ARCHITECTURE AND DESIGN OF AUTONOMOUS INERTIAL-RADIO-RADAR MICRO-NAVIGATION SYSTEM IN AVIATION MULTIFUNCTIONAL RADARS

В настоящее время в состав аппаратуры авиационных многофункциональных радаров (РЛС), как правило, включена специализированная система микронавигации (СМН) фазового центра антенны (ФЦА) РЛС

В целом, объектом исследования является автономная ИР (АИР) СМН в типовой многофункциональной РЛС авиационного базирования, обеспечивающей обзор воздушного пространства (ОВП) и обзор земной поверхности (ОЗП), в т. ч. ОЗП с высоким разрешением при синтезируемой апертуре (СА) антенны

Исследуемая/разрабатываемая АИР СМН, в общем случае, обеспечивает определение параметров траектории ФЦА/ориентации ГЛ радара при решении РЛС задач ОВП, включая обнаружение, измерение траекторных параметров и сопровождения траекторий воздушных объектов, а также задач ОЗП, включая ОЗП с высоким/сверхвысоким разрешением при СА. Кроме того, в СМН, как назначаемая опция решаются и традиционные задачи навигации/ориентации ЛА в общепринятой геодезической (навигационной) системе координат. При назначении такой опции радар со «встроенной» АИР СМН в аспекте архитектуры можно рассматривать как «радиолокационно-навигационный комплекс», который может быть резервным или основным средством традиционной навигации ЛА – в зависимости от уровня оснащенности ЛА бортовым навигационным оборудованием. Реализация этой опции, по сути, сводящаяся к переходу от навигации ФЦА к навигации удаленного от ФЦА центра масс ЛА, не является проблематичной и далее в работе детально не рассматривается. Актуальной остается проблема обеспечения требуемой точности микронавигации ФЦА при СА. В задачах ОВП – менее «жесткие» требования по точности, но в условиях организованных помех ГНСС их выполнение также является проблематичным. В настоящее время усложнение сигнально-помеховой обстановки для ГНСС является устойчивой тенденцией, затрудняющей решение указанной проблемы достижения требуемой точности микронавигации ФЦА. 

На данный момент, наряду с разработками по повышению помехоустойчивости аппаратуры ГНСС, ведутся интенсивные исследования в области нетрадиционных методов и средств «неспутниковой» (микро)навигации и в т. ч. рассматриваются возможности использования самой РЛС как дополнительного корректирующего датчика скорости ФЦА в информационно-измерительной структуре СМН радара. Например, в работе

• методы измерения дальности R от ФЦА до земли и радиальной скорости ФЦА VR при КНИ и КНИ с ЛЧМ;

• процедуры определения траекторной скорости ФЦА V по нескольким измерениям скорости VR(k) (k≥3), выполненным при разных направлениях ГЛ;

• схема комплексирования и базовые алгоритмы комплексной обработки инерциально-радиолокационной информации по скорости ФЦА на основе метода обобщенной фильтрации Калмана (ОФК)

На рис. 1 показана упрощенная структурно-функциональная схема АИР СМН, сформированная с учетом вышеуказанных наработок

Рисунок 1 - Упрощенная структурно-функциональная схема АИР СМН

DOI:10.60797/IRJ.2025.152.60.1

На рис. 1 показан только один радиолокационный (РЛ) измерительно-вычислительный канал, обеспечивающий измерение дальности ФЦА до земли R(k) и радиальной скорости ФЦА VR(k) при заданном k-ом направлении ГЛ. При работе АИР СМН в полете сохраняются все традиционные режимы СМН: автономный инерциальный и инерциально-спутниковый. Кроме того, реализуются инерциально-РЛ (ИРЛ), инерциально-РЛ-спутниковый (ИРЛС) и РЛ-спутниковый режимы функционирования СМН. Последний из этих режимов реализуется как технологический режим калибровки/угловой юстировки РЛ каналов в полете, возможный только при одновременном функционирования спутникового и РЛ каналов, при признаках достоверности данных ГНСС по скорости, которые принимаются как «квазиэталонные» и с использованием которых оцениваются и учитываются систематические погрешности РЛ каналов. Этот технологический режим АИР СМН в данной работе не рассматривается.

Аналогично, при одновременной информационной «избыточности» по скорости ФЦА, обеспечиваемой ГНСС- и РЛ-каналами, реализуется функциональный режим ИРЛС. При этом формируются традиционные инерциально-спутниковые наблюдения как разность проекций скорости ФЦА в осях сопровождающего трехгранника oENH геодезической системы координат, определяемых в инерциальном и спутниковом каналах:

(1)

(1) где Т – транспонирование;  и  – соответственно проекции траекторной скорости ФЦА в инерциальном и спутниковом каналах.

Одновременно и аналогично формируются и РЛ-инерциальные наблюдения вида 

(2)

где  – проекции траекторной скорости ФЦА, вычисленные на основе координатных преобразований нескольких РЛ-измерений радиальной скорости VR(k) (k≥3) при разных направлениях оси ГЛ, т. е. при реализации k каналов РЛ измерений.

В общем случае, задача коррекции инерциального канала СМН сводится к нахождению оптимальной – в смысле минимума дисперсии – несмещенной состоятельной оценки вектора состояния ошибок Xi инерциального канала и к компенсации этих ошибок. Решение задачи находится из следующих уравнений ОФК

(3)

(4)

(5)

(6)

где Рi/k – ковариационная матрица размерности n×n погрешностей оценки вектора состояния; - оценка вектора состояния Xi размерности n на i-ом шаге по наблюдению Zk на k-ом шаге; Hi – матрица связи вектора состояния с вектором наблюдения размерности l×n; l – размерность вектора наблюдения; Ri – ковариационная матрица погрешностей измерений; Фi = Ф(ti, ti-1) – переходная матрица для вектора состояния ошибок инерциального канала; Гi = Г (ti, ti-1) – переходная матрица для интенсивностей шумов Qi-1/i-1 инерциального канала. 

Для l статистически независимых компонент zj, j = 1,..,l вектора наблюдения Zi оптимальная скорректированная оценка вектора состояния может находиться из следующих уравнений последовательной модификации ОФК

(7)

(8)

(9)

где Mj – ковариационная матрица погрешностей оценки mj вектора Xi по наблюдению zj; Rj – дисперсия погрешностей ϑj j-го внешнего (по отношению к инерциальному) канала измерения; Hj – вектор-строка коэффициентов связи наблюдения zj с вектором состояния Xi.

Отметим, что РЛ и спутниковые измерения скорости не являются коррелированными, а при обработке группы взаимно коррелированных компонент вектора наблюдения они могут быть приведены к последовательности некоррелированных путем выполнения следующих преобразований

где Е – единичная матрица; Ri – ковариационная матрица взаимнокоррелированных шумов наблюдений.

В рассматриваемом режиме ИРЛС реализуется экстраполяция вида (3), (4) и последовательная коррекция вида (5) – (9), причем первые три компоненты (j = 1, 2, 3) соответствуют вектору (2) инерциально-РЛ наблюдения, а следующие компоненты (j = 4, 5, 6) – вектору (1) инерциально-спутникового РЛ наблюдения. Отметим, что по потенциальной точности РЛ измерения значительно уступают спутниковым. Однако при РЛ коррекции (j = 1, 2, 3) значительно снижается дисперсия погрешностей оценивания и при последующей спутниковой коррекции (j = 4, 5, 6) сокращается переходный процесс (увеличивается темп сходимости ОФК) и возрастает точность оценок вектора состояния.

При отсутствии информации от ГНСС в условиях организованных радиопомех режим ИРЛС «вырождается» в инерциально-радиолокационный режим. Для варианта обработки наблюдения вида (2) при последовательной модификации ОФК

При отсутствии достоверной информации от ГНСС каналы РЛ измерений остаются единственным корректором в СМН и, в сравнении с ИРЛС, в ИРЛ режиме к этим корректирующим РЛ каналам предъявляются более высокие требования по точности.

Следует отметить, что при определении проекция траекторной скорости :

• используются измерения/оценки радиальной скорости VR(k) (при k=3 или k=4), полученные при последовательной переориентации ГЛ, а временной интервал между моментами начала излучения для двух разных направлений ГЛ будет, как минимум, равен длительности излучаемой пачки импульсов при КНИ, т. е. РЛ измерения не синхронны, а время от момента излучения первой пачки до момента определения проекций траекторной скорости ФЦА (время запаздывания) при 3…4 пачках импульсов обычно составляет ≈ 0,3…0,8 с;

• выполняются координатные преобразования с использованием измеряемых в инерциальном канале СМН углов рысканья (курса), крена и тангажа, т. е. в наблюдении вида (2) РЛ и инерциальные измерения являются коррелированными.

Очевидно, что эти обстоятельства нарушают корректность традиционной постановки задачи ОФК и могут приводить к снижению точности оценок, а ряде случаев и к практической расходимости процесса калмановской фильтрации

С другой стороны, частота съема инерциальных измерений составляет сотни Гц и не составляет затруднений их синхронизация с относительно редкими РЛ измерениями, т. е. для момента излучения пачки импульсов для каждого k-го РЛ канала измерения радиальной скорости ФЦА можно сформировать разностное скалярное наблюдение вида

(10)

где  – радиальная проекция траекторной скорости ФЦА, пересчитанная по измерениям инерциального канала на то же направление к поверхности земли, для которого проводилось измерение радиальной скорости  в k-ом РЛ канале.

Очевидно, что скалярное наблюдение (10) уже не содержит асинхронных инерциальных и РЛ измерений и эти измерения, не вносящие фазовых искажений, к тому же не являются взаимнокоррелированными. После прогноза (3), (4) осуществляется коррекция по аналогии с выражениями (7), (8) в последовательной модификации ОФК при j=1.

Таким образом, комплексную обработку информации в ИРЛ режиме целесообразно осуществлять на основе ОФК для скалярного наблюдения, формируемого в виде разности значений измеренной в РЛ канале и вычисленной (по инерциальным измерениям) радиальной составляющей скорости ФЦА. В целом, такая фильтрация последовательно реализуется применительно ко всем используемым в одном сеансе измерений РЛ каналам. Важно отметить, что наблюдения вида (2) возможно только в том случае, когда состоялись успешные измерения не менее, чем по трем задействованным РЛ каналам, т. е. когда возможен расчет проекций траекторной скорости ФЦА в сопровождающем трехграннике геодезической системы координат. При наблюдениях вида (9) сеанс ОФК состоится даже только при одном РЛ измерении и при «срывах» измерений во всех других РЛ каналах.

Разработанная архитектура и варианты исполнения автономной инерциально-радиотехнической СМН многофункционального авиационного радара предполагают возможность решения в СМН задач традиционной навигации/ориентации носителя и микронавигации ФЦА/ориентации главного луча радара, в т. ч. и в условиях организованных радиопомех ГНСС, используя реализуемые в радаре каналы РЛ измерения траекторных параметров ФЦА. Предложенные нетрадиционная схема комплексирования и циклограмма процедур комплексной обработки РЛ-инерциальной информации позволяют исключить причины снижения точности и расходимости калмановской фильтрации, связанные с фазовыми искажениями (асинхронностью, запаздыванием) и коррелированностью измерений, а также повысить устойчивость процесса РЛ коррекции при возможных срывах измерений в отдельных РЛ каналах. Проблема повышения потенциальной точности микронавигационных РЛ измерений и устойчивости измерительного процесса (минимизации срывов измерений) на данный момент сохраняет актуальность, как и проблема повышения помехоустойчивости инерциально-РЛ режима при наличии аномальных погрешностей («выбросов»), характерных для радиотехнических измерений.