Software & Systems

Сложность проведения технико-экономичес­кого анализа вариантов построения перспективных наземных радиолокационных станций (РЛС) обнаружения воздушных объектов и модернизации существующего парка РЛС состоит в необходимости учета большого количества разнородных показателей, по которым производится оценка различных классов и типов РЛС [1, 2]. Известные подходы к решению задачи сравнительной оценки базируются на анализе соответствия показателей качества РЛС требованиям к качеству радиолокационной информации и на использовании экспертных оценок для определения весовых коэффициентов каждого показателя качества РЛС. При свертке частных показателей в обобщенный показатель присутствует значительная доля субъективизма, привносимая группой экспертов.

Как и в любой сложной системе, выбор технических характеристик РЛС носит компромиссный характер. В связи с этим оптимизацию параметров систем РЛС целесообразно осуществлять путем решения многокритериальных многопараметрических задач с учетом возникающих при этом ограничений теоретического и практического характера.

Учитывая многокритериальный и многопараметрический характер этой задачи, наиболее простым и распространенным подходом в этом случае является целенаправленный перебор возможных решений с проверкой полученных результатов по многим критериям, определяющим эффективность работы РЛС.

Процедура последовательного перебора комплектов параметров требует значительных затрат времени и часто приводит к неоднозначному результату. Окончательный выбор предпочтительного варианта в этом случае должен выполнить наиболее компетентный эксперт – ЛПР. Для ускорения процесса перебора вариантов и облегчения выбора из них наиболее предпочтительного необходимо разработать базовый показатель, позволяющий устранить неопределенность в задаче выбора окончательного решения.

Ориентация оценок на качество решения задач в соединениях (частях) видов ВС РФ с использованием наземных РЛС (несение боевого дежурства, непрерывное ведение разведки воздушного противника, радиолокационное обеспечение боевых действий зенитных ракетных войск и истребительной авиации и др.) также приводит к многокритериальным задачам, методы решения которых разработаны недостаточно.

Модели оценки качества радиолокационной информации и вклада радиотехнических средств в эффективность боевых действий являются хорошим инструментом для оценки вариантов построения группировок радиотехнических войск. Однако результаты оценки эффективности конкретной РЛС могут значительно различаться в зависимости от конкретных условий применения (состав группировки, характеристики налета противника и др.). Поэтому представляется целесообразным сравнение потенциальных возможностей, которые в основном реализованы в зоне обнаружения РЛС, формируемой с учетом энергетических характеристик РЛС [1–3].

Цель статьи – обосновать показатель технико-экономического анализа и выбора вариантов построения наземных РЛС.

Показатель технико-экономического анализа и выбора вариантов построения наземных РЛС должен связывать энергетические характеристики (дальность обнаружения, точность определения координат, помехозащищенность), надежностные свойства (безотказность, ремонтопригодность, долговечность), стоимостные характеристики РЛС (стоимость разработки, производства и эксплуатации) и ресурсные возможности по финансированию.

Энергетические характеристики РЛС. Зона обнаружения (ЗО) (зона видимости) V0 представляет собой область пространства, в пределах которой радиолокационные цели с заданной эффективной отражающей поверхностью (ЭОП) sЦ обнаруживаются РЛС в каждом обзоре с заданными вероятностями правильного обнаружения D и ложной тревоги F. Для оперативно-тактических расчетов характеристики ЗО принимают величину ЭОП равной sЦ=1 м2, D – 0,5 или 0,8, а F – в пределах от 10–4 до 10–8 [1, 4].

ЗО определяется формой диаграммы направленности антенны, дальностью обнаружения РЛС (энергетическим потенциалом), способом обзора пространства, характеристиками позиции развернутой РЛС, помеховой обстановкой [2].

ЗО РЛС являются исходной информацией для определения радиолокационного поля подразделений и частей радиотехнических войск. Форма представления ЗО может быть табличной, графической, аналитической. Наиболее удобной является графическая форма (рис. 1).

Параметрами ЗО являются минимальный и максимальный углы места зоны (eмин, eмакс), размеры зоны в азимутальной плоскости, максимальная наклонная дальность Dмакс, максимальная высота Hмакс, максимальная высота беспровальной проводки, радиус мертвой воронки на заданной высоте полета цели Rмв=Hц ctg eмакс.

Параметры ЗО выбираются с учетом тактических требований и технических возможностей их реализации.

В качестве примера на рисунке 2а показано полусечение ЗО РЛС П-18 М в вертикальной плоскости, где 1 – ЗО модернизированной РЛС без активных помех; 2 – ЗО немодернизированной РЛС без активных помех; 3 – ЗО модернизированной РЛС в условиях воздействия активных шумовых заградительных помех спектральной плотностью 100 Вт/МГц, созданной с дальности 200 км и высоты 10 км.

На рисунке 2б представлено полусечение ЗО РЛС 55Ж6УЕ в вертикальной плоскости при отсутствии активных помех. При этом радиус мертвой воронки Rмв=Hцctgeмакс соответственно составляет Rмв=Hц и Rмв=3,5 Hц.

Для РЛС боевого режима определения зоны обнаружения недостаточно, так как оно не учитывает точность определения координат при решении задач целеуказания. Точность выдаваемой информации определяет вероятность радиолокационного обеспечения наведения в пределах зоны наведения.

Зона наведения VН – это область пространства, в которой обеспечиваются непрерывное сопровождение целей и истребителя, измерение их текущих координат с требуемой точностью и уверенное радиолокационное опознавание. В этом случае ЗО и определения координат ВО можно представить в виде пересечения ЗО и области пространства, в которой координаты ВО определяются с заданной (требуемой) точностью.

Таким образом, оценить ЗО можно площадью ее горизонтального сечения SН на заданной высоте Н (рис. 1б). Исходя из этого, обобщенный критерий оценки качества должен быть пропорционален показателю площади горизонтального сечения ЗО РЛС.

Эксплуатационно-технические характеристики. Наряду с энергетическими характеристиками, на основании которых рассчитывается ЗО РЛС, необходимо учитывать эксплуатационно-технические характеристики, определяющие возможности по реализации боевых возможностей РЛС. К основным относятся характеристики надежности (безотказность, ремонтопригодность, долговечность), а также среднегодовая стоимость эксплуатации РЛС, которая зависит от используемой элементной базы, конструктивных особенностей РЛС, приспособленности к проведению ремонтов и др. Радиолокационное поле существует в пространстве и во времени, а его пространственные характеристики в конкретный момент носят случайный характер. Пространственные характеристики определяются энергетическими возможностями, а процесс их реализации во времени – показателями надежности.

Время существования радиолокационного поля пропорционально ресурсу до списания R (с учетом ресурсовосстанавливающих ремонтов и срока морального старения). Вероятность наличия радиолокационного поля в конкретный момент времени оценивается коэффициентом готовности РЛС [5]:

,                                                      (1)

где ТО – средняя наработка РЛС на отказ; ТВ – среднее время восстановления.

Обобщенный критерий, пропорциональный количеству поставляемых в войска РЛС – М, определяется выделяемыми суммарными ассигнованиями Сå на разработку, закупку серийных образцов и эксплуатацию РЛС:

,                                            (2)

где СР – стоимость разработки образца радиоэлектронной техники; a – коэффициент, учитывающий прибыль производства образца на предприятии-изготовителе; ССП – стоимость серийного образца радиоэлектронной техники; СЭ – стоимость эксплуатации такого образца до списания.

С учетом вышеизложенного обобщенный показатель качества РЛС можно представить в виде

                                             (3)

Из (3) видно, что показатель технико-экономи­ческого анализа и выбора вариантов построения наземных РЛС W связывает энергетические характеристики (дальность обнаружения R, точность определения координат, помехозащищенность), надежностные свойства (безотказность, ремонтопригодность, долговечность), стоимостные характеристики РЛС (стоимость разработки, производства и эксплуатации) и ресурсные возможности по финансированию Сå.

ЗО РЛС в сантиметровом диапазоне волн определяется по формуле

,                                                   (4)

где Dmax – максимальная дальность обнаружения цели с данной ЭОП sЦ; F(e) – нормированная диаграмма направленности антенны РЛС в вертикальной плоскости; e – угол места цели [1, 2, 4–6].

В дециметровом и метровом диапазонах волн диаграмма направленности РЛС формируется путем сложения энергии прямого луча и энергии, падающей под различными углами на подстилающую поверхность и отраженной в направлении прямого луча. Рельеф и минеральный состав подстилающей поверхности существенно влияют на отражение электромагнитной энергии. Диаграмма направленности РЛС метрового и дециметрового диапазонов

,                                           (5)

где Dс – максимальная дальность обнаружения воздушных объектов с данной ЭОП sЦ в свободном пространстве; Fс(e) – нормированная диаграмма направленности антенны РЛС в свободном пространстве; Ф(e) – интерференционный множитель (множитель Земли).

Реальные ЗО РЛС, развернутых на позициях, рассчитываются с учетом влияния рельефа местности и проверяются облетом. В процессе эксплуатации РЛС накапливается статистика обнаружения целей на данной позиции на различных высотах и с различными ЭОП, на основании которой уточняется ЗО.

На рисунке 3 представлено полусечение ЗО РЛС «Каста-2Е2» в вертикальной плоскости при sЦ=1 м2 без учета (тонкая линия) и с учетом (жирная линия) влияния рельефа местности и подстилающей поверхности.

На рисунке 4 представлены полусечения ЗО трех РЛС «Каста-2Е2» в горизонтальной плоскости, полученные при различных условиях: а) рассчитанное без учета влияния рельефа местности и подстилающей поверхности; б) при размещении на позициях, выбранных из общих требований (без детального учета рельефа и подстилающей поверхности); в) построенные с учетом особенностей рельефа местности и подстилающей поверхности (РЛС удалены не более чем на 5 км от первоначального положения); г) сопоставление радиолокационных полей станций, размещаемых без учета и с учетом особенностей рельефа местности и подстилающей поверхности.

Из рисунка 4г видно, что площадь радиолокационных полей РЛС, размещаемых с учетом рельефа, существенно больше.

Площадь горизонтального сечения зоны обнаружения определяется по формуле

,                                        (6)

где SМВ – площадь горизонтального сечения мертвой воронки зоны обнаружения РЛС.

Площадь горизонтального сечения мертвой воронки определяется формулой

                           (7)

где НЦ – высота полета воздушного объекта; eмакс – максимальный угол места диаграммы направленности РЛС.

Максимальная дальность обнаружения РЛС в свободном пространстве определяется выражением

,                                       (8)

где PИ – импульсная мощность; G0 – коэффициент усиления антенны; l – длина волны; sЦ – эффективная отражающая поверхность цели; Pпр.min – чувствительность приемника; q – параметр обнаружения; LП – результирующий коэффициент потерь [1].

Коэффициент усиления антенны G0 вычисляется по формуле

G0=4 p Sэф/l2,                                                   (9)

где Sэф=КИSгеом – эффективная площадь антенны; Sгеом – геометрическая площадь антенны; КИ – коэффициент использования площади антенны (для различных типов антенн КИ=0,5–0,7); l – длина волны.

Коэффициент потерь LП учитывает различного рода потери в передающем и приемном трактах РЛС. В общем виде результирующий коэффициент потерь можно представить как произведение ,                                                            (10)

где Li – частные коэффициенты, характеризующие потери в различных элементах радиотехнических средств [2].

Расчет коэффициентов потерь Li является специфической задачей, учитывающей особенности каждого конкретного радиотехнического средства.

Суммарные потери сигнала складываются из потерь в волноводных, передающих и приемных трактах, потерь на обработку, в атмосфере и составляют 10–15 дБ.

Возможности РЛС по ведению разведки в пассивных помехах определяются аппаратурой селекции движущихся целей (СДЦ), которые являются неотъемлемой частью современных РЛС. В когерентно-импульсных РЛС аппаратура СДЦ выполняется в виде устройств фазового сравнения зондирующих и отраженных сигналов с последующей обработкой результата сравнения цифровыми нерекурсивными фильтрами первого, второго и третьего порядков с целочисленными масштабными коэффициентами или адаптивными трансверсальными фильтрами более высокого порядка с комплексными перестраиваемыми масштабирующими коэффициентами [6].

Вероятность обнаружения воздушных объектов и, следовательно, ЗО наземных РЛС в значительной степени определяется эффективностью работы систем СДЦ. На качество работы этих систем влияют такие факторы, как амплитудная и фазовая модуляции отраженных сигналов, возникающие при обзоре пространства вращающейся узкой диаграммой направленности антенны, флуктуации эффективной отражающей площади целей, нестабильность параметров аппаратуры РЛС, кратность вычитания сигналов в компенсаторе, дополнительное расширение спектра помех за счет вобуляции периода повторения зондирующих импульсов и ограничения сигналов в приемном тракте радиолокатора и т.д. Многие из этих факторов зависят не только от технических параметров радиолокаторов, но и от условий внешней среды, в которых они работают.

В настоящее время для оценки эффективности систем СДЦ используют несколько критериев. В зависимости от решаемой задачи в качестве энергетических критериев могут быть приняты коэффициенты подавления пассивной помехи КП и улучшения КУ; в качестве вероятностных – коэффициенты подпомеховой видимости КПВ, различимости цели на фоне пассивных помех, различимости цели в просветах пассивных помех и др. [2, 3, 6, 7].

Из указанных выше критериев наиболее часто используют коэффициенты подавления, улучшения и подпомеховой видимости, который связан с КП и КУ, где КП=РПвх /РПвых – отношение мощности пассивной помехи на входе системы СДЦ к мощности на его выходе ,

где  – средний коэффициент усиления мощности сигнала или коэффициент усиления шума;

 или в дБ –,

где  − пороговое отношение сигнал–помеха на входе обнаружителя, усредненное по всем доплеровским частотам и представляющее собой минимальное превышение сигнала над помехой, необходимое для обнаружения цели.

При расчете коэффициентов КУ и КПВ учитывают параметры РЛС (длину волны, период обзора пространства, сектор обзора, частоту повторения импульсов, ширину диаграммы направленности антенны, коэффициент вобуляции периода повторения импульсов, кратность вычитания сигналов, нестабильность внутренних параметров РЛС, параметры аналого-цифровых преобразователей, наличие ограничений сигнала в приемном тракте, тип когерентности опорного генератора) и параметры местных предметов (средний квадратический разброс скоростей элементарных отражателей).

Сопоставляя величину коэффициента подпомеховой видимости КПВ с реальным отношением мощности сигналов пассивных помех к мощности эхо-сигналов, которое характерно для района дислокации, делается вывод о способности РЛС вести разведку в пассивных помехах в данной помеховой обстановке.

Возможности по защите от активных шумовых помех характеризуются величиной коэффициента сжатия ЗО по нешумящим целям вне сектора эффективного подавления и размера- ми сектора эффективного подавления по шу- мящим целям (постановщикам активных шумовых помех).

В основу расчета параметров РЛП можно положить определение ЗО РЛС. Методики расчета рубежей и границ ЗО включают построение их сечений поверхностями, образуемыми множеством возможных траекторий полета цели на заданных высотах относительно уровня моря и/или рельефа (далее для краткости – сечения ЗО на заданной высоте). Высоты верхней и нижней границ сплошного РЛП можно получить путем объединения сечений ЗО РЛС группировки.

Для расчета дальности обнаружения на заданной высоте применяются способы графоаналитического и дискретно-последовательного анализа, который включает построение ЗО РЛС на основе последовательной проверки выполнения условий обнаружения цели над элементарными участками местности, на которые предварительно разбивается весь район ответственности.

Анализ профиля местности. Проверка факта обнаружения цели включает анализ профиля местности «РЛС–цель». Сканирование профиля местности сводится к определению его промежуточных точек с использованием следующих параметрических уравнений:

                                      (11)

где B0, L0 – географические координаты начальной точки профиля; Bk, Lk – географические координаты конечной точки профиля; Bi, Li – географические координаты промежуточной точки профиля; DL – произвольное приращение географической долготы. Для географических промежуточных точек профиля используются следующие соотношения:

;

; ;

; ;

; ;

; .

; ;

;

; ;

; ;

,

где a, b, e2 – параметры эллипсоида (соответственно размеры большой и малой полуосей и первый эксцентриситет).

При сканировании профиля вычисляется максимальный угол закрытия:

,

где hS – абсолютная высота элементарных участков местности; zS – их относительная высота; dS – удаление точки от радиолокационного средства; Rэ – эквивалентный радиус Земли (Rэ=8 500 км); hЭЦА – высота электрического центра антенны.

Для проверки факта обнаружения цели угол закрытия сравнивается с углом места цели, вычисляемым по формуле

,

где  – плоскостная дальность цели.

В случае видимости цели из геометрических соображений производится проверка факта видимости цели с учетом технических возможностей станции и дальности прямой видимости [1]:

,

где , , sво – ЭОП ВО; sо=1; ,

, , Gпр – коэффициент усиления приемной антенны; l – длина волны, м; Lпр – коэффициент потерь в приемном тракте; Nш – коэффициент шума приемника; hN – коэффициент подавления помех автокомпенсационной аппаратурой при воздействии N источников активных шумовых помех (АШП); N – количество воздействующих источников АШП; ri – плотность мощности помех, создаваемая i-м ПАП; Rпi – удаление i-го постановщика активных помех (ПАП);  – значение нормированной диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости в направлении на i-й источник АШП; ei – угол i-го источника АШП; ja – угол наклона фокальной оси антенны;  – значение нормированной диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости в направлении на i-й источник АШП; ei – азимут визирования i-го источника АШП; Dинд – дальность, соответствующая максимальному масштабу индикатора радиолокационного средства;

 – максимальный угол закрытия по азимуту визирования цели; КИ – коэффициент использования радиогоризонта.

Примечание: описание параметров дано для радиолокационного средства.

Оценка стоимости эксплуатации РЛС может проводиться по методике, учитывающей затраты на услуги промышленности, стоимость израсходованного в течение года эксплуатации ЗИП, капитального, среднего (фирменного) ремонтов из расчета затрат на один год, текущего ремонта, израсходованной электроэнергии, содержания обслуживающего персонала, расходных материалов при проведении технического обслуживания и ремонта и транспортные расходы.

Предложенный новый показатель технико-эко­номического анализа и выбора вариантов построения наземных РЛС основан на количественной оценке потенциальных возможностей РЛС, которые в основном реализованы в зоне обнаружения, формируемой с учетом энергетических характеристик РЛС (дальность обнаружения, точность определения координат, помехозащищенность), а также эксплуатационно-технических характеристик, определяющих возможности по реализации боевых возможностей РЛС. К ним относятся характеристики надежности (безотказность, ремонтопригодность, долговечность), а также стоимостные характеристики РЛС (стоимость разработки, производства и эксплуатации) и ресурсные возможности по финансированию, которые зависят от используемой элементной базы, конструктивных особенностей РЛС, приспособленности к проведению ремонтов и др.

Процесс подбора параметров существенно облегчается введением ограничений на пределы изменения параметров. Отбор комплектов параметров осуществляется с помощью специально разработанных компьютерных программ.

Предложенный подход целесообразно использовать при модернизации существующих и проектировании новых РЛС наблюдения за воздушной обстановкой.

Литература

1.     Бердышев В.П., Куликов В.Н., Мойсеенко П.Г. и др. Системотехнические основы построения вооружения РТВ. Ч. 1. Радиолокационная система РТВ. Получение и обработка радиолокационной информации. Воздействие активных помех и защита от них: Учебник. Тверь: Воен. акад. ВКО, 2008. 224 с.

2.     Бердышев В.П., Куликов В.Н., Кузнецов В.В. и др. Системотехнические основы построения вооружения РТВ. Ч. 2. Воздействие пассивных помех и защита от них. Основы построения обзорных радиотехнических средств: Учебник. Тверь: Воен. акад. ВКО, 2008. 248 с.

3.     Радиотехнические системы; [под ред. Ю.М. Казаринова]. М.: Высш. школа, 1990.

4.     Справочник офицера ПВО; [под ред. Г.В. Зимина]. М.: Воениздат, 1981.

5.     Барзилович Е.Ю. Модели технического обслуживания сложных систем. М.: Высш. школа, 1982.

6.     Бакулев П.А., Степин В.М. Методы и устройства селекции движущихся целей. М.: Радио и связь, 1986. 288 с.

7.     Skolnik Merrill I., Radar handbook, USA, McGraw-Hill, 2000. 780 p.

References

1.  Berdyshev V.P., Kulikov V.N., Moyseenko P.G., Sistemotekhnicheskie osnovy postroeniya vooruzheniya RTV. Ch. 1. [System framework of  radar troops  armament. Part 1.], Tver, Military Acad. of Aerospace Defence, 2008, 224 p.

2.  Berdyshev V.P., Kulikov V.N., Moyseenko P.G., Sistemo-tekhnicheskie osnovy postroeniya vooruzheniya RTV. Ch. 2.  [Sys-tem framework of RTV armament. Part 2.], Tver,  Military Acad. of Aerospace Defence, 2008, 248 p.

3.  Grishin Yu.P., Ipatov V.P., Kazarinov Yu.M.,  Radiotekh-nicheskie sistemy  [Radiotechnical systems], Moscow, Vyssh. shkola, 1990.

4.  Zimin G.V.,  ed.,  Spravochnik ofitsera PVO  [Guide of air defense officer], Moscow, Voenizdat, 1981.

5.  Barzilovich E.Yu.,  Modeli tekhnich. obsluzhivaniya slozhnykh sistem  [Maintenance logistics models for complex systems], Moscow, Vyssh. shkola, 1982.

6.  Bakulev P.A., Stepin V.M.,  Metody i ustroystva selektsii dvizhushchikhsya tseley  [Methods and selection  circuit of moving targets], Moscow, Radio i svyaz, 1986, 288 p.

7.  Skolnik  Merrill I., ed. in chief,  Radar  handbook,  2nd ed., USA, McGraw-Hill, 2000, 780 p.