связаны с тем, что данный этап является наиболее ответственным с точки зрения обеспечения загрузки ИПС СКВП. Применительно к ИПС систем ПВО подавление РЛС на начальном этапе фактически означает срыв применения оружия по ВЦ.
Анализ помехоустойчивости РЛС обнаружения и сопровождения ВЦ при действии различных помех позволяет выявить наиболее опасные виды помех на разных стадиях начального этапа функционирования РЛС и разработать технически реализуемые предложения по организации помехового воздействия на РЛС обнаружения и сопровождения ВЦ.
Цель работы - разработка методического аппарата анализа надежности функционирования РЛС на начальном этапе, выявление возможностей срыва выполнения РЛС основных операций начального этапа при действии преднамеренных помех самозащиты.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:
1. Разработка математической модели и методического аппарата для по
лучения количественных оценок надежности функционирования РЛС на на
чальном этапе в условиях действия преднамеренных помех.
Получение аналитических оценок помехоустойчивости РЛС с помощью разработанного методического аппарата.
Разработка компьютерной имитационной модели процесса функционирования РЛС по ВЦ на начальном этапе в условиях действия преднамеренных помех самозащиты, получение экспериментальных оценок помехоустойчивости РЛС с целью проверки достоверности предлагаемого методического аппарата.
4. Разработка предложений по возможным вариантам организации по-меховых воздействий на РЛС при самозащите ЛА.
Методы исследований основаны на использовании аппарата теории вероятностей и математической статистики, марковских случайных процессов, теории массового обслуживания, математического анализа, методов математического и имитационного моделирования, а также теоретических основ статистической радиотехники, радиолокации и радиоэлектронной борьбы.
Научная новизна результатов исследований состоит в следующем:
1. Разработаны методики получения количественных оценок помехо
устойчивости РЛС обнаружения и сопровождения ВЦ на начальном этапе
функционирования в условиях действия активных маскирующих и имитирую
щих помех с использованием совокупности вероятностных, временных и про
странственных показателей, основанные на математическом аппарате теории
марковских цепей.
Предложена методика оценки среднего количества ложных траекторий, создаваемых с помощью имитирующих помех, основанная на представлении вычислительной системы РЛС как системы массового обслуживания с отказами, учитывающая ограниченность каналов сопровождения РЛС, позволяющая оценить вероятность выбора на сопровождение траектории истинной цели (защищаемого ЛА) из совокупности всех обнаруженных траекторий, а также вероятность срыва захвата защищаемого ЛА на сопровождение при действии на РЛС имитирующей помехи.
Получены количественные оценки помехоустойчивости типовой современной РЛС обнаружения и сопровождения ВЦ на начальном этапе функционирования аналитическими методами, а также методами имитационного моделирования.
Синтезированы алгоритмы управления энергетическими параметрами шумовых, имитирующих и комбинированных имитационно-шумовых помех, позволяющие обеспечивать нераспознаваемость истинной и ложных отметок.
5. Разработаны предложения по вариантам помеховых воздействий на РЛС на основе ответно-упреждающего принципа. Разновидности ответно-упреждающих помех определяются исходя из имеющейся у ПАП информации о параметрах зондирующего излучения РЛС.
Практическая значимость результатов работы состоит в том, что они позволяют количественно оценить характеристики помех, обеспечивающие срыв выполнения РЛС основных операций начального этапа функционирования, и выдвинуть технически реализуемые предложения по решению задач подавления РЛС обнаружения и сопровождения ВЦ. Методики, разработанные в ходе выполнения работы, могут найти практическое применение при разработке мер повышения надежности функционирования РЛС в условиях действия преднамеренных помех, а также при разработке средств помехового противодействия РЛС.
Реализация и внедрение результатов работы.
Научные и практические результаты работы использованы в процессе выполнения:
НИР " Разработка и анализ оптимизированных способов защиты летательных аппаратов средствами радиоэлектронной борьбы" по программе Министерства образования и науки РФ, номер государственной регистрации 01200306448, 2003 - 2004 г.;
НИР "Разработка и анализ эффективности оптимизированных способов и приемов защиты летательных аппаратов средствами радиоэлектронной борьбьГ по межотраслевой программе сотрудничества Министерства обороны и Министерства образования и науки РФ, номер гос. регистрации 01200311862, 2004 г.
Разработанные методики анализа помехоустойчивости РЛС внедрены в работы предприятия 3 ЦНИИ МО РФ. Имеется акт о внедрении.
Достоверность полученных результатов обуславливается использованием в процессе исследований адекватных описательных и математических моделей, корректным использованием математического аппарата и логической
обоснованностью выводов, а также подтверждением полученных оценок методами имитационного моделирования.
Апробация результатов работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
Первой научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности», Москва, ОАО «ОКБ Сухого», 2002 г.
Юбилейной научно-технической конференции, посвященной 60-летию образования ФГУП «ЦНИРТИ», Москва, ФГУП «ЦНИРТИ», 2003 г.
Десятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, МЭИ, 2004 г.
Второй научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности», Москва, ОАО «ОКБ Сухого», 2004 г.
Научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, посвященной 100-летию со дня рождения доктора технических наук, профессора, лауреата Государственной премии СССР, Заслуженного деятеля науки и техники РСФСР Михаила Самойловича Неймана, Москва, МАИ, 2005.
Публикации. По основным результатам выполненных исследований
опубликовано 4 статьи и 3 тезиса докладов на научно-технических конферен
циях. Результаты работы использованы в промежуточных и итоговых отчетах
по двум НИР, выполненных по программе Минобразования и науки РФ и меж
отраслевой программе сотрудничества Министерства обороны и Министерства
образования РФ (государственная регистрация № 01200306448 и
№01200311862).
Основные положения, выносимые на защиту;
1. Разработанный методический аппарат, основанный на использовании моделей в виде марковских цепей и учитывающий основные характеристики
РЛС и ПАП самозащиты, позволяет получать количественные оценки надежности функционирования РЛС на начальном этапе при действии преднамеренных активных маскирующих и имитирующих помех.
Предложенный алгоритм расчета среднего количества ложных траекторий, создаваемых с помощью имитирующих помех, основанный на представлении вычислительной системы РЛС как системы массового обслуживания с отказами и учитывающий ограниченность числа каналов сопровождения РЛС, позволяет оценить вероятность выбора на сопровождение траектории истинной цели из совокупности всех обнаруженных траекторий, а также вероятность срыва захвата защищаемого ЛА на сопровождение при действии на РЛС имитирующей помехи.
Разработанные алгоритмы управления энергетическими параметрами ПАП, основанные на принципах скрытия углового положения ЛА, позволяют формировать помеховые воздействия инверсного типа, обеспечивающие нераспознаваемость ложных отметок, создаваемых в зоне наблюдения РЛС, и отметок истинной цели.
Формирование активных помех на основе предложенного ответно-упреждающего принципа позволяет удовлетворить требования, предъявляемые к помеховому воздействию, по обеспечению возможностей наблюдения зондирующих сигналов РЛС, облучающих ЛА в процессе формирования помехи, а также создания помех в любом элементе разрешения в пределах заданной зоны по угловым координатам, дальности и скорости.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 204 машинописных страницах и состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Иллюстративный материал представлен в виде 57 рисунков и 17 таблиц. Список литературы включает 90 наименований.
В главе 1 выполнен обзор литературы по тематике исследования. Разработана описательная модель современной РЛС обнаружения и сопровождения ВЦ как объекта помехового подавления. Рассмотрены типовая структура РЛС,
принципы ее функционирования, виды зондирующих сигналов РЛС и их основные характеристики, а также используемые в РЛС средства защиты от помех. На основе данной информации сделаны выводы о возможностях помехо-вого подавления РЛС на каждом этапе ее функционирования в режиме самозащиты ЛА.
