О перспективах использования некоторых современных достижений ионосферного радиозондирования при воссоздании ЗГ РЛС эшелона СПРН

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Система предупреждения о ракетном нападении (СПРН) -- система обнаружения запусков баллистических ракет (БР), вычисления их траектории и передачи на вышестоящие командные пункты (КП) информации, на основе которой фиксируется факт нападения на государство с применением ракетного оружия и принимается оперативное решение об ответных действиях. В настоящее время СПРН включает в себя два эшелона: наземный, состоящий из надгоризонтных (НГ) радиолокационных станций (РЛС); и космический, состоящий из орбитальной группировки оснащенных инфракрасными сенсорами спутников на высокоэллиптических и геостационарных орбитах [1, 2]. Ранее в состав СПРН входил также третий эшелон, представленный загоризонтными (ЗГ) РЛС декаметрового (ДКМ) диапазона, с предполагавшейся дальностью обнаружения до 10000 километров (дальность по поверхности Земли). Однако низкая точность ЗГ РЛС, поставленных в 1980-ые на опытную эксплуатацию, привели к отказу принятия РЛС данного типа в боевую эксплуатацию, и последующему закрытию работ по ЗГ РЛС СПРН на долгие годы.

После значительного перерыва, в настоящее время предпринимаются попытки создания ЗГ РЛС ДКМ диапазона (например, РЛС 29Б6 «Контейнер», или РЛС «Подсолнух») на новой технологической и научной основе, как правило, с иным кругом задач (обнаружение крупных надводных целей и т.п.).

Устранение или ослабление факторов, помешавших принятию ЗГ РЛС СПРН на вооружение в прошлом, возможно лишь посредством оперативной диагностики состояния ионосферы и адаптации к нему. Традиционно для диагностики среды распространения в интересах радиолокации используется возвратно-наклонное зондирование (ВНЗ) ионосферы. Примером актуальных работ в этом направлении могут быть [1, 3-5].

В то же время представляется целесообразным привлечение для решения указанных задач также и результатов наклонного зондирования ионосферы (НЗИ), в области которого за прошедшие годы достигнут значительный прогресс и получены новые результаты в областях оперативной диагностики и предсказания характеристик ионосферы и распространения радиоволн [6-16].

Целью работы является инициирование дискуссии о возможности использования современных наработок и достижений в НЗИ, при воссоздании ЗГ РЛС эшелона СПРН.

Некоторые современные методы оперативной диагностики ионосферы.

Вообще, методы исследования ионосферы делятся на дистанционные и контактные, при этом оперативную диагностику способны обеспечить только дистанционные. Из методов дистанционного зондирования в свете поставленных целей наибольший интерес представляют методы наземного радиозондирования. А из методов наземного радиозондирования, в свою очередь, наибольший интерес представляют вертикальное, наклонное, и возвратно-наклонное зондирование ионосферы (соответственно ВЗИ, НЗИ, ВНЗИ). Далее в работе речь пойдет, в основном, об НЗИ, однако подходы к автоматизации измерений и автоматической обработке их результатов применимы по большей части и в ВЗИ, и ВНЗИ. Итак, по данным дистанционного наземного радиозондирования ионосферы коротковолновыми (КВ) сигналами можно получить информацию о процессах в ионосферной плазме, о ее структуре и состоянии. Данные получаемые в ходе радиозондирования ионосферы также крайне важны для систем КВ связи и ЗГ радиолокации. Линейно-частотно модулированный (ЛЧМ) сигнал в роли зондирующего сигнала обладает рядом преимуществ перед сигналами других видов [6].

Основная идея НЗИ заключается в следующем [6]. При НЗИ передатчик излучает непрерывный ЛЧМ сигнал (как следствие частота линейно зависит от времени) во всем КВ диапазоне (на практике, обычно, в пределах 2-30 МГц). Сигнал распространяется в ионосферной радиолинии и поступает на вход приемника. В случае НЗИ расстояние между преемником и передатчиком, как правило, составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч километров, поэтому время распространения меняется от единиц до десятков миллисекунд. Обработка принятого сигнала методом сжатия в частотной области состоит в умножении его на сигнал гетеродина приемника, комплексно-сопряженный излучаемому сигналу; после чего происходит прохождение сигнала через фильтр нижних частот, оцифровка «разностного сигнала» (термин получается вследствие перемножения на сигнал гетеродина), и спектральный анализ. Из-за частотной дисперсии волны разной частоты после прохождения ионосферной радиолинии имеют разные коэффициенты отражения и время фазового запаздывания. Результатом работы наклонного ионозонда является ионограмма, характеризующая зависимости времени группового запаздывания и амплитуды каждой моды распространения от частоты излучения. Таким образом, с учетом последующей обработки, в ходе НЗИ одновременно измеряются характеристики и сигнала, и помех.

Нельзя утверждать, что сама по себе мысль использования НЗИ в интересах ЗГ РЛС никогда ранее никому не приходила в голову. Однако, по нашему мнению, все попытки такого использования следует считать неудовлетворительными (если судить по открытым публикациям). Так, например, в работе [17], содержащей декларации подобных целей, предлагается наложение ионограмм НЗИ и ВЗ, причем приложение полученных смешанных данных к проблематике ЗГ РЛС не раскрыто; по нашему мнению, интерпретация такой смешанной ионограммы затруднительна даже для специалиста (человека), тем более затруднительно представить создание алгоритмов автоматической обработки таких данных.

По нашему мнению, можно предложить, как минимум, два пути использования полученных результатов и заделов по НЗИ в интересах ЗГ РЛС:

1. использование методов автоматизации эксперимента и обработки ионограмм НЗИ для аналогичных задач в области ВЗИ;

2. прямая диагностика ионосферы методом НЗИ в пространственных направлениях работы ЗГ РЛС.

Второй путь видится наиболее перспективным, и тогда предметом особого обсуждения должно стать создание сети приемных и передающих пунктов, что должно стать предметом отдельного рассмотрения и в настоящей работе не рассматривается. Отметим также, что не надо забывать и про возможности т.н. пассивной диагностики, т.е. прием сигналов «чужих» ионозондов.

Данная работа освещает, главным образом, первый из предлагаемых путей.

Разработанный при непосредственном участии автора [6-16] автоматизированный аппаратно-программный комплекс радиозондирования ионосферы позволяет осуществлять измерения в режимах наклонного зондирования ионосферы (НЗИ), вертикального зондирования ионосферы (ВЗИ) и панорамного измерения помех КВ диапазона.

Автоматизация всех этапов измерений и обработки [6-16], существенно повысившиеся точность и информативность (как за счет современных вычислительных возможностей ЭВМ, так и за счет новых алгоритмов обработки) позволяют создавать радиотехнические системы, адаптирующуюся к изменениям геофизических условий в реальном времени; получать не только диапазоны прохождения радиоволн (что делалось и ранее в системах частотного обеспечения ЗГ РЛС), а увидеть оперативно в реальном времени всю радиофизическую «картину» условий ионосферного распространения, причем в динамике. В работе [7] представлен обзор многолетних работ автора в области автоматизации наземного радиозондирования ионосферы и автоматической обработки данных радиозондирования. Покажем в общих чертах полученные результаты в области разработки программного обеспечения (ПО) вторичной обработки. Здесь под первичной обработкой понимается автоматическая регистрация и сохранение полученных данных в реальном времени (круглосуточные измерительные эксперименты без непосредственного участия человека), а вторичная обработка заключается в анализе полученных данных.

Проектирование, создание и развитие ПО вторичной обработки шло следующими двумя основными направлениями, которые условно можно определить как развитие возможностей по работе с данными «вглубь» и «вширь».

Под развитием "вглубь" понимаются средства для подробного детального просмотра и обработки, выявления "тонких" эффектов (при повышенном разрешении спектрального анализа или путем других алгоритмов обработки), выделение слабых сигналов, скрытых в помехах, и др.

Под развитием "вширь" понимаются средства для оперирования большими массивами данных, в том числе поиска скрытых зависимостей (здесь неизбежно подход методически противоположен направлению "вглубь", так как необходимо прибегать к упрощениям, к вычислению обобщающих характеристик). Накопленные таким образом данные статистики имеют самостоятельную ценность (целесообразно было создать унифицированных форматы статистических данных полученных по результатам обработки больших объемов ионограмм), в том числе, потому что их можно использовать для прогнозирования соответствующих характеристик ионосферы и ионосферных радиолиний.

Вместе с тем, важно отметить, что указанные два направления не ведут к созданию обособленных программных средств, наоборот - всё ПО вторичной обработки глубоко интегрировано. Кроме всего прочего, такой программный комплекс обеспечивает программную инфраструктуру для реализации, отладки и апробации новых алгоритмов обработки данных зондирования.

Основным типом экспериментальных данных является ионограмма наклонного зондирования. Накоплен большой объем экспериментальных данных; и в ходе регулярных экспериментов объем данных продолжает увеличиваться. Дальнейшая обработка этих экспериментальных данных (первичных данных) приводит к еще большему росту объемов и разнообразия данных. Производные данные образуют иерархию, для пояснения этого факта введем понятие уровня экспериментальных данных. Данные большего по номеру уровня получаются из данных меньшего уровня; данные меньшего по номеру уровня не могут быть получены из данных большего по номеру уровня. Имеются следующие данные (по уровням): 1 - оцифрованный сигнал (отсчеты) с выхода приемника ионозонда; 2 - ионограммы, спектры помех; 3 - треки мод, спектр фонового шума, характеристики станционных помех; 4 - амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) КВ радиолиний, модели многолучевости, оптимальные рабочие частоты, отношение сигнал/шум, и др.; 5 - статистика вариаций данных уровня 4. Поэтому решалась задача создания (в рамках подсистемы вторичной обработки) функционала ПО для работы с иерархией экспериментальных данных, включая возможности перегенерации производных данных и возможности просмотра имеющихся данных.

По мере накопления экспериментальных данных возникают задачи не только физического хранения всё возрастающих объемов данных, но и рационального их размещения с возможностью выборок данных в нужных информационных срезах (т.е. для заданных условий), а также задача их систематизации по некоторым критериям. В последнем случае речь идет также о получении неких макрохарактеристик, позволяющих сократить на порядки объем информации о результатах одного сеанса радиозондирования (традиционно представленных ионограммой). В качестве примера методики получения макрохарактеристик можно назвать методику классификации фрагментов ионограмм по эмпирическим моделям многолучевости, эта методика реализована программно и показала свою практическую значимость. Указанные задачи систематизации и получения макрохарактеристик вызваны, прежде всего, потребностями прогноза.

При этом организация хранения обеспечивает и доступ к максимально «сырым» экспериментальным данным (конкретно это оцифрованный сигнал с выхода приемника ионозонда) для решения задач противоположной направленности («вглубь») - получения более «тонкой» информации, чем традиционная классическая ионограмма. Такое ПО также разработано автором и используется для получения новых радиофизических данных, в том числе для исследования диффузной многолучевости, эффектов магнитоионного расщепления КВ радиоволн, рассеяния КВ радиоволн на ионосферных неоднородностях и других исследований, требующих, подобно перечисленным, достижения высокого разрешения по частоте и времени группового запаздывания радиоволн, а также требующих возможностей оперирования большими объемами разнообразных экспериментальных данных.

Хотя о потенциале перспективных ЗГ РЛС нужно судить прежде всего исходя из их способности учета изменчивости ионосферы и адаптации к ней (о чем говорилось выше), может оказаться очень полезной возможность оценки боевой эффективности ЗГ РЛС с учетом условий применения средств воздушно-космического нападения (СВКН), воздушно-космической обороны (СВКО) и боевых сценариев.

При непосредственном участии автора строится система имитационного моделирования боевых действий [18], в т.ч. реализована модель командного пункта СПРН [2] (модель не является точной копией боевого КП СПРН и предназначена для отработки новых решений). На КП СПРН поступает информация от источников наземного и космического эшелонов; поступающая информация агрегируется в виде единого массива траекторий целей; с КП СПРН информация поступает на КП более высокого уровня, а также непосредственно на стрельбовые противоракетные комплексы в чьей зоне ответственности находится обнаруженная цель. На вышестоящие КП информация передается в формате комплекса "Крокус" (комплекс оповещения высшего военно-политического руководства страны). Обмен со стрельбовыми комплексами носит двусторонний характер: от КП СПРН приходят сообщения о целях в зонах ответственности комплексов, а в КП СПРН от комплексов приходят данные о боеготовности средств поражения и подавления, результатах применения. Также КП СПРН осуществляет двусторонний обмен данными с КП Системы Контроля Космического Пространства (СККП), предназначенной для слежения за военными космическими аппаратами (КА), и что здесь особенно важно - предупреждения о падающих КА, которые по траекторным признакам неотличимы от БР. Предметом дальнейших исследований является реализация имитационных моделей ЗГ РЛС с учетом свойств среды распространения. Реализация имитационных моделей ЗГ РЛС позволит производить упомянутые выше оценки боевой эффективности.

В работе показаны некоторые современные достижения в области автоматизации НЗИ, позволяющие проводить оперативную диагностику ионосферы и адаптацию радиотехнических средств к условиям распространения радиоволн. Эти и другие достижения в области оперативной диагностики ионосферы и предсказания её характеристик дают основания инициировать обсуждение возможности использования результатов НЗИ при воссоздании ЗГ радиолокационного эшелона СПРН, так как именно непредсказуемость среды распространения радиоволн - ионосферы, и, как следствие, невысокие достигнутые ТТХ ЗГ РЛС, явились причинами утраты интересы к системам данного класса.

Литература

1. Акимов В.Ф., Калинин Ю.К. Введение в проектирование ионосферных загоризонтных радиолокаторов / под ред. С.Ф. Боева. М.: Техносфера, 2017. - 492 с.

2. Плаксенко О.А., Щирый А.О. Имитационная модель командного пункта системы предупреждения о ракетном нападении в составе системы моделирования боевых действий // Труды восьмой всероссийской научно-практической конференции «Имитационное моделирование. Теория и практика» (ИММОД-2017), СПб, 2017. - c. 507-512.

3. Акимов В.Ф., Калинин Ю.К., Слукин Г.П. Проблемы загоризонтного радиолокационного обнаружения и пути их преодоления // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия: Приборостроение, 2012, № 8. - с.5-17.

4. Волков Д.М., Злуницын О.И., Кочерова М.К., Талалаев А.Б., Тихонов В.В., Шишковская К.Г. Технология моделирования сигналов возвратно-наклонного зондирования в многослойной ионосфере // Вестник ТвГУ. Серия: Прикладная математика, 2016, № 2. - с.123-143.

5. Березовский В.А., Золотарев И.Д., Васенина А.А., Свешников Ю.К. Определение параметров КВ радиолинии по результатам возвратно-наклонного зондирования ионосферы // Вестник Омского университета, 2011, № 2. - С. 98-102.

6. Колчев А.А., Щирый А.О., Недопекин А.Е. Математические модели и методики измерения АЧХ многолучевых ионосферных коротковолновых радиолиний: монография. Йошкар-Ола: Мар. гос. ун-т, 2013. - 147 с.

7. Щирый А.О. Развитие средств автоматизации наземного радиозондирования ионосферы // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения, 2014, Т.14, №5. - c.170-173.

8. Колчев А.А., Щирый А.О. Режекция сосредоточенных по спектру помех при ЛЧМ зондировании ионосферы // Известия высших учебных заведений. Радиофизика, 2006, т.XLIX, № 9. - с.751-759.

9. Колчев А.А., Щирый А.О. Восстановление частотной зависимости комплексного коэффициента отражения по данным наклонного ЛЧМ ионозонда // Оптика атмосферы и океана, т.20, 2007, № 7 - с.627-630.

10. Колчев А.А., Шумаев В.В., Щирый А.О. Измерительный комплекс для исследования эффектов многолучевого ионосферного распространения коротких волн // Известия высших учебных заведений. Приборостроение, 2008, Т.51, № 12. - с. 73-78.

11. Shiriy A.O. HF channel transmit function module measurement // 5th International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering (APEDE 2002), 2002. pp.365-369.

12. Щирый А.О. Программное обеспечение управления базовой станцией ионосферного мониторинга // Известия Белорусской инженерной академии, № 2(20)/1-2005. - с.204-207.

13. Щирый А.О. Разработка алгоритмов для повышения точности измерения и расширения возможностей традиционного применения наклонного ионозонда // Системы управления и информационные технологии, 2007, № 1.1(27). - c. 202-204.

14. Колчев А.А., Щирый А.О. Измерение АЧХ ионосферной КВ радиолинии с целью компенсации искажений, вносимых средой распространения // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения, 2009, Т.9. №4. - c.23-26.

15. Щирый А.О. Архитектура программной части аппаратно-программного комплекса дистанционного наземного радиозондирования ионосферы // Новые информационные технологии в автоматизированных системах, 2015, №18. - с.144-152.

16. Щирый А.О., Недопекин А.Е. Автоматическая обработка данных ЛЧМ-зондирования ионосферы для оценки геофизических параметров // Новые информационные технологии в автоматизированных системах, 2014, №17. - с.301-306.

17. Власов Ю.М., Глинкин И.А., Литвинов С.В. Применение наклонного зондирования ионосферы для увеличения точностных характеристик ЗГ РЛС // Вопросы радиоэлектроники, 2018. № 3. - с.11-18.

18. Коновальчик А.П., Щирый А.О. Универсальная программная платформа для имитационного моделирования боевых действий // Вопросы радиоэлектроники, 2019, №3. - с.16-20.

Размещено на Allbest.ru