ИЗВЕСТИЯ РАИ. ТЕОРИЯ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ, 2007, № 4, с. 153-165
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖУЩИМИСЯ ОБЪЕКТАМИ
УДК 621.396.96:629.7.067
СРАВНЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ РАДИОЛОКАЦИИ И ЛАЗЕРНОЙ ЛОКАЦИИ КАК МЕТОДОВ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ МАЛОВЫСОТНОГО ПОЛЕТА*
© 2007 г. В. Н. Дановский, В. Я. Ким, В. М. Лисицын, К. В. Обросов, С. В. Тихонова
Москва, ФГУП ГосНИИАС
Поступила в редакцию 12.02.07 г., после доработки 21.03.07 г.
Проведен теоретический анализ возможностей информационного обеспечения маловысотного полета с помощью радиолокационной станции мм-диапазона и лазерно-локационной системы с длиной волны излучения 1.54 мкм. Для несложных метеоусловий показаны преимущества последней как с точки зрения минимизации безопасной высоты полета, так и с точки зрения вероятности обнаружения различных препятствий, включая объекты типа тросов, растяжек, проводов и пр. Приведены результаты моделирования и экспериментальных исследований по обнаружению тросов с помощью лазерного локатора.
Введение. При информационном обеспечении маловысотного полета (ПО МВП) вертолетов и самолетов всегда обозначалась задача своевременного обнаружения таких тонких протяженных препятствий (ТПП), как провода, тросы, мачты, растяжки и т.п., так как экипаж, как правило, замечает их на значительно меньших дальностях, чем другие типы препятствий. Для решения этой проблемы проводились работы по исследованию возможностей различных систем дистанционного зондирования. Имеются сообщения [1, 2] о способности обнаруживать провода с помощью 3-миллиметровой радиолокационной станции (РЛС). При этом экспериментальные результаты получены только для линий электропередач (ЛЭП), расположенных в диапазоне дальностей 0.3-1.5 км.
Наблюдаемые на радиолокационных (РЛ) изображениях провода представляют собой прерывистые линии с редко расположенными штрихами (бликами). Появление в последние годы сканирующих лазерных дальномеров с безопасным для глаз излучением и высокой частотой следования импульсов (30-50 кГц) привело к созданию в ряде зарубежных фирм экспериментальных и опытных образцов лазерно-локационных систем (ЛЛС) для решения задач ИО МВП (Northrop Grumman, США; Dornier GmbH, Германия; Marconi SPA, Италия; SEC Avionics, Великобритания). При проектировании ЛЛС были использованы традиционные регулярные развертки [3], которые из-за ограничений на время формирования растра и частоту следования зондирующих импульсов не могут обеспечить достаточно плотного для обнаружения ТПП им-
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты < 05-01-08038 офи-п, < 05-08-33681-а)
пульсного зондирования в передней полусфере летательного аппарата (ЛА). В результате разреженности регулярных разверток попадание зондирующих импульсов в ТПП носит случайный характер.
Пролонгация безопасных траекторий полета возможна только при определении местоположения всех препятствий (включая ТПП) на дальностях, которые допускают проведение маневра уклонения от препятствия при данной скорости полета. Поэтому выделение эхо-сигналов от ТПП требует большой концентрации лучистой энергии по направлению зондирования, т.е. узких диаграмм направленности. Гарантировать заданную вероятность обнаружения ТПП на дальностях больше требуемых значений возможно только при значительном перекрытии диаграмм направленности, которые формируются в двух последовательных измерениях дальности при сканировании. Это существенно ограничивает угловую скорость развертки строки, содержащей последовательность измерений дальности, и приводит к необходимости применения следящей развертки, т.е. функционально управляемого адаптивного сканирования, которое должно (в отличие от регулярной развертки) оптимизировать распределение поисковых усилий в передней полусфере ЛА. Пример такого адаптивного сканирования приведен на рис. 1, где заштрихована поверхность, которая заметается зондирующим лучом на одном периоде сканирования. При адаптивном сканировании приоритетным является то, что сканирующая диаграмма должна заметать некоторую поверхность, которая пересекает поверхность земли приблизительно по линии изодальностей, т.е. используется следящая (по углу места) развертка горизонталь-
Рис. 1.
ной строки. При этом дальность Вт{п до этой линии равна дальности обнаружения "на проходе" тонких препятствий с заданной вероятностью. Эта процедура занимает заранее известное время, которое не может превышать период обновления информации. Оставшееся от периода время используется на заметание вертикальных секторов (рис. 1) с автоматически определяемыми параметрами. Это позволяет на максимальных дальностях определять местоположение крупных препятствий и пролонгировать траекторию полета ЛА.
1. Постановка задачи. При движении по траектории ЛА необходимо гарантировать, что в ближайшие 10-20 с от текущего момента времени расстояние до любого препятствия будет больше некоторого уровня страховки к, т.е. в пространстве, ограниченном трубкой радиуса к вдоль траектории движения, отсутствуют любые препятствия. Назовем это пространство трубкой реальных безопасных траекторий полета. Она должна иметь толщину 2к, которая определяется ошибками системы управления ЛА и возмущающими воздействиями (потоками воздуха). Результаты обнаружений опасных препятствий и пролонгации трубки безопасных траекторий должны быть индицированы путем нанесения условных меток на изображение широкопольных телевизионных (ТВ) или тепловизионных (ТП) систем прямого наблюдения (рис. 2).
Эффективность ИО МВП будем в первую очередь характеризовать тем, насколько трубка без-
опасных траекторий может быть приближена к подстилающей поверхности. Между ними необходим некоторый "зазор", для которого с гарантированной вероятностью должно формироваться решение об отсутствии в нем опасных препятствий. Это обеспечивается обработкой результатов зондирований вдоль линии ближней изодальности Вт{п и вертикальных секторов (рис. 1). Распределение поисковых усилий при пролонгации траектории для достижения безопасности МВП, прежде всего, обеспечивает зондирование "зазора" между уровнями страховки к (рис. 3) и подстилающей поверхностью во всем диапазоне азимутального сканирования. При этом требуется, чтобы зондирование гарантировало высокую вероятность отсутствия в "зазоре" всех видов препятствий (включая ТПП), которые, возвышаясь над поверхностью, могут хотя бы частично войти в трубку пролонгируемых безопасных траекторий полета. При обнаружении таких препятствий инициализируется соответствующая индикация (рис. 2) во всем диапазоне азимутального сканирования, позволяющая правильно выбрать пролонгируемую траекторию полета для облета препятствий, формируются директорные сигналы управления высотой полета при следовании рельефу местности вдоль выбранной траектории.
Очевидно, что реализовать такое распределение поисковых усилий целесообразно путем адаптивного периодического азимутального сканирования подстилающей поверхности на заданной
Рис. 2.
дальности от ЛА, т.е. на каждом периоде азимутального сканирования по результатам текущих и предыдущих измерений дальностей должно формироваться такое управление углом места диаграммы направленности, которое при каждом зондировании минимизировало бы отклонение априорной оценки измерения дальности от заданного значения. Параметры подобной реализации распределения поисковых усилий (поле обзора, темп обновления информации, число дополнительно формируемых вертикальных строк прореженной развертки для оценки высот препятствий) определяются ограничением на угловую скорость перемещения диаграммы направленности, которое должно обеспечивать необходимую степень перекрытия диаграмм в любой паре последовательных измерений дальностей. Это необходимо для того, чтобы не пропустить тонкое препятствие (мачту, трос, провод, и т.д.), которое пересекает формируемая строка развертки.
Для того чтобы иметь уровень страховки к, надо лететь над подстилающей поверхностью и наземными объектами на высоте Н > Н„Ш1 > к. Эффективность информационного обеспечения
МВП при фиксированной угловой скорости луча определяется двумя показателями:
1) на сколько минимальная высота полета Н,„П1 может быть приближена к уровню страховки к при пролонгации безопасных траекторий полета по результатам зондирования подстилающей поверхности в заданном азимутальном секторе перед ЛА;
2) какова вероятность своевременного обнаружения ТПП как наиболее трудно обнаруживаемого препятствия.
В работе проводятся оценки этих двух показателей для РЛС и ЛЛС.
2. Оценка допустимой минимальной высоты полета. При сравнении локаторов по первому показателю будем предполагать, что эхо-сигнал от ТПП обнаруживается локатором (с гарантированной вероятностью) только при условии, если ТПП перекрывает при сканировании всю ширину строки (которая определяется диаграммой направленности локатора). При оценке эффективности информационного обеспечения МВП по первому показателю в качестве функции потерь выберем величину Ж = И^/к. Минимальная возможная высота полета Итп не может быть равна уровню страховки к, так как невозможно принимать решение об отсутствии вертикальных ТПП внутри трубки безопасности исключительно на основании того, что не были зарегистрированы эхо-сигналы, идентифицируемые алгоритмом обработки как результат отражений только от тех частей препятствий, которые расположены внутри трубки безопасности (выше уровня страховки к). Это обусловлено следующими причинами:
опасностью наличия внутри трубки безопасности таких частей препятствий с малыми эффективными поверхностями рассеяния, которые имеют существенно меньшую высоту, чем линейный диаметр поперечного сечения диаграммы направленности локатора, целиком расположенной внутри трубки безопасности на некотором интервале дальностей, в результате чего эхо-сигнал будет очень слабым и не будет зарегистрирован (такими препятствиями могут быть верхушки мачт, труб, шпилей, антенн и т.п., которые поднялись выше уровня страховки);
возможностью появления мертвых зон (непро-свечиваемых областей) внутри трубки безопасности при сканировании лучом с периодом Т;
недостаточной разрешающе
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.