книги из ГПНТБ / Васильев Г.А. Повышение эффективности комплексной автоматизации
.pdfА. 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
|
9ос. публичная |
У |
') |
Яйучно-тех::и |
|
библибте.а |
|
|
|i |
ЭНЗЕ.1 |
|
L |
ЧИТАЛЬНО! -• |
|
W - Л З М
30402-039 |
13-74 |
|
046 (01)-74 |
||
|
© 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
Знакомство с книгой предполагает', что Читателю ИЗ* вестны основные положения теории радиолокации п тео рии связи. Основным математическим аппаратом, ис пользуемым в книге, является теория вероятностей.
Автор приносит глубокую благодарность академику Ю. Б. Кобзареву, поддержавшему идею написания монографии. Автор благодарен также докт. техн. наук, проф. Л. С. Гуткину за обсуждение плана руко писи. Работа над книгой не могла бы быть успешно за кончена без помощи докт. техн. наук, проф. В. Е. Дулевича и докт. техн. наук, проф. С. 3. Кузьмина, которые уделили много внимания критическому разбору рукописи при рецензировани:" и сделали ряд ценных предложений по ее улучшению. Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность докт. техн. наук, проф. А. Г. Сайбелю, ознакомившемуся с рукописью, а также докт. техн. наук, проф. Л. Е. Варакину, высказавшему ряд полезных советов.
Книга написана по материалам открытой отечествен ной и иностранной литературы. Основу содержания со ставляют результаты, полученные автором. При изло жении возникали трудности, связанные с отсутствием единой терминологии и классификации. Автор будет при знателен за все замечания и пожелания по улучшению содержания книги, которые следует направлять по адре су: Москва, Главпочтамт, а/я 693, издательство «Совет ское радио».
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