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

Вторым возможным подходом к решению задачи является вы­ бор таких структурных параметров системы, которые не будучи

ошибки имеют минимумы. Поэтому, выбрав значения аргумента а, соответствующие обоим режимам работы в области минимума, можно построить систему, близкую по своим качествам к оптималь­ ной и не требующую переключений режима преобразования при изменении режима работы РЛС.

Общее количество элементов разложения зоны обзора (2.20) А^=7’обз/тв изменяется пропорционально периоду обзора, поскольку временной интервал разложения тв определяется полосой пропуска­ ния канала связи. Вследствие того что структурные параметры си­ стемы остаются неизменными при изменении режима работы РЛС, значение аргумента а уменьшается вдвое при двукратном увели­

Отсюда отношение аргументов, соответствующих указанным ско­ ростям вращения антенны,

cJi ( Т обэ!) /eta(Гобз) = 2,

где Т обз1 ~ 3 с; Т обз2 = 6 с.

Значения масштабного коэффициента (4.21)

р = ]f2nD*jN = V2nDHJTo6,

изменяются обратно пропорционально корню квадратному из перио­ да вращения антенны РЛС. Поэтому при 7'0бз2=27’Обз1

?г ( Т ' о б з г ) — P i ( 7 o 6 3 i ) -

Решение задачи может быть получено с помощью графиков функ­

минимума, определяет оптимальные структурные параметры при

Если выполняется неравенство

ао (аг) (ai) ^ ^^обэг^обзо

то во втором режиме точность работы системы будет не хуже, чем в первом, в результате увеличения количества элементов разложе­ ния, несмотря на то, что а 2ф а 0т . В данном случае среднеквадра­ тическое отклонение линейной ошибки во втором режиме уменьшает­ ся примерно на 15% по сравнению с первым (см. п. 7.4.3). Следует отметить, что полная оптимизация, т. е. введение второго режима

210

работы системы привело бы к уменьшению (То(у) на 40%. По ре­ зультатам этого расчета может быть принято решение о целесооб­ разности построения системы, имеющей единый рабочий режим.

После того как определены числовые характеристики линейных ошибок и значения аргументов а ( и а 2, дальнейший расчет струк­ турных параметров системы выполняется в соответствии с методи­ кой, изложенной выше. Аналогичным образом могут быть найдены параметры системы при наличии шума в канале связи. В этом слу­ чае вместо функций то (а) и Оо(а) необходимо пользоваться функ­ циями т 0(а , %) и <То(а, £), предварительно определив коэффициент шумового воздействия.

7.5.Система RVDP

7.5.1.Техническая реализация

фонным каналам связи в целях автоматизации управления воздуш­ ным движением. Система может работать с РЛС дальнего обнару­ жения, имеющей следующие параметры: максимальная дальность действия £>= 320 км; период обзора £ Об з= 1 0 с ; период повторения Гп=2,78 мс; время рабочего хода Гр= 2,44 мс; длительность зонди­ рующего импульса т„ = 3 мкс; ширина диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости 0Л = 5°.

Информация, обработанная системой, в виде кодов координат дальности и азимута передается по телефонному каналу связи в удаленный центр управления, где вводится в вычислительную ма­ шину вторичной обработки, а также отображается на индикаторах приемной части системы. Система построена с использованием циф­ ровых элементов. Ее созданию предшествовали попытки применения потенциалоскопов и ультразвуковых линий задержки в качестве основных элементов [15].

В состав системы R V D P входят (рис. 7.8): блок синхронизации, блок квантования сигналов РЛС, блок критерийной обработки сиг­ налов, блок передачи телекодовой информации, блок приема телекодовой информации и приемный индикатор кругового обзора.

Блок синхронизации управляет работой всей системы. В блоке имеется генератор первичных масштабных импульсов, период повто­

хронизированные с импульсами запуска РЛС, поступают в блоки квантования и критерийной обработки и используются также в блоке синхронизации для работ счетчика дальности. Масштабные импуль­ сы подаются на двоичный счетчик, который включается импульсом запуска РЛС. Двоичное число, записанное в счетчик в результате счета масштабных импульсов, в каждый момент времени соответ­ ствует значению текущей дальности РЛС. По окончании времени рабочего хода счетчик устанавливается в нулевое положение. Сиг­ налы азимутального положения антенны, синхронизированные им­ пульсами запуска РЛС, поступают на двоичный счетчик текущих

Рис. 7.8.

ме этого, в блоке синхронизации имеется счетчик времени, который Измеряет текущее время в долях периода обзора. Коды координат дальности, азимута и текущего времени считываются в момент формирования выходного сигнала в блоке критерийной обработки и поступают на блок телекодовой передачи.

Входным устройством системы является квантизатор, который выполняет функции амплитудной и временной дискретизации сиг­ налов, снимаемых с выхода РЛС. В квантизаторе происходит ограни­ чение собственного шума приемника РЛС и подавление помех, возникающих вследствие отражений от местных предметов и гид­ рометеоров. Величина порогового уровня ограничения устанавли­ вается схемой автоматической регулировки с двумя цепями дина­ мической обратной связи, имеющими разные постоянные времени. Порог ограничения в зонах, где имеются помехи только в виде собственного шума приемника РЛС, регулируется с помощью цепи обратной связи с большой постоянной времени. Выработка порого­ вого уровня ограничения производится путем интегрирования вы­ ходных импульсов квантизатора и выделения управляющего на­ пряжения, пропорционального средней частоте их следования. В зонах, где имеются помехи от местных предметов, пороговый уровень дополнительно регулируется цепью обратной связи с малой постоянной времени. Автоматическая регулировка порогового уров­ ня ограничения производится в пределах периода повторения РЛС. Уровень ограничения в зонах, содержащих большое количество по­ мех от местных предметов, увеличивается, что улучшает условия выделения сигналов от целей.

Выходные импульсы квантизатора, нормированные по ампли­ туде и времени, поступают в блок критерийной обработки. Задача блока — обнаружение цели на основе выбранного критерия и опре­ деление ее координат. Основным функциональным элементом блока

ность, передаваемая системой, D = 250 миль=400 км, а величина интервала квантования по дальности Дс/о=0,25 мили=0,4 км. Каждая ячейка ЗУ содержит Э1 разряд, что соответствует количеству отра­ женных сигналов от цели, приходящихся на ширину диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости.

Управление работой ЗУ производится с помощью регистра сдви­ га, на который поступают первичные масштабные импульсы от синхрогенератора. Выходы регистра сдвига подключены к схемам совпадения. Количество выходов регистра и схем совпадения рав­ но количеству ячеек ЗУ. На вторые входы всех схем совпадения параллельно поступают выходные нормированные сигналы кванти­ затора. Если на вход схемы совпадения одновременно приходят импульсы с регистра сдвига и с квантизатора, то в соединенную со схемой совпадения ячейку ЗУ записывается сигнал наличия цели (единица). В противном случае фиксируется отсутствие сигнала на соответствующем интервале дальности (нуль). Счетчик азимутально­ го положения антенны управляет подключением к выходам схем совпадения последовательно расположенных разрядов ЗУ, причем переключение разрядов синхронизировано импульсами запуска РЛС.

В ячейке З'У фиксируется количество нулей и единиц, соответ­ ствующих пачке сигналов, отраженных от цели. Анализ информации ячеек ЗУ выполняется одновременно с процессом записи.. Если ко­

213

личество единиц, записанных во всех разрядах ЗУ, превышает по­ роговое значение, то фиксируется факт обнаружения цели и одно­ временно запоминается азимут переднего края пачки отраженных сигналов. Задний край цели регистрируется в тот момент, когда хранящееся в ячейке число единиц падает ниже порогового уровня. Оценка координаты дальности цели осуществляется по номеру ячей­ ки ЗУ, а оценка координаты азимута вычисляется как полусумма азимутов переднего и заднего краев пачки.

В момент фиксации наличия цели производится считывание ко­ дов, выработанных счетчиками дальности, азимута и текущего вре­ мени, которые затем поступают в БЗУ, расположенное в блоке телекодовой передачи. БЗУ имеет 512 ячеек памяти, в каждой из которых могут быть записаны данные об одной цели. Необходимость промежуточного хранения информации определяется тем, что ско­ рость выработки координат целей определяется характером радио­ локационной картины воздушной обстановки, а скорость передачи координат — пропускной способностью канала связи.

Записанные в БЗУ координаты и текущее время измерения ко­ ординат цели с помощью специального счетчика подаются в поряд­ ке поступления в устройство телекодовой передачи и преобразу­ ются к виду, удобному для передачи по телефонному каналу связи. Информация, которая хранилась в БЗУ больше некоторого заранее установленного вручную времени, стирается. В системе предусмотре­ на возможность передачи информации со скоростью 2 400 дв. ед. в 1 с, а также с меньшими скоростями.

Сигналы, полученные с выхода телефонного канала связи, по­ ступают на телекодовое приемное устройство, которое производит демодуляцию сигналов, проверку кодов по четности и преобразует последовательные коды в параллельные для ввода в вычислитель­ ную машину вторичной обработки информации. Кроме того, из при­ нятых кодов координат формируются аналоговые сигналы для по­ дачи на приемные координатные индикаторы кругового обзора и контрольный индикатор, входящий в состав приемной части систе­ мы. Радиолокационное изображение на приемных координатных индикаторах имеет более контрастный характер, чем изображение на экране РЛС, вследствие использования двоичного квантования

и РЛС. Для выполнения этих функций используется обратный те­ лефонный канал связи между приемной и передающей частями

и каналами связи. Система построена на базе кремниевых транзис­ торно-диодных логических элементов и предназначена для работы в полевых условиях.

7.5.2. Анализ характеристик

Система R V D P является секторной системой передачи радио­

214

как в системе применен критерийный метод обнаружения отражен­ ной от цели пачки сигналов и симметричная весовая функция для определения азимута, то на основании результатов, изложенных в работе {7], среднеквадратическая ошибка определения азимута

= 2я '/С р г ? = 870,

где Л’р — энтропийный коэффициент нормального распределения.

N=tioqo=870 0 0 0 .

Нормированный аргумент (4.18)

а = 2n n l 'N = 7,34.

Масштабный коэффициент [(4.21)

р = V 2 n D 2,!N = 1,07 км.

Разрядность преобразования координат и разрядность их ко­ дирования совпадают, причем оба процесса выполняются в системе синхронно. Поэтому можно считать, что шумовое воздействие при передаче по каналу связи отсутствует, и для определения точност­ ных характеристик системы — пользоваться функциями т о (а) и 0 о(а). Учитывая найденное выше значение аргумента а, вычисляем математическое ожидание линейной ошибки и ее среднеквадрати­ ческое отклонение:

Средняя вероятность пропуска целей (6.15)

пользуется кодовое слово, содержащее 32 двоичных разряда, то за время ГОбз=10 с может быть передана картина воздушной обста­

215

Выработка сообщений происходит в случайные моменты време­ ни, определяемые характером распределения целей в зоне обзора РЛС. При равномерном распределении целей в зоне обзора поток сообщений приближается по своим свойствам к простейшему с ин­ тенсивностью

к = Н/Т обз.

где Н — количество целей (в общем случае передаваемых отметок) в зоне обзора. Если интенсивность потока близка к ХШах, то воз­ никают потери и значительные задержки сообщений. Однако при плотности А=0,9Лтах среднее количество сообщений, хранящихся в БЗУ, не превышает 20—25.

Таким образом, анализ характеристик точности и разрешающей

7.5.3. Оптимизация параметров

Значение нормированного аргумента а= 7 ,3 4 , полученное в ре­ зультате анализа, значительно отличается от оптимального, и, сле­ довательно, выбранное оптимальное разложение не обеспечивает по­ тенциальной точности системы. Перейти от неоптимального значения аргумента а к оптимальному можно двумя способами. Первый — это уменьшение ошибки по азимуту. Однако определение азимута целей в системе, выполняемое методом квазиоптимальной обработки пачки радиолокационных сигналов с помощью симметричной весо­ вой функции, дает значение ошибки, близкое к минимально воз­ можному [7]. Дальнейшее уменьшение азимутальной ошибки может быть достигнуто в результате изменения параметров РЛС. Предпо­ ложим, что такой путь повышения точности системы неприемлем.

Вторая и в данном случае единственная возможность оптими­ зации структурных параметров системы — изменение количества элементов разложения по дальности. Значение аргумента а , полу­ ченное при анализе системы, превосходит оптимальное в пять раз. Следовательно, во столько же раз необходимо увеличить интервал квантования по дальности для получения оптимального разложения.

ная дальность зоны обзора остается неизменной, величина масштаб­

Значение нормированного аргумента у равно значению аргумента а, поскольку элементы разложения и разрешения равны. Отсюда ин­ тегральная разрешающая способность, полученная после изменения оптимального разложения.

М 0(и ) — рМо('у) = 2 ,8 км.

что почти на 50% превышает прежнее значение.

216

С р е д н я я в е р о я т н о с т ь п р о п у ск а целей (6 .1 5 )

Р 0 = 3х/4я^ = 0,33 -10 -*.

Таким образом, оптимизация структурных параметров системы при неизменной точности и некотором сокращении разрешающей спо­ собности позволяет в пять раз уменьшить объем основного функ­ ционального элемента системы — запоминающего устройства, а так­ же связанных с ним устройств управления. Кроме того, в пять раз могут быть снижены требования по быстродействию ко всем этим устройствам.

7.6. Методика структурного проектирования

Рассмотренные примеры анализа характеристик и синтеза па­ раметров показывают различные аспекты .применения разработан­ ной теории и позволяют сформулировать основные положения ме­ тодики структурного проектирования и выработки тактико-техниче­ ских требований к системам передачи радиолокационной инфор­ мации.

На начальной стадии проектирования необходимо тщательно изучить принцип функционирования и круг выполняемых задач автоматизированной системы оперативного контроля и управления, в которую система передачи радиолокационной информации входит как составная часть. Требования к качеству радиолокационной ин­ формации (к точности, разрешающей способности и т. д.) должны быть определены исходя из качества функционирования автома­ тизированной системы управления (АСУ) в целом. Вместе с этим необходимо изучить существующие прототипы систем передачи ра­ диолокационной информации, в большей или меньшей степени удовлетворяющие поставленным требованиям. Результаты прора­ ботки этих вопросов позволят проектировщику осуществить выбор параметров системы, имея в виду конечную цель: функционирование АСУ с заданным качеством. Указанная задача является частью общей проблемы радиолокационной системотехники.

Для проектирования системы передачи радиолокационной ин­ формации необходимо располагать следующими данными об РЛС, информация которой должна передаваться: максимальная дальность действия D; период обзора Т 0б3; период повторения Гп; время ра­ бочего хода Гр; длительность зондирующего импульса ти; полоса пропускания Д/'р л с , ширина диаграммы направленности РЛС в го­

ризонтальной плоскости 0лЭтот перечень может быть дополнен характеристиками, спе­

цифичными для данной РЛС. Например, РЛС может иметь не­ сколько режимов работы, в каждом из которых выбраны свои зна­ чения дальности действия, периода обзора, периода повторения и т. д. На практике в составе одной АСУ обычно используются не­ сколько РЛС, часто обладающих существенно различающимися пара­ метрами. Это в свою очередь, приводит к расширению объема исход­ ных данных, сложности их совместного учета в процессе проектиро­ вания, а также к сложности создания системы, оптимальным обра­ зом отвечающей всем исходным условиям.

При проектировании должны быть известны характеристики канала связи: полоса пропускания AfK; шумовое воздействие а ш.

217

Следует напомнить, что шумовое воздействие рассматривается как сумма всех видов шумов и помех, имеющих место в данном канале связи при выбранном методе передачи сигналов. В реальных усло­

В комплекс исходных условий входят обычно тактико-техниче­

роятность пропусков целей Р ц.

Существует, как правило, ряд других требований технического характера, которые здесь не рассматриваются. Задачей проектиро­ вания является выбор метода передачи и определение структурных параметров и характеристик системы, отвечающих всем поставлен­ ным требованиям. Структурное проектирование в зависимости от характера решаемых вопросов сводится либо к задаче анализа, либо

ции. Расчету подлежат характеристики системы. До начала расчета на основании статистического анализа следует получить представле­ ние о законе распределения целей в зоне обзора. Если распределе­ ние обладает круговой симметрией, а второй начальный момент распределения расстояний целей от начала координат удовлетворяет условию (5.66), то результаты, изложенные в книге, могут быть ис­ пользованы непосредственно.

Расчет характеристик системы выполняется в следующем по­ рядке:

— вычисляются масштабный коэффициент р, нормированный аргумент а и коэффициент шумового воздействия

—для найденных значений а и g по соответствующим формулам или таблицам приложения 4 определяются значения функций нор­ мированных числовых характеристик, после чего вычисляются ма­ тематическое ожидание и среднеквадратическое отклонение линей­ ной ошибки;

—для найденных значений а и g определяются условия кор­ рекции систематической ошибки;

—вычисляются масштабный коэффициент рк, параметр к и нормированный аргумент у;

—вычисляется значение нормированной функции интегральной разрешающей способности и затем величина интегральной разре­ шающей способности системы;

—вычисляются производительность системы, т. е. максимальное количество целей, которое может быть передано системой в единицу времени, и вероятность пропуска целей. На этом решение задачи анализа характеристик системы с известными параметрами можно считать законченным.

При решении задачи синтеза параметров системы исходными данными являются параметры РЛС и канала связи. В результате

расчета необходимо выбрать метод передачи и указать оптимальные параметры системы. Оптимизация может отвечать требованию по­ тенциальной точности или разрешающей способности.

218

Решение задачи синтеза параметров системы, обладающей по­ тенциальной точностью, выполняется следующим образом:

— производится сравнение потенциальных возможностей кадро­ вого и секторного методов с учетом максимальной скорости целей, наблюдаемых РЛС. На основе сравнения производится выбор ме­

ее среднеквадратическое отклонение, отвечающие условиям потенци­ альной точности;

—вычисляются ошибки и количество элементов разложения по дальности и азимуту;

—вычисляются коэффициенты сокращения избыточности К\, Кг,

К3- Кроме того, вычисляются период повторения тактовых импуль­

мы, вероятность пропуска целей и производительность.

При синтезе параметров системы, обладающей потенциальной разрешающей способностью, порядок расчета аналогичен изложен­ ному. Отличие заключается в том, что расчет начинается с выбора оптимального значения параметра у и определения потенциальной разрешающей способности. Вслед за этим определяется точность системы, которая может быть достигнута в данном случае. При необходимости точность может быть улучшена за счет некоторого снижения разрешающей способности.

Следует остановиться также на синтезе параметров системы, обладающей заданной точностью. Как и прежде, предполагается, что параметры РЛС и канала связи известны. В этом случае для выбранного типа разложения и метода передачи сигналов по каналу

—вычисляется количество элементов разложения по дальности По и азимуту до',

—вычисляются коэффициенты сокращения пропускной способ­

—вычисляются масштабный коэффициент рк, параметр и.и нор­ мированный аргумент у;

—вычисляется интегральная разрешающая способность и веро­

ятность пропуска целей.

Если в результате расчета общее количество элементов разло­ жения не является действительным числом, то тактико-технические требования при взятых исходных условиях выполнены быть не мо­ гут, и, следовательно, система с заданными характеристиками не может быть создана.

219