книги из ГПНТБ / Васильев Г.А. Повышение эффективности комплексной автоматизации

А. Э. Коханский

Автоматическая

передача

радиолокационной

информации

МОСКВА «СОВЕТСКОЕ РАДИО» 1974

УДК 621.396.96

Л. Э. К о х а н е к ий . Автоматическая передача радиолокационной инфор*

мации. М., «Сов. радио», 1974, 256 с.

Книга посвящена проблеме автоматической передачи радиолокационной информации по узкополосным каналам связи. До настоящего времени эти

проблемы не находили отражения в литературе.

В книге дан обзор и классификация методов передачи информации обзорной РЛС, изложены основы теоретического анализа , характеристик точ­ ности и разрешающей способности, дана инженерная методика структурного проектирования систем, обладающих потенциальной точностью и потенциаль­ ной разрешающей способностью. Освещены основные принципы технической реализации существующих систем. На основе изложенной теории дан анализ характеристик и показаны пути их оптимизации. Общность предложенных методов статистического анализа позволяет распространить их на различные

радиоэлектронные системы и устройства.

Книга может быть полезна научным работникам и инженерам, связанным •: вопросами разработки и эксплуатации систем передачи радиолокационной информации и радиоэлектронных систем оперативного контроля и управления. Она может быть использована также студентами старших курсов, изучаю­ щими теорию и технику радиолокации, а также смежные с ней дисциплины.

Рис. 87. табл. И, библ. назв. 71.

Редакция литературы по вопросам космической радиоэлектроники

W - Л З М

© Издательство «Советское радио», 1974,

Предисловие

Настоящая книга посвящена анализу характеристик систем передачи радиолокационной информации по ка­ налам связи и синтезу систем, обладающих потенциаль­ ной точностью при заданных исходных условиях. Необ­ ходимость решения такого рода задач возникает,' как правило, при решении различных проблем радиолокаци­ онной системотехники.

Теория и техника передачи радиолокационной инфор­ мации находятся на стыке радиолокации и связи. При этом, несмотря на широкое использование на практике систем передачи радиолокационной информации, теоре­ тические основы их построения не нашли своего отра­ жения в научно-технической литературе. При создании и использовании таких систем основным является вопрос

овеличине потерь радиолокационной информации (т. е.

омаксимально возможной точности, разрешающей спо­ собности и т. д.), которая может быть достигнута при использовании канала связи с низкой пропускной спо­ собностью.

Этот подход последовательно используется при изло­ жении основ теории систем. Методика анализа, приня­ тая в книге, отличается от общепринятой вследствие того, что в качестве характеристик точности рассматри­ ваются не ошибки по дальности и азимуту, а линейная ошибка, т. е. расстояние между истинным положением цели и полученным в результате работы системы. Ана­ логичным образом рассматриваются вопросы, связанные с разрешающей способностью системы. Такой подход при одновременном учете ограничений, связанных с про­ пускной способностью канала связи, позволяет вырабо­ тать критерии, удобные с точки зрения практического использования. Кроме того, при этом удается также установить непосредственное соответствие между данны­ ми на входе системы и на ее выходе, не усложняя ана­ лиз и изложение техническими деталями (техника пре­ образования, техника передачи сигналов и т. д.).

3

Введение

Сложность проблемы создания автоматизированных систем оперативного контроля и управления процессами

ввоздушном пространстве постоянно возрастает в связи

синтенсивным ростом количества летательных аппара­ тов и увеличением их скоростей. Необходимость созда­ ния эффективных систем контроля и управления прида­ ла особую актуальность вопросам передачи информации о воздушных объектах, получаемой с помощью радио­ локационных станций (РЛС), расположенных на терри­ тории районов управления большой протяженности.

Использование человека-оператора или коллектива операторов в качестве функционального звена системы для визуального съема и передачи координат и других характеристик наблюдаемых объектов в условиях интен­ сивного движения обладает существенными недостат­ ками.

Развитие теории передачи сообщений дало возмож­ ность оценить избыточность радиолокационной информа­ ции, разработать методы и средства для ее сокращения.

Это в свою очередь привело к созданию автоматических устройств передачи радиолокационной информации. Су­ ществование развитой сети телеграфных и телефонных каналов связи послужило практическим стимулом к их использованию.

В целом все названные обстоятельства способствова­ ли появлению нового направления в радиоэлектронике, которое получило название — автоматическая передача радиолокационной информации по узкополосным кана­ лам связи.

Однако до настоящего времени в литературе пробле­ ма передачи радиолокационной информации не нашла своего отражения. В распоряжении читателя имеются разрозненные статьи, посвященные в основном технике построения систем автоматической передачи радиолока­ ционной информации на основе эмпирических соображе­ ний. Сведения по теории автоматических систем переда­ чи информации обзорных РЛС по узкополосным кана-

5

Лам связи в литературе практически отсутствуют, а во­ просы оптимального построения таких систем не освеще­ ны вообще. Предлагаемая читателю монография являет­ ся попыткой восполнить этот пробел.

Процессы преобразования и передачи информации в самом общем виде могут быть описаны в терминах теории функциональных пространств и теории вероят­ ностей.

Исходным источником сообщений для любой радио­ электронной системы, в том числе и для системы пере­ дачи радиолокационной информации, является внешняя среда. Процесс функционирования системы сводится к отображению множества состояний внешней среды во множество состояний (некоторой модели. При этом под отображением понимается получение информации о со­ стоянии внешней среды и преобразование ее к виду, удобному для потребителя информации.

Область пространства, в пределах которой система позволяет получать информацию, представляет собой множество элементов (прообразов) мощности континиум. Множество отображаемых состояний (множество об­ разов) конечно в силу принципа физической реализуемо­ сти системы и может рассматриваться как подмножест­ во множества прообразов. Существо принципа физиче­ ской реализуемости состоит в том, что ограниченная об­ ласть пространства наблюдения анализируется системой в течение конечного интервала времени (периода обзо­ ра). Элементарный временной, а следовательно, и про­ странственный интервал, различимый системой, соответ­ ствующий времени реакции, также является конечным, что следует из ограниченности полосы пропускания лю­ бой реальной системы. Вследствие этого множество ото­ бражаемых системой состояний конечно.

Создание информационной системы можно рассма­ тривать как выбор некоторого функционального опера­ тора, отображающего континуальное множество прообра­ зов в конечное множество образов. Оператор отображе­ ния устанавливает однозначное соответствие между эле­ ментами множества прообразов и множества образов. Обратное однозначное соответствие между образом и прообразом обычно указано быть не может. Это обстоя­ тельство непосредственно связано с теоремой К. Э. Шен­ нона, в соответствии с которой любое преобразование не увеличивает количества информации.

&

Математическая трактовка проблемы создания ин­ формационных систем приводит к решению задачи об оптимальном отображении континуального множества прообразов на конечное подмножество образов и оты­ скании оператора оптимального функционального соот­ ветствия. Свойства функционального оператора опреде­ ляются принципом действия системы. В связи с этим целесообразно, рассматривая вопрос об адекватности процесса преобразования, характеризовать его расстоя­ нием между прообразом и образом с помощью понятия метрики, введенного для функциональных пространств. В общем случае расстояние между прообразом и обра­ зом случайно и может быть списано на основе исполь­ зования понятий теории вероятностей: законов распре­ деления ошибок или моментов по каждой из измеряемых координат.

Функционирование информационной системы — это многократно повторяемый процесс преобразования про­ образов наблюдаемых объектов в соответствующие им образы. Этот процесс, имеющий стохастический харак­ тер, в общем случае зависит от распределения наблю­ даемых объектов в зоне обзора. Естественно поэтому списывать качество функционирования системы с помо­ щью оценки, учитывающей как характер распределения координатных ошибок преобразования, так и характер распределения наблюдаемых объектов в пределах зоны отображения. Такая оценка должна обладать свойства­ ми обобщенного интегрального критерия, характеризую­ щего принципиальные возможности метода преобразова­ ния.

Создание модели внешней среды с помощью некото­ рой системы предполагает существование потерь инфор­ мации, возникающих в процессе преобразования. Вполне понятным является стремление к созданию оптимальной системы, обладающей минимальными потерями инфор­ мации, т. е. максимальной точностью, минимальным чис­ лом ложных тревог и т. д. Оптимизация оператора пре­ образования (и, следовательно, параметров системы) должна выполняться на основе анализа интегрального критерия качества функционирования системы. Поэтому оптимальной может считаться такая система, функцио­ нальный оператор преобразования которой позволяет получить минимальные (максимальные) интегральные оценки при заданных исходных условиях.

7

Изложенные идеи приводят к принципиальной воз­ можности постановки двух видов задач. Первый вид — это задача анализа характеристик системы, функцио­ нальный оператор преобразования которой задан. Вто­ рой вид — это задачи синтеза функционального операто­ ра, обеспечивающего минимизацию (или максимизацию) интегральных характеристик при заданных исходных условиях.

Следует отметить одно важное обстоятельство, кото­ рое может быть использовано при анализе. В процессе создания модели системы между множеством прообра­ зов и множеством образов устанавливается определен­ ное соответствие. Это соответствие существует и остается справедливым как во времени, так и в пространстве. Для радиолокации, например, основной константой, ха­ рактеризующей это соответствие, является скорость рас­ пространения электромагнитных волн.

Установление соответствия между множеством прооб­ разов и множеством образов дает принципиальную воз­ можность анализа характеристик системы как во време­ ни, так и в пространстве вследствие взаимно однознач­ ного масштабного соответствия этих областей.

На основе изложенных принципов в книге развита теория передачи радиолокационной информации по узко­ полосным каналам связи. В связи с тем что вопрос ана­ лиза систем с функциональным оператором произволь­ ного вида встречает существенные математические труд­ ности, рассмотрен специальный класс операторов, имею­ щих практические приложения. Полученные результаты позволяют решать задачи анализа характеристик и син­ теза оптимальных структурных параметров систем пере­ дачи радиолокационной информации, а также могут найти приложение в ряде смежных областей радиоэлек­ троники.

Вглаве 1 книги дано освещение проблемы передачи информации обзорных РЛС в целом и ее отдельных аспектов. В главе содержится обзор и классификация методов решения проблемы, а также принципов построе­ ния соответствующих систем, их характеристик и целе­ сообразных направлений использования.

Вглаве 2 рассмотрены факторы, позволяющие со­ кратить избыточность информации обзорной РЛС при

передаче по узкополосному каналу связи, и принципы построения автоматических систем передачи с использо-

8

ваппем двух основных методов, применяемых для этой цели: метода кадрового преобразования и метода сек­ торного преобразования. Рассмотрены процессы преоб­ разования информации обзорной РЛС, а также принцип пространственно-временной дискретизации, применяемый в дальнейшем для получения количественных характе­ ристик систем передачи информации.

Вглаве 3 излагается теория разложения зоны об­ зора на элементы. Вводится понятие оценки точности преобразования, мерой которой является элемент зоны обзора. Рассмотрены вопросы оптимального разложения зоны обзора на элементы в полярной системе координат

спомощью известного радиально-кругового растра. Д а­ лее излагаются методы выравнивания размеров элемен­ тов разложения в целях повышения точности преобра­ зования при неизменной пропускной способности канала связи. Рассмотрены три возможные модификации сек­ торных разложений, даны оценки эффективности вырав­ нивания элементов разложения, а также рассмотрены предельные возможности метода выравнивания.

Вглаве 4 излагается теория линейных ошибок пре­ образования. Под линейной ошибкой понимается рас­ стояние между истинным и преобразованным положени­ ями объекта наблюдения, усредненное с учетом вероят­ ности их появления. Исследование линейных ошибок по­ зволяет указать количественную меру точности преоб­ разования для каждого из разложений, введенных в рас­ смотрение в главе 3. Получен ряд важных соотношений и практических рекомендаций, на основе которых может

быть достигнута минимизация ошибок преобразования. Глава 5 посвящена теории линейных ошибок пре­ образования и передачи при наличии шума в канале связи. Рассмотрены линейные ошибки при равномерном распределении шумового воздействия и даны их обоб­ щенные аналитические зависимости от параметров си­ стемы. На основе изучения приведенных закономерно­ стей предложена статистическая модель, исследование которой позволяет получить зависимость между харак­ теристиками линейных ошибок и параметрами системы в обобщенном виде при нормально распределенном шу­

мовом воздействии.

В результате анализа линейных ошибок с учетом шума в канале связи удается указать характеристики потенциальной точности секторного и кадрового методов

9