Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Браун Ігор Михайлович

УДК 656.7.052:551.508.85(043.3)

ПОЛЯРИМЕТРИЧНЕ ВИЯВЛЕННЯ ГРАДОВИХ ЗОН ДЛЯ БЕЗПЕЧНОЇ НАВІГАЦІЇ ПОВІТРЯНИХ КОРАБЛІВ

05.22.13 - Навігація та управління повітряним рухом

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Національному авіаційному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор, лауреат Державної премії України в галузі науки і техніки Яновський Фелікс Йосипович, професор кафедри аеронавігаційних систем Національного авіаційного університету

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник, Сундучков Костянтин Станіславович, заступник директора з наукової роботи Державного підприємства "Укркосмос" Національного космічного агентства

кандидат технічних наук, Колотуша Володимир Петрович, заступник начальника відділу державного підприємства Украерорух.

Провідна установа: Центральний науково-дослідний інститут навігації і управління Міністерства промислової політики України, м. Київ

Захист відбудеться " 25 " жовтня 2006 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.03 при Національному авіаційному університеті за адресою: 03058, м. Київ, проспект Космонавта Комарова, 1.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці університету.

Автореферат розісланий "__22__"__вересня__ 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук, доцент С.В. Павлова

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

У зв'язку з упровадженням нових концепцій управління повітряним рухом (УПР) CNS/ATM і літаководіння "Free Flight" вимоги до функціональних можливостей метеонавігаційних радіолокаційних станцій (МНРЛС) значно підвищуються. Документ ARINC-708A визначає режим виявлення зсуву вітру як обов'язковий, і рекомендує введення режиму виявлення граду, однак, у даний час на літаках відсутні надійні засоби попередження екіпажа про наявність граду по трасі польоту. Питома вага авіаційних подій, обумовлених попаданням повітряних кораблів (ПК) у зони небезпечних метеорологічних явищ (НМЯ), складає в середньому 30%. Найбільш важкою формою авіаційних подій є катастрофи через відмови технічних систем, помилкових дій екіпажу і впливів несприятливих зовнішніх умов. Більшість помилок пілоти роблять у складних метеорологічних умовах (СМУ). СМУ впливають також і на надійність технічних систем, але найбільш очевидним є безпосередній істотний вплив НМЯ на ПК в польоті. При польотах у зонах купчасто-дощових хмар спостерігаються сильна турбулентність, блискавки, інтенсивні опади, град, обледеніння.

Актуальність теми. Одним з НМЯ є град. Відомі синоптичні методи прогнозу граду спрямовані, в основному, на передбачення випадіння граду на землю. Суттєво, що градові зони на висотах далеко не завжди приводять до градобоїв на землі через танення градин під час падіння. Зустріч літака з градовою зоною, як правило, приводить до механічних ушкоджень фюзеляжу, а іноді кінчається катастрофою. Тому задача виявлення зон градової небезпеки (ЗГН) у польоті по трасі є дуже важливою.

Бортовий радіолокатор є єдиним засобом оперативного спостереження за метеорологічною обстановкою з борту. Вітчизняні бортові МНРЛС, такі як "Гроза М", "МНРЛС-85", "Буран", і більшість зарубіжних МНРЛС фірм Honeywell, King Radio Corporation, Collins, AlliedSignal не дозволяють виділяти ЗГН, що знижує рівень безпеки польотів. Це пов'язано з тим, що досі не розроблені методи виявлення ЗГН, придатні для втілення в МНРЛС. Наземні метеорологічні радіолокатори також не забезпечують достатньої надійності і оперативності при виявленні ЗГН в районі виконання польотів, в той час, коли вимоги до вірогідності і якості забезпечення метеорологічною інформацією як екіпажів, так і служб УПР істотно зросли у зв'язку з прийняттям ICAO і поступовим упровадженням нової системи УПР Air Traffic Management (ATM) замість старої системи Air Traffic Control (ATC). Із системою ATM тісно пов'язана концепція "Free Flight", відповідно до якої пілот одержує набагато більше свободи у виборі траєкторій польоту. Для реалізації концепції "Free Flight" екіпаж потребує детальнішої і достовірної інформації про можливі небезпеки на трасі, а також рекомендацій щодо уникнення цих небезпек. Тому для прийняття обґрунтованих рішень при виборі траєкторій польоту і здійснення маневрів разом з розвитком бортових систем попередження зіткнень і небезпечного наближення до землі необхідне розширення функціональних можливостей МНРЛС як датчика метеорологічної інформації і підвищення вірогідності оперативних даних про НМЯ. У цьому контексті розвиток режиму виявлення ЗГН і визначення їхнього місцезнаходження є задачею першорядної важливості.

З іншого боку, нові можливості теорії і техніки радіолокації, цифрової мікроелектроніки, сучасні апаратні і програмні засоби відкривають можливості удосконалювання засобів інформаційного забезпечення безпеки польоту в СМУ, розробки нових методів і реалізації пропозицій, що висловлювалися раніше, але здавалися занадто складними для практичного здійснення. Таким чином, підвищення якості навігації у СМУ пов'язано як з розробкою нових МНРЛС, що забезпечують більш високий рівень надійності локалізації зон НМЯ, так і з модернізацією тієї техніки, що вже знаходиться на експлуатації. Ключову роль при цьому мають науково обґрунтовані вихідні вимоги на нову апаратуру спостереження. Істотний прогрес інформаційного забезпечення безпеки і регулярності польотів може бути досягнутий при впровадженні нових методів зондування, алгоритмів обробки сигналів, засобів оцінки інформативних параметрів (ІП) і способів розпізнавання НМЯ. Тому актуальною задачею є дослідження і розробка перспективних методів виявлення ЗГН, а також обґрунтоване і своєчасне доведення нових перспективних можливостей до відома замовників і розробників бортової авіоніки.

Особливості підходу до дослідження в цій роботі. Установлення кількісних зв'язків між характеристиками відбитих сигналів і станом досліджуваного об'єкта - одна з складних проблем дистанційного зондування. Для того щоб визначити ці зв'язки в прямому експерименті об'єкт має бути доступний для керування, що у більшості випадків пов'язано з нездоланними труднощами. Як правило, така ситуація виникає при зондуванні хмар і опадів. Важливі практичні результати можуть бути отримані, якщо поєднати аналіз експериментальних даних з математичним і імітаційним моделюванням. Ця особливість підходу до дослідження використана в роботі.

Зв'язок з державними програмами. Тема роботи відповідає Державним програмам України по створенню галузі метеорологічного приладобудування і розвитку авіаційного транспорту, а також держбюджетним і госпдоговірним НДР 552-ГБ-95, 610-ГБ-96, 882-Х-98, що виконувалися в НАУ за участю автора.

Мета і завдання дослідження. Мета роботи полягає в дослідженні, обґрунтуванні і розробці методів і алгоритмів для виявлення ЗГН, придатних для реалізації в перспективних бортових МНРЛС.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

Розробити і дослідити моделі радіолокаційних сигналів від ЗГН і визначити ознаки ЗГН, які були б придатні для використання на борту ПК.

Виконати аналіз і обробку експериментальних даних дистанційного зондування градових і зливових хмар із метою знаходження їхніх відмінних ознак.

Розробити алгоритми зондування й обробки сигналів для отримання інформації про наявність або відсутність граду в досліджуваному об'ємі метеорологічного об'єкта.

Розробити методику оцінки вірогідності алгоритмів виявлення ЗГН і провести оцінку вірогідності запропонованого методу.

Проаналізувати можливості застосування поляриметричного методу виявлення ЗГН у бортових радіолокаторах і дати рекомендації з його практичної реалізації та застосування при виконанні польотів.

Об'єктом дослідження є дистанційне одержання метеорологічної інформації для забезпечення УПР.

Предметом дослідження є поляриметричний метод виявлення небезпечних для авіації явищ, пов'язаних із градом.

Методи дослідження. При розв'язанні задач використані методи теорії сигналів, теорії імовірності, математичної статистики, математичного моделювання, сучасних комп'ютерних технологій.

Наукова новизна роботи полягає в тому, що в ній:

1. Теоретично досліджені поляриметричні характеристики градових зон, виконане зіставлення з результатами експериментальних досліджень і обґрунтовані відмінні ознаки ситуацій з наявністю і відсутністю граду небезпечного для навігації ПК.

2. На підставі отриманих даних розроблені нові евристичний і параметричний алгоритми виявлення градових зон на трасі польоту ПК.

3. Розроблено новий підхід до непараметричного виявлення градових зон на основі проекційних оцінок щільностей розподілу імовірностей (ЩРІ) поляризаційних ІП із застосуванням потенційних функцій.

4. Розроблено імітаційні моделі процесів виявлення градових зон і досліджена вірогідність виявлення граду при використанні запропонованих алгоритмів.

Практична значимість роботи полягає в тому, що отримані результати дозволяють:

1. Реалізувати режим виявлення ЗГН в бортових метеонавігаційних радіолокаторах з метою підвищення безпеки польоту по маршруту і маневрування.

2. Дати рекомендації по формулюванню науково обґрунтованих вимог до бортових і наземних метеорологічних радіолокаторів у частині виявлення градових зон у хмарах і опадах.

3. Оцінювати вірогідність виявлення зон граду при польотах ПК у складних метеорологічних умовах.

4. На стадії попереднього дослідження замінити натурний експеримент комп'ютерним моделюванням і заощадити значні засоби шляхом зниження витрат на НДР і ДКР.

Результати роботи використані в НДР 552-ГБ-95, 610-ГБ-96, 882-Х-98, застосовуються в НДІ "Буран" при виконанні ДКР і у навчальному процесі НАУ.

Особистий внесок здобувача. Результати, які становлять основний зміст роботи, отримані автором самостійно. В роботі [2] виконаний аналіз експериментів та зіставлення з моделями, [3] - порівняльний аналіз параметричного і непараметричного алгоритмів виявлення ЗГН, [4] - огляд та аналіз адаптивних алгоритмів виявлення ЗГН, [5] - обробка даних дослідження купчасто-дощових хмар двохполяризаційним радіолокатором, [6] - дослідження методу непараметричного виявлення граду на тлі дощу, побудова ЩРІ за допомогою гаусових ядерних функцій і моделювання процедури прийняття рішень, [7] - розробка алгоритму виявлення неоднорідних ділянок у полі хмарності, які асоціюються з небезпечними зонами у районі виконання польотів, [8] - розробка моделей зворотного розсіяння на сукупності крапель і градин, моделювання та аналіз результатів, [9] - аналіз даних дистанційного зондування опадів з градовими зонами, отриманих за допомогою локаторів різних діапазонів в різних регіонах та виділення ІП сигналів для застосування при навігації ПК, [10] - комп'ютерне моделювання розсіяння на сукупності градин в діапазоні МНРЛС, виявлення відмінностей розсіяння на дощі з градом і без граду, [11] - розробка та реалізація моделей зв'язку сигналів поляриметричного зондування з ЗГН.

Апробація результатів роботи. Основні положення роботи доповідалися на Міжнародних НТК „АВІА 2001" та „АВІА 2002" у Києві, „MIKON-2002" у Гданську (Польща), Міжнародному симпозіумі "IGARSS 2002" в Торонто (Канада), Міжнародному семінарі "СибПол 2004" в Сургуті (Росія), 2-му Всесвітньому конгресі "Safety in Aviation" на міжнародному семінарі "MRRS-2005" в Києві, а також на науково-технічному семінарі кафедри аеронавігаційних систем НАУ у 2001, 2002, 2003 та 2004 роках.

Публікації. По темі роботи опубліковано 12 наукових праць: 3 статті у виданнях, що входять у перелік ВАК України, 9 статей у міжнародних виданнях і 3 звіти з НДР.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатку. Загальний обсяг роботи становить 185 сторінок, включаючи 103 рисунки, 5 таблиць і список використаних джерел з 98 найменувань на 11 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито сутність і стан наукової проблеми, обґрунтовано важливість і актуальність теми досліджень, сформульовані мета та завдання роботи, визначено об'єкт та предмет дослідження, методологічна основа досліджень. Наведені основні наукові результати, їхня новизна та практична цінність, зв'язок роботи з науковими програмами і темами, а також відомості про публікації, апробацію та структуру роботи.

У першому розділі зроблено огляд, який показав, що град суттєво впливає на безпеку польотів і в умовах реалізації сучасних концепцій літаководіння і УПР існує гостра необхідність дистанційного виявлення ЗГН як наземними засобами в районі аеродрому, так і оперативними засобами з борту літака. Аналіз фізичних і статистичних характеристик ЗГН показав, що вони мають низку характерних особливостей, які дозволяють виділити ЗГН на тлі інших атмосферних утворень. Аналіз можливостей виявлення граду штатною МНРЛС показав недостатню її ефективність, оскільки вона вимірює тільки одну величину - радіолокаційну відбиваність (РВ) Z. Поляриметричні методи є чутливими до форми, структури та орієнтації розсіювачів сигналу і мають потенціал ідентифікувати тип гідрометеорів. У цьому розділі постановлена бінарна багатопараметрична задача локалізації ЗГН і визначені шляхи дослідження.

У другому розділі розроблені математичні моделі радіолокаційного поляриметричного зондування метеорологічних утворень, які дозволяють теоретично дослідити зв'язки диференціальної відбиваності (ДВ) та лінійного деполяризаційного відношення (ЛДВ) із статистичними характеристиками орієнтації розсіювачів в просторі (в горизонтальній і вертикальній площинах), напрямом зондування, характеристиками форми и діелектричної проникності розсіювачів, параметрами радіолокатора и характеристиками випромінюваних коливань.

На основі розроблених моделей виконані розрахунки поляризаційних параметрів спочатку одиночних крапель і градин, а потім розсіювання на сукупності гідрометеорів. Наведені розраховані залежності ДВ та ЛДВ сфероїдних крапель від кута нахилу малої осі у вертикальній площині для трьох значень еквівалентного діаметра крапель, аналогічні залежності для градин.

Розроблені моделі відрізняються від відомих більшою повнотою і незалежністю вихідних характеристик. Вони дозволяють робити обчислення для довільних кутів зондування, різних розподілів кутів орієнтації частинок і кутів нахилу антени. Інша відмінність полягає в тому, що розроблені моделі враховують особливості форми, орієнтації і розмірів градин і крапель, а також статистики цих параметрів для граду і дощу, у той час як відомі роботи обмежуються розрахунком ДВ і ЛДВ при різних факторах форми водяних і льодяних сфероїдів.

Щодо застосування у бортовому радіолокаторі, важливою є закладена можливість проведення досліджень на моделях при горизонтальному зондуванні і при скануванні у вертикальній площині.

У третьому розділі виконано аналіз експериментальних даних і порівняння з теоретичними моделями, у результаті чого сформована сукупність апріорних даних, необхідних для синтезу алгоритмів обробки радіолокаційних сигналів. Основними джерелами експериментальних даних були:

- дослідження хмар і опадів (1996-2001 рр.) в Нідерландах у Міжнародному дослідницькому центрі радіолокації (IRCTR) при Делфтському технологічному університеті (TU-Delf) за допомогою поляриметричних радіолокаторів DARR и TARA (=9,05 см) у рамках договору про співробітництво між НАУ и TU-Delf;

- поляризаційні вимірювання в купчасто-дощових хмарах (1989-1991 рр.) радіолокаційним поляриметром (=3,2 см), надані Молдавською службою з активного впливу на гідрометеорологічні процеси;

- результати вимірювань Центральної аерологічної обсерваторії (ЦАО), Росія, отримані за допомогою бортового поляриметричного радіолокатора, розробленого спільно фахівцями ЦАО, НАУ і Київського НДІ "Буран";

- дані вимірювань когерентно-імпульсного поляриметричного радіолокатора S-Pol, отримані у Флориді і Колорадо (США) у 1998 і 2000 рр.

Методика обробки даних була спрямована на вирішення наступних задач:

- перевірка адекватності математичних моделей і підходу до розрахунку поляризаційних характеристик сигналів, відбитих від гідрометеорологічних об'єктів, що були розроблені в розділі 2;

- одержання даних про розподіли поляриметричних ІП у різних ситуаціях;

- встановлення кількісних відмінностей характерних значень поляризаційних ІП у ситуаціях із градом і без граду, які можуть бути використані в якості апріорної інформації для синтезу алгоритмів локалізації ЗГН.

Крапками позначені результати оцінок ДВ безпосередньо за даними радіолокаційного зондування суцільного дощу із середньою інтенсивністю 2,15 мм/год при різних кутах нахилу антени =10; 15; 30; 45; 90 градусів. При зміні кута нахилу вибиралися елементи дальності, що знаходяться на тій же висоті. Результати розрахунку в залежності від кута нахилу антени , виконані при =1,05 мм (відповідає інтенсивності дощу 2,15 мм/год), представлені кривою на тому ж графіку.

Збіг розрахункових і експериментальних величин свідчить про адекватність розробленої моделі. Моделі розподілів РВ и ЛДВ для дощу без граду і граду (можливо з дощем), побудовані за даними експерименту. З графіків видно, що параметр забезпечує кращий поділ градових і не градових ситуацій у порівнянні з параметром РВ .

Представлено результати оцінок двовимірних розподілів ІП, оцінених методом потенційних функцій з гауссовими ядрами по одному перетину дощу. Аналогічні результати для об'єкта з градом представлені на рис. 7 і 8 (осереднення по 256 імпульсам). Діаметр окремих градин досягав 1,5 - 2 см.

Застосування проекційних оцінок з гауссовими ядрами забезпечує одержання плавних оцінок ЩРІ поляризаційних характеристик навіть по малих вибірках.

Результати обробки даних показали, що РВ, оцінена по коротких вибірках, узятих з одного вертикального перетину, для градових хмар лежить у районі 48ч65 дБZ, у той час як для дощових - у діапазоні 25ч60 дБZ. Значення ДВ для градових хмар близькі до нуля, а для дощу - в основному, позитивні і досягають 4 дБ. Величини ЛДВ для граду (-20ч-5 дБ) у середньому перевищують значення, характерні для дощу (-27ч-15 дБ). Оцінки, отримані методом потенційних функцій, можуть бути використані для побудови робастних, непараметричних і адаптивних алгоритмів виявлення граду.

Результати експериментальних досліджень підтвердили, що характеристики зворотного розсіяння відрізняються для горизонтально і вертикально поляризованих зондувальних імпульсів. Параметр ДВ, що описує відношення відбиваностей, виміряних на горизонтальній и вертикальній поляризаціях , за даними вимірів не виходить з діапазону ?2 ч 5 дБ. При близькому до горизонтального зондуванні спостереження величин ДВ, що значно перевищують 0 дБ свідчить про переважну присутність сплюснених гідрометеорів (>). Переважна наявність сферичних гідрометеорів обумовлює близькі до нуля величини ДВ, а негативні виміряні величини ДВ свідчать про відбивання від витягнутих гідрометеорів. Дощові краплі мають тенденцію падати в сплюсненому стані. Тому ДВ, виміряна в заповненому краплями об'ємі, відчутно вища нуля, що підтверджується результатами вимірів. З іншого боку, практично ізотропна переважна орієнтація падаючих градин обумовлює, що виміряні значення ДВ у граді виявляються близькими до нуля.

Треба відмітити, що ДВ є зваженою на РВ величиною. Отже, ДО, що виміряна в об'єкті із суміші різного типу гідрометеорів, виявляється зміщеною у бік форми тих гідрометеорів, що характеризуються більшою РВ. Додавання хоча б невеликої кількості гідрометеорів великого розміру в об'єм, що відбиває, різко збільшує РВ. Тому в суміші дощу і граду виміряна повинна бути ближче до значення, яке було б у випадку граду. Ця особливість утрудняє поділ між градом і сумішшю при використанні лише пари параметрів і .

Істотні відмінності при радіолокації граду і дощу забезпечує параметр ЛДВ . Результати експерименту показують навіть більші відмінності в значеннях між об'єктами з градом і без граду, ніж результати розрахунків. Об'єкти з градом характеризуються, як правило, більшими значеннями , ніж дощ через неправильність форми і хаотичної орієнтації. Це забезпечує переваги як ІП. Наявність великого граду супроводжується дуже високими значеннями РВ, близькими до нуля або негативними значеннями ДВ. В табл. 1, яку складено на основі виконаного аналізу даних з урахуванням результатів розрахунку і моделювання, приведені характерні величини п'яти основних поляризаційних параметрів, що можуть забезпечити ефективне використання поляриметричного радіолокатора для класифікації за типами гідрометеорів. В двох останніх колонках таблиці наведені коефіцієнт взаємної кореляції на ортогональних поляризаціях при нульовому зсуві і питома диференціальна фаза (ПДФ).

Поляриметричні вимірювані змінні можуть бути використані разом із РВ для розпізнавання типу гідрометеорів.

Таблиця 1. Величини поляриметричних ІП для гідрометеорів різного типу

Тип гідрометеорів	РВ , дБZ (,),	ДВ ,дБ	ЛДВ ,дБ	Коеф. кор.	ПДФ , град/км
Дощ	25 … 60	0,5 … 4,2	-35 … -15	0,97 … 1	0 … 10
Град	48 … 70	-2 … 0,5	-20 … -5	0,95 … 1	-1,5 … 1,5
Суміш	48 … 70	-1,2 … 1,2	-21 … -8	0,87 … 1	0 … 10

У четвертому розділі розроблені три алгоритми виявлення градових зон: евристичний, параметричний та непараметричний, а також розроблені моделі для оцінки вірогідностей виявлення ЗГН шляхом імітаційного моделювання і використання даних експерименту.

Евристичний алгоритм побудовано на основі вимірювання двох параметрів: РВ та ЛДВ. Він включає чотири порогові процедури і на виході дає одне з трьох рішень: наявність ЗГН; відсутність ЗГН; недостовірна інформація. Цей спосіб локалізації ЗГН відрізняється високою оперативністю і не вимагає значних додаткових апаратних витрат за винятком антени з керованою поляризацією.

Параметричний алгоритм розроблено за класичною схемою оптимального синтезу. У якості апріорної інформації використовуються статистичні характеристики ІП, що отримані при обробці експериментальних даних, і на основі вимірювання вектора ІП перевіряється гіпотеза про наявність ЗГН. У якості дискримінантної функції використовується логарифм відношення правдоподібності

,

де - двовимірний розподіл інформативних параметрів , ; індекс hail означає град, а індекс rain - зливу (дощ). Показані ЩРІ для двох ІП (; ) з такими параметрами:

1) для граду: x_H =-8,14; =4,02; y_г = 4,84; =0,62; = 0,33;

2) для зливи: x_R =-16,74; =2,24; y_R = 3,64; =0,59; = 0,20.

Алгоритм виявлення ЗГН зводиться до обчислення значення функції та іспиту її на поріг :

.

Поріг визначається відповідно до критерію якості виявлення, виходячи з заданих ймовірностей вірного виявлення і хибної тривоги. Наведені величини дискримінантної функції в залежності від значень одного з параметрів при фіксованих значеннях іншого.

Горизонтальною лінією умовно позначено граничний рівень , який показує, що при досить великих значеннях одного з параметрів приймається рішення про наявність граду незалежно від значень іншого.

Непараметричний метод дає можливість виявлення ЗГН без попередніх припущень щодо статистичних моделей. Сутність методу полягає в тому, що за результатами вимірювань робиться оцінка багатомірної ЩРІ ІП радіолокаційних відбитків для усього метеоутворення і для локальної зони, що потенційно може містити град, тобто, цей алгоритм розглядає ЗГН як неоднорідність на тлі іншої "однорідної" частини метеорологічного об'єкта. Алгоритм являє собою двоступінчасту процедуру, що виконується над тестовою статистикою: спочатку тестова статистика піддається деякому попередньому функціональному перетворенню, а потім реалізується процедура прийняття рішення про наявність ЗГН. Процедура виявлення ЗГН як областей неоднорідностей базується на перевірці гіпотези про функції ЩРІ ІП сигналу, відбитого від метеорологічного об'єкта, на основі критерію Неймана-Пірсона. Вхідною інформацією є вибірка двовимірних незалежних випадкових змінних .

Функціональні перетворення, яким попередньо піддається вибірка ІП необхідні для забезпечення властивості подібності процедури виявлення. Ця властивість забезпечує стабільність імовірності помилки першого роду (хибна тривога). У якості цих функціональних перетворень використовуються оцінки інтегральної й умовної інтегральної функцій розподілу, що отримані в результаті аналізу відбитих сигналів від областей без граду. У цьому випадку, розподіл перетвореної статистики

,

прямує до рівномірного розподілу при збільшенні обсягу вибірки.

Таким чином, перевірка гіпотези про наявність ЗГН зводиться до перевірки гіпотези про однорідність розподілу перетвореної статистики , а відношення правдоподібності - до функції правдоподібності статистики . Функцію правдоподібності заміняє її оцінка, отримана за допомогою методу потенційних функцій із застосуванням ядер типу

,

де , а - об'єм вибірки перевірочної статистики, отриманої по відбитому сигналу від об'єктів, що містять ЗГН. Остаточна формула вирішального правила, що дозволяє виявити град, має вигляд

.

Сталість порогу С прийняття рішення, що забезпечує стабільну імовірність хибної тривоги, забезпечується рівномірним розподілом статистики для відповідної гіпотези (немає граду). Поля випадкових виміряних змінних до перетворення і після перетворення , де кожна крапка відповідає одному вимірові РВ і ЛДВ. Ці поля наочно демонструють уніформізацію ІП при відбитті від дощу.

Подібної уніформізації не спостерігається, якщо піддати тому ж функціональному перетворенню аналогічні ІП, отримані при відбитті від ЗГН, де представлені двовимірна ЩРІ перетвореної виміряної змінної для конкретної градової хмари і відповідне поле результатів оцінки тих же параметрів.

Запропонований метод виявлення ЗГН на відміну від параметричних методів не вимагає знання виду ЩРІ ІП радіолокаційних відбитків і робить оцінку параметрів реального сигналу, що забезпечує стабільність виявлення областей граду незалежно від конкретної метеорологічної ситуації.

Статистичне моделювання алгоритмів виявлення граду методом "Монте-Карло" дозволило оцінити імовірності правильного виявлення і хибної тривоги при різних співвідношеннях сигнал-завада (q). Наведені порівняльні робочі характеристики параметричного і непараметричного виявлення при різних q.

Параметричний алгоритм забезпечує найвищу вірогідність виявлення ЗГН, якщо реальні ЩРІ відповідають прийнятій моделі. Вірогідність виявлення непараметричним алгоритмом підвищується при збільшенні параметра , однак на практиці навряд чи можна знайти ІП, для яких перевищить величину 0,5.

В п'ятому розділі шляхом практичної реалізації елементів і розробки прототипу системи доведена можливість втілення наукових результатів роботи. Дані рекомендації з практичної реалізації метода поляриметричного виявлення граду бортовими МНРЛС, наведена функціональна схема виявлення граду по трасі польоту, а також розглянуті перспективи застосування методів виявлення граду при здійсненні польотів у СМУ. Наведена схема побудови антени з керованою поляризацією, що забезпечує вимірювання матриці розсіяння в лінійному базисі в складі одноканальної МНРЛС за квазідвоканальною схемою. Необхідна ідентичність діаграми антени в основних площинах забезпечується за рахунок застосування модернізованого опромінювача з додатковим контррефлектором.

Наведені приклади використання антени з керованою поляризацією в бортовій МНРЛС розкривають її основні достоїнства, а саме: відсутність похибок, пов'язаних з неідентичністю каналів, що характерно для двоканальних поляриметрів, простота конструкції і невисока вартість.

Матеріали роботи були передані у НДІ "Буран" для використання в ДКР з розробки бортових МНРЛС та наземних пересувних метеорологічних радіолокаторів.

ВИСНОВКИ

1. В умовах реалізації сучасних концепцій літаководіння та управління повітряним рухом CNS/ATM і "Free Flight" виникає гостра потреба дистанційного виявлення зон градової небезпеки як наземними засобами, так і оперативними радіолокаційними засобами з борту літака.

2. Аналіз фізичних і статистичних характеристик градин і градових осередків показує, що вони мають ряд характерних особливостей, що виділяють зони градової небезпеки на тлі інших видів атмосферних утворень. Відомі методи радіолокаційного виявлення граду були розроблені для застосування в метеорологічних радіолокаторах наземного базування і непридатні для використання на борту ПК. Розробка поляриметричного методу виявлення граду з борта ПК є найбільше перспективним підходом до проблеми локалізації зон градової небезпеки за допомогою МНРЛС.

3. Аналіз поляризаційних характеристик радіолокаційних сигналів показав, що найбільш визначальними параметрами, що можуть служити предикторами при виявленні зон градової небезпеки є лінійне деполяризаційне відношення, диференціальна відбиваність і радіолокаційна відбиваність хмари.

4. Розроблені математичні моделі радіолокаційного поляриметричного зондування гідрометеорологічних утворень дозволяють досліджувати зв'язки диференціальної відбиваності, лінійного деполяризаційного відношення зі статистичними характеристиками орієнтації розсіювачів у просторі, напрямком зондування, параметрами форми і діелектричної проникності розсіювачів і характеристиками радіолокатора. Запропоновані моделі відрізняються від відомих більшою повнотою і незалежністю вихідних характеристик, що дозволяє робити обчислення для довільних кутів зондування і різних розподілів кутів орієнтації частинок, установлюваних незалежно від кута нахилу антени. Розроблені моделі враховують особливості статистики параметрів розсіювачів для граду і дощу і дають можливість адекватного моделювання процесів поляриметричного виявлення зон градової небезпеки.

5. Експериментальні дослідження поляризаційних характеристик метеооб'єктів забезпечують надійну параметризацію моделей. Вони підтверджують, що високі позитивні значення диференціальної відбиваності Z_dR характеризують наявність великих крапель. Близькі до нуля або негативні значення Z_dR типові для твердих хаотично орієнтованих відбивачів. Зони великих позитивних значень Z_dR вище нульової ізотерми вказують на наявність висхідних потоків з виносом великих крапель у верхню частину хмари, а близькі до нуля або негативні значення Z_dR нижче нульової ізотерми припустимо обумовлені інтенсивними спадними потоками, що можуть містити град. Зони градової небезпеки характеризуються в середньому вищими значеннями радіолокаційної відбиваності і лінійного деполяризаційнного відношення.

6. Розроблено три алгоритми виявлення зон градової небезпеки бортовим поляризаційним радіолокатором: евристичний, параметричний та непараметричний. Параметричний алгоритм відрізняється найбільш повним використанням апріорної інформації і характеризується самою високою вірогідністю, але він є чутливим до прийнятих статистичних моделей.

Непараметричний алгоритм не вимагає попередньої інформації про статистичні характеристики інформативних параметрів відбитих сигналів. Він включає оцінку параметрів відбитого сигналу і забезпечує стабільність виявлення і сталу імовірність хибної тривоги. Ефективність алгоритмів досліджено за допомогою статистичного моделювання, яке показало, що потенційно поляризаційний спосіб у бортовій МНРЛС дозволяє локалізувати зони градової небезпеки при сумарній імовірності похибки, яка знаходиться в межах 0,1...0,01.

7. Розроблено прототипи основних структурних і функціональних схем бортового поляриметричного радіолокатора: антени з керованою поляризацією і вузла формування керуючих імпульсів, що показує можливість реалізації запропонованого способу локалізації зон градової небезпеки. Застосування способу доцільно як у МНРЛС нового покоління, так і при модернізації існуючих МНРЛС із параболічною антеною. Крім того, запропонований спосіб виявлення градових очагів може бути використаний у наземних метеорологічних радіолокаторах. Застосування нових методів виявлення граду в наземних системах метеорологічного спостереження підвищить ефективність систем УПР, безпеку і регулярність польотів. Застосування запропонованих методів в бортових системах спостереження підвищить рівень інформаційного забезпечення екіпажів ПК при прийнятті рішень щодо траєкторій польоту в складних метеорологічних умовах, що необхідно для втілення концепцій CNS/ATM і "Free Flight", підвищення рівня безпеки та економічності польотів.

градовий поляриметричний радіолокатор корабель

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Браун И.М. Поляризационные методы обнаружения градовых зон бортовыми метеонавигационными радиолокаторами на фоне дождя // Актуальні проблеми автоматизації та інформаційних технологій. - Д.: Вид-во Дніпропетровського університету, 2004. - Т. 8. - С. 3-13.

2. Браун І.М., Яновський Ф.Й. Аналіз даних експериментальних досліджень поляризаційних параметрів радіолокаторів для безпечної навігації в умовах граду // Вісник НАУ. - 2005. - №1. - С. 55-59.

3. Браун І.М., Синіцин Р.Б., Яновський Ф.Й. Оцінка достовірності та порівняння двох алгоритмів градової небезпеки з борту літака // Вісник НАУ. - 2005. - №2. - С. 93-97.

4. Sinitsyn R.B., Braun I.M., Yanovsky F. J. Nonparametric Detection of Inhomogeneous Areas in Clouds. Conference Proceeding 11^th Conference on Microwave Technique COMITE 2001, University of Pardubice, Czech Republic; 2001, pp. 77-81.

5. Yanovsky F.J., Sinitsyn R.B., Braun I. M. Recognition of hail areas with polarimetric radar by the Method of Potential Functions. IEEE International. Geosciences and Remote Sensing Symposium, IGARSS '02. Toronto, Canada, 2002, Vol. 5, pp. 2835 -2837.

6. Sinitsyn R.B., Braun I.M., Yanovsky F. J. The use of projection estimates for detecting inhomogeneous areas. XIV International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communications, MIKON 2002, Gdansk, Poland, 2002, Vol. 3, pp. 753-756.

7. Braun I.M., Sinitsyn R.B., Yanovsky F. J. Detection of inhomogeneous areas in the field of clouds, Forth International Conference on Science and Technology "AVIA - 2002", Kiev, 2002, Vol. 2, pp.21.117-21.120.

8. Браун И.М., Яновский Ф.И. Особенности характеристик обратного рассеяния электромагнитного излучения в дожде и граде // Аерокосмічні системи моніторингу та керування: Збірник праць 6-ї міжнародної науково-технічної конференції "АВІА-2004", - К.: НАУ, 2004. - Т.2 - С. 21.49-21.52.

9. Яновский Ф.И., Браун И.М. Экспериментальные исследования поляризационных характеристик облаков и осадков. Сибирский поляризационный семинар СибПол 2004. Доклады. Сургут, Россия, 2004.- С. 80-87.

10. Braun I.M., Yanovsky F. J. Models of scattering on hailstones in X-band // European Radar Conference EuRAD 2004, - RAI, Amsterdam, The Netherlands; 2004, pp.229-232.

11. Синицын Р.Б., Браун И.М., Яновский Ф.И. Непараметрическое обнаружение градовых зон метеонавигационными радиолокаторами на фоне дождя. - ІІІ Міжнародна науково-технічна конференція "АВІА 2001", - К.: НАУ, 2001. - Т.3 - С. 9.24-9.27.

12. Braun I.M. Development and investigation of hail detection algorithms. Second World Congress "Safety in Aviation" // International Workshop on Microwaves, Radar and Remote Sensing MRRS 2005, Kiev, Ukraine, 2005, pp.155-158.

АНОТАЦІЇ

Браун Ігор Михайлович. Поляриметричне виявлення градових зон для безпечної навігації повітряних кораблів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.13 - навігація та управління повітряним рухом. - Національний авіаційний університет, Київ, 2006.

Робота присвячена розробці та дослідженню нових поляризаційних методів виявлення градових зон в хмарах та опадах для безпечної навігації повітряних кораблів. Проведено аналіз методів і засобів отримання метеонавігаційної інформації та обґрунтовано необхідність застосування нових методів зондування з використанням поляризаційних параметрів; розроблено математичні моделі радіолокаційного поляриметричного зондування гідрометеоролічних утворень, що дозволяють досліджувати зв'язки поляризаційних параметрів із статистичними характеристиками розсіювачів та режимом зондування; адекватність моделей підтверджено експериментальними даними; запропоновано три алгоритми виявлення градових зон та оцінена достовірність виявлення шляхом імітаційного моделювання на основі експериментальних даних; розроблено структури ключових елементів бортового поляриметричного радіолокатора.

Практична цінність роботи полягає в розробці рекомендацій щодо застосування поляриметричних параметрів зондування метеорологічних об'єктів, які необхідні при формулюванні науково обґрунтованих вимог до нових бортових і наземних радіолокаторів при виявленні небезпечних для авіації явищ в хмарах і опадах для забезпечення навігації і УПР.

Ключові слова: безпека повітряного руху, аеронавігація, небезпечні метеорологічні явища, поляриметричні параметри, гідрометеор, град, математична модель, бортові системи спостереження.

Браун Игорь Михайлович. Поляриметрическое обнаружение градовых зон для безопасной навигации воздушных судов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.13 - навигация и управления воздушным движением. - Национальный авиационный университет, Киев, 2006.

Работа посвящена разработке и исследованию новых поляризационных методов обнаружения градовых зон в облаках и осадках для безопасной навигации воздушных судов. Проведен анализ методов и средств получения метеонавигационной информации и обоснована необходимость применения новых методов зондирования с использования поляризационных параметров; разработаны математические модели радиолокационного поляриметрического зондирования гидрометеорологических образований, которые позволяют исследовать связи поляризационных параметров с статистическими характеристиками рассеивателей и режимом зондирования; адекватность моделей подтверждена экспериментальными данными; предложены три алгоритма обнаружения градовых зон бортовым поляризационным радиолокатором и выполнена оценка достоверности обнаружения путем имитационного моделирования на основе экспериментальных данных; разработаны структуры ключевых элементов бортового поляриметрического радиолокатора.

Практическая ценность работы состоит в разработке рекомендаций по применению поляриметрических параметров зондирования метеорологических объектов, которые необходимы при формулировании научно обоснованных требований к новым бортовым и наземным радиолокаторам при обнаружении опасных для авиации явлений в облаках и осадках для навигации и УВД.

Ключевые слова: безопасность воздушного движения, аэронавигация, опасные метеорологические явления, поляриметрические параметры, гидрометеор, град, математическая модель, бортовые системы наблюдения.

Braun Igor. Polarimetric detection of hail areas for safe navigation of aircrafts.

Ph. D. dissertation, speciality 05.22.13 - navigation and air traffic control. - National Aviation University, Kiev, 2006.

The work develops and researches new polarization methods of hail zone detection in clouds and precipitation for safe air navigation. The analysis has been done, and necessity of new methods of sounding using polarimetric parameters has been proven; mathematical models of weather radar polarimetric sounding have been developed. The models allow to investigate relations between polarization parameters and statistical characteristics of scatterers & a mode of sounding. Adequacy of models has been confirmed by experimental data; three algorithms for hail zones detection were offered for airborne weather polarimetric radar. Reliability of detection is has been estimated statistical simulation on the basis of data; structures of some key elements of airborne polarimetric radar have been developed.

Practical significance of the results obtained consists in recommendations on application of polarimetric parameters at the sounding of weather objects that are necessary at formulation of scientifically proved requirements to new onboard and ground-based radars for detecting dangerous phenomena in clouds and precipitation for safe navigation and ATC.

Key words: safety of air traffic, air navigation, dangerous weather phenomena, polarimetric parameters, hydrometeor, hail, mathematical model, airborne surveillance systems.

Размещено на Allbest.ru

...