kpt. dr inż. Marek BRZOZOWSKI kpt. mgr inż. Zbigniew LEWANDOWSKI Wojskowy Instytut Techniczny Uzbrojenia

Transkrypt

1 pt. dr iż. Mare BRZOZOWSKI pt. mgr iż. Zbigiew LEWANDOWSKI Wojsowy Istytut Techiczy Uzbrojeia METODA OKREŚLANIA ROZRÓŻNIALNOŚCI OBIEKTÓW POWIETRZNYCH PRZEZ URZĄDZENIA RADIOLOKACYJNE Z WYKORZYSTANIEM LOTÓW SAMOLOTÓW Z ZAMONTOWANYMI NA POKŁADZIE ODBIORNIKAMI GPS I REJESTRATORAMI POZYCJI Streszczeie: W artyule przedstawioo założeia metody badań rozróżialości obietów powietrzych przez urządzeia radioloacyje z wyorzystaiem lotów samolotów, tórych trójwymiarowa pozycja jest oreślaa z doładością ooło m z iterwałem czasowym s za pomocą różicowych techi pozycjoowaia GPS. W drugiej części artyułu przedstawioo wyii sprawdzeń zrealizowaych według zapropoowaej metody, wyoaych w ramach badań typu radaru NUR-N-(3D). METHOD OF DEFINITION AIRCRAFTS DISTINCTION BY RADIOLOCATION DEVICES, USING FLIGHTS OF AIRCRAFTS WITCH GPS RECEIVERS AND POSITION RECORDERS INSTALLED ON BOARD Abstract: I this article there were preseted foudatio for the flyig objects distictio research method by radiolocatio devices, usig flights of aircraft, which 3-dimesioal positio is determie exact to about m ad time iterval s by meas of Differetial GPS. I the secod part of this paper there where showed results of verificatio realized accordig to suggested method, performed withi the cofies of radar NUR-N-(3D) type tests.. Wstęp Problem oreśleia rzeczywistych wartości rozróżialości odległościowej i azymutalej radaru w ormalych waruach pracy wymaga wyoywaia oblotów parą samolotów po odpowiedio zaplaowaej trasie oraz zajomości chwilowych wartości odległości pomiędzy tymi samolotami. Problem odpowiediego awigowaia samolotów i zapewieia dyamiczego pomiaru odległości pomiędzy samolotami w locie przez wiele lat uiemożliwiał prowadzeie badań rozróżialości z odpowiedią doładością i wiarygodością. Pojawieie się globalego systemu pozycjoowaia GPS oraz opaowaie techologii precyzyjego oreślaia chwilowych pozycji statów powietrzych w locie umożliwiło opracowaie i zastosowaie owych metod badań urządzeń radioloacyjych w zaresie oreślaia ich zdolości do rozróżiaia obietów powietrzych. Nowo opracowywae ostrucje radarów trójwspółrzędych, często realizowae jao radary z eletroiczie saowaą wiązą wymagają zastosowaia owoczesych metod badawczych, u podstaw tórych leży możliwość porówaia daych o obserwowaym obiecie 05

2 estymowaych przez radar z jego rzeczywistymi współrzędymi położeia w przestrzei w daym momecie czasowym. Jao źródło iformacji o rzeczywistych współrzędych położeia samolotu ajwygodiej jest wyorzystać odbiorii systemu GPS, dające możliwość precyzyjego oreślaia położeia lecącego samolotu z iterwałem czasowym a poziomie s. Bardzo orzystą ooliczością występująca w badaiach sprzętu radioloacyjego jest to, że a poładzie samolotu moża zamotować autoomiczy odbiori GPS rejestrujący pozycje absolute wraz z zestawem daych pozwalających a wyoaie udoładieia pozycji po zaończeiu lotu w trybie postprocessigu.. Metoda oreślaia rozróżialości w odległości i azymucie obietów powietrzych przez urządzeia radioloacyje z wyorzystaiem systemu GPS Metoda pomiaru rozróżialości w azymucie lub odległości polega a przeprowadzeiu lotów dwoma jedaowymi samolotami a stałej wysoości w ieruu promieiowym względem badaego radaru. Na poładach obydwu samolotów muszą być zamotowae odbiorii GPS z rejestratorami pozycji. Pozycję samolotów ajwygodiej jest oreślać we współrzędych prostoątych x,y,z w uładzie ECEF. W celu wspomagaia pilotów w utrzymywaiu zadaego ugrupowaia w locie, a poładach samolotów istaluje się dodatowe odbiorii GPS, pozwalające a otrolę odległości pomiędzy lecącymi samolotami w uładzie przód-tył, lewo-prawo, góra-dół oraz wzajemej odległości sośej. W przypadu sprawdzaia rozróżialości w odległości samoloty lecą w ugrupowaiu przedstawioym schematyczie a Rys.. Na omedę z ziemi jede z samolotów wyouje maewr zbliżaia i oddalaia względem drugiego. W przypadu sprawdzaia rozróżialości w azymucie samoloty lecą w ugrupowaiu przedstawioym schematyczie a Rys., w zadaej odległości względem siebie, utrzymując jedaową wysoość i odległość względem badaego radaru. Zmiay odległości pomiędzy samolotami oraz orety położeia względem badaego radaru piloci wyoują a omedę awigatora adzorującego loty. W rejoie wyoywaia lotów ależy umieścić a pucie o zaych współrzędych odbiori GPS i uruchomić go w trybie pracy jao stacja referecyja. Możliwe jest rówież wyorzystaie permaetych stacji referecyjych GPS, działających w sieci ASG-EUPOS. Za pomocą odbioria GPS ależy rówież oreślić współrzęde prostoąte x r, y r, z r w uładzie ECEF miejsca staia badaego radaru. Procedura oreślaia rozróżialości radaru w odległości: a) w odbioriu GPS pełiącym fucję stacji referecyjej ależy włączyć rejestrację daych pomiarowych; b) baday radar ależy uruchomić zgodie z jego istrucją esploatacji; c) jao źródło sychroizacji czasu ależy ustawić czas UTC (p. pobieray z poładowego odbioria GPS), algorytm iicjacji i śledzeia ustawić a automatyczą iicjację, włączyć rejestrację iformacji wyryć obietów wyoywaych przez radar; d) astępie ależy wyoać lot dwoma samolotami wyposażoymi w odbiorii GPS, a ieruu azymutalym względem badaego radaru w ugrupowaiu przedstawioym schematyczie a Rys.. W tracie oblotu ależy zachować jedaowy azymut i wysoość lotu obu samolotów; e) w tracie lotu, a omedę awigatora, samoloty zaczyają zwięszać odległość między sobą do mometu, iedy radar wyrywa je jao dwa obiety powietrze; 06

3 f) astępie a omedę awigatora samoloty zaczyają zmiejszać odległość między sobą do mometu, gdy radar przestaie je rozróżiać i zostaą wyryte jao obiet pojedyczy; g) procedurę oddalaia i zbliżaia samolotów ależy powtarzać cyliczie a całej trasie lotu, zarówo w tracie oddalaia ja i zbliżaia się samolotów do miejsca staia radaru. Zależie od możliwości przebywaia w powietrzu samolotów, loty a zbliżaie i oddalaie powtarza się ilarotie; h) po zaończeiu lotu dae zarejestrowae przez baday radar ależy przeieść a zewętrzy ośi iformacji (dys wymiey, CD-ROM). Aalogiczie ależy zarchiwizować dae zarejestrowae przez odbiorii GPS zamotowae w samolotach oraz a pucie referecyjym. Dae ze stacji pracujących w sieci ASG-EUPOS są udostępiae w serwisie iteretowym systemu. R Rys. Graficza ilustracja sytuacji powietrzej przy oreślaiu rozróżialości w odległości Procedura oreślaia rozróżialości radaru w azymucie: a) w odbioriu GPS pełiącym fucję stacji referecyjej ależy włączyć rejestrację daych pomiarowych; b) baday radar ależy uruchomić zgodie z jego istrucją esploatacji; c) jao źródło sychroizacji czasu ależy ustawić czas UTC pobieray z poładowego odbioria GPS, algorytm iicjacji i śledzeia ustawić a automatyczą iicjację, włączyć rejestrację iformacji opracowywaej przez radar; d) astępie ależy wyoać lot dwoma samolotami wyposażoymi w odbiorii DGPS, a ieruu azymutalym względem badaego radaru w ugrupowaiu przedstawioym schematyczie a Rys.. W tracie badaia ależy zachować jedaowy azymut, wysoość lotu oraz jedaową odległość między samolotami w tracie ażdego zbliżaia i oddalaia; e) w ażdym oddalaiu ależy zaobserwować momet, w tórym obserwowae samoloty przestaą być wyrywae przez radar jao dwa oddziele obiety powietrze. Zaotować czas UTC, wyrycia ostatiej pary plotów, przed slejeiem ich w jede obiet powietrzy; 07

4 f) w ażdym zbliżaiu zaobserwować momet, w tórym obserwowae samoloty zostaą rozróżioe przez radar jao dwa obiety powietrze. Zaotować czas UTC, wyrycia pierwszej pary plotów pochodzących od obserwowaych samolotów; g) zależie od możliwości przebywaia w powietrzu samolotów, loty a zbliżaie i oddalaie ależy powtórzyć ilarotie; h) po zaończeiu lotu dae zarejestrowae przez baday radar ależy przeieść a zewętrzy ośi iformacji (dys wymiey, CD-ROM). Aalogiczie ależy zarchiwizować dae zarejestrowae przez odbiorii GPS zamotowae w samolotach oraz a pucie referecyjym. dad d R β Rys. Graficza ilustracja sytuacji powietrzej przy oreślaiu rozróżialości w azymucie Opracowaie wyiów oblotów Współrzęde położeia samolotów wyoujących oblot, zarejestrowae przez odbiorii GPS, ależy udoładić poprzez wyoaie orecji różicowej w oparciu o dae zarejestrowae przez odbiori pracujący a pucie referecyjym lub dae zarejestrowae przez permaete stacje referecyje sieci ASG-EUPOS, działające w rejoie oblotów. Wyoaie orecji różicowej pomiarów GPS umożliwia specjalistycze oprogramowaie, dostarczae przez produceta odbioriów GPS. W Wojsowym Istytucie Techiczym Uzbrojeia wyorzystywae jest oprogramowaie Trimble Bussies Ceter, współpracujące z odbioriami GPS Trimble R3. W celu oreśleia rozróżialości badaego radaru w odległości ależy wyoać astępujące czyości: Ze zbioru plotów zarejestrowaych przez radar wyselecjoować pary wyryć samolotów wyoujących oblot o jedaowym czasie rejestracji i miimalych wartościach różicy odległości R pomiędzy imi. Dla ta wyselecjoowaych plotów ależy 08

5 dopasować ze zbioru daych zarejestrowaych przez odbiorii GPS współrzęde x,y,z (ECEF) położeia samolotów odpowiadające mometom czasowym rejestracji plotów. W oparciu o współrzęde GPS ależy obliczyć rzeczywistą odległość pomiędzy samolotami ze wzoru: R = ( x x ) + ( y y ) + ( z z ) [ ] m gdzie: R - różica odległości pomiędzy samolotami w chwili ; ( x, y, z ) - współrzęde ECEF jedego samolotu w chwili ; ( x, y, z ) - współrzęde ECEF drugiego samolotu w chwili. Następie w oparciu o otrzymay zbiór wyiów moża obliczyć wartość średią i odchyleie stadardowe odległości między obietami, przy tórej astępuje ich rozróżieie, będące miarą rozróżialości w odległości badaego radaru: R = = R [ m] σ R = ( R R) [ m] W celu oreśleia rozróżialości badaego radaru w azymucie ależy wyoać astępujące czyości: Ze zbioru plotów zarejestrowaych przez radar ależy wyselecjoować pary wyryć odpowiadające mometom czasowym (UTC) zaotowaym w tracie lotów. Dla otrzymaego zbioru daych sprawdzić, czy dla poszczególych par wyryć spełioe są astępujące warui: jedaowy czas rejestracji, różica odległości od radaru oreśloych dla plotów ie więsza iż wymagay parametr rozróżialości w odległości badaego radaru. Dla ta wyselecjoowaych plotów ależy dopasować ze zbioru daych zarejestrowaych przez odbiorii GPS współrzęde x,y,z (ECEF) położeia samolotów odpowiadające mometom czasowym rejestracji poszczególych par plotów. W oparciu o wyselecjoowae dae ależy obliczyć rzeczywiste odległości pomiędzy poszczególymi samolotami a badaym radarem w mometach czasowych : ( x x ) + ( y y ) + ( z z ) [ m] Rs = r s r s r s gdzie: Rs - rzeczywista odległość pomiędzy radarem i samolotem s w chwili ; ( x r, yr, zr ) ( x, y, z ) s s s - współrzęde ECEF miejsca staia radaru; - współrzęde ECEF samolotu s w chwili. 09

6 Sprawdzić, czy różica obliczoych odległości jest ie więsza od parametru rozróżialości w odległości badaego radaru. Jeżeli różica rzeczywistych odległości pomiędzy samolotami i radarem jest więsza iż parametr rozróżialości w odległości badaego radaru, aalizowaą parę wyryć ależy odrzucić. Jeżeli różica obliczoych odległości pomiędzy samolotami i radarem jest miejsza iż parametr omóri odległościowej badaego radaru obliczyć wartość średią z tych dwu odległości i przyjąć ją jao odległość prawdziwą R pomiędzy radarem a parą samolotów wyoujących oblot w rozpatrywaym momecie czasowym. R = R + R s s gdzie: Rs - rzeczywista odległość do samolotu s w chwili ; Rs - rzeczywista odległość do samolotu s w chwili. W oparciu o współrzęde ECEF dla ażdej pary wyryć spełiających powyższe warui obliczyć rzeczywistą odległość między samolotami w chwili ze wzoru: d = ( x x ) + ( y y ) + ( z z ) [ ] m gdzie: d - połowa odległości pomiędzy samolotami w chwili, ( x, y, z ) (, y z ) x, - współrzęde ECEF pierwszego samolotu w chwili, - współrzęde ECEF drugiego samolotu w chwili. Dla rozpatrywaych wyiów ależy obliczyć wartości ąta β, będącego różicą azymutów a jaich zajdowały się poszczególe samoloty wyoujące oblot względem miejsca staia radaru w chwili. d β = arcsi [ ] R Na podstawie zbioru wyiów obliczoych dla poszczególych mometów czasowych obliczyć wartość średią ąta β będącą oszacowaiem rzeczywistej rozróżialości obietów powietrzych w azymucie badaego radaru. β = β [ ] = Następie moża obliczyć odchyleie stadardowe β σ ze wzoru: σ β = ( β β ) [ ] = 0

7 3. Wyii sprawdzeń zdolości rozróżiaia obietów powietrzych przez radar NUR-N (3D) W 008 r. w Wojsowym Istytucie Techiczym Uzbrojeia przeprowadzoo badaia zdawczo-odbiorcze trójwspółrzędego radaru typu NUR-N-(3D) producji CNPEP RADWAR (Rys.3). Radar NUR-N-(3D) jest radarem rótiego zasięgu przezaczoym do wyrywaia i rozpozaia obietów powietrzych w systemach obroy przeciwloticzej Maryari Wojeej i Wojs Lądowych. Rys.3 Radar NUR-N-(3D) w pozycji pracy bojowej [ Rys.4 Odbiori GPS Trimble R3 zamotoway w abiie samolotu PZL 30 Orli Oreśleie parametru rozróżialości obietów powietrzych w odległości, radaru NUR- N (3D). Na podstawie zarejestrowaych w tracie lotu daych radarowych w postaci współrzędych wyryć (plotów), cechowaych czasem UTC, oraz daych o położeiu samolotów zarejestrowaych za pomocą odbioriów GPS wyoao selecję daych i obliczeia zgodie z procedurami opisaymi w pucie.

8 Na Rys.5 zobrazowao rzeczywiste różice odległości pomiędzy samolotami obliczoe a podstawie daych zarejestrowaych przez odbiorii GPS (ozaczoych jao dr GPS co s ), różice odległości obliczoe z daych zawartych w plotach estymowaych przez radar (ozaczoych jao dr RLS ) oraz wsazaie daych GPS odpowiadających czasowi estymacji plotów przez radar (ozaczoe jao dr GPS=RLS ). Selecja po czasie jest iezbęda, poieważ baday radar wyrywa, śledzi i estymuje parametry obietów zgodie z cylem obrotu atey, z rozdzielczością rzędu miliseud. Rys. 5 Zobrazowaie różic odległości pomiędzy samolotami Na Rys.6 wyselecjoowae dae przedstawioo w formie wyresu. Na podstawie otrzymaych wyiów moża stwierdzić, że szacowaa rzeczywista zdolość rozróżiaia obietów powietrzych w odległości przez radar NUR-N-(3D) wyosi ooło 87m. dae GPS dae radarowe Rys. 6 Zobrazowaie wyselecjoowaych różic odległości pomiędzy obserwowaymi samolotami, obliczoych a podstawie daych radarowych (olor iebiesi) oraz odpowiadające im rzeczywiste odległości obliczoe a podstawie daych zarejestrowaych odbioriami GPS (olor czerwoy)

9 Oreśleie parametru rozróżialości obietów powietrzych w azymucie, radaru NUR- N (3D). Na podstawie zarejestrowaych w tracie lotu daych radarowych w postaci współrzędych wyryć (plotów), cechowaych czasem UTC, oraz daych o położeiu samolotów zarejestrowaych za pomocą odbioriów GPS wyoao selecję daych i obliczeia zgodie z procedurą opisaą w pucie iiejszego opracowaia. Na Rys.7 zobrazowao przebieg lotu pary samolotów przedstawioy w aspecie utrzymaia rytyczych, ze względu a oceę radaru, parametrów szyu. Parametry radaru związae ze strefą, załóceia atmosferycze i tereowe oraz uwzględieie waruu potecjalej rozdzielczości radaru, wymusiły wyoaie lotu a odległościach względem miejsca staia radaru rzędu 6m. Pociągęło to za sobą oieczość rozsuięcia wzajemego samolotów a odległość ooło m. W pierwszym locie zdecydowao się a utrzymywaie odległości wzajemej obietów powietrzych rówej 700 m. Na Rys. 7 olorem czerwoym (u góry) przedstawioo bieżące wartości odległości wzajemej obietów powietrzych (odległość d wg Rys.), atomiast olorem iebiesim (a dole) bezwzględą wielość różicy odległości pomiędzy samolotami i miejscem staia radaru (odległości R do ażdego z pary samolotów wg Rys.). Rozważając teoretyczie, zgodie z założeiami procedury wyoaia sprawdzeia rozróżialości radaru, idealie wyoay lot szyu samolotów, wygeerowałby wyres ww. odległości tai, że liia czerwoa a rysuu powia przebiegać płaso w miejscu ozaczoym 700 m, a liia iebiesa powia rówać się wartości 0 m. W rzeczywistości sumulowae błędy sterowaia powodują, że wartości rzeczywiste oscylują w pobliżu wartości idealych. Duże odchyleia zobrazowae a wyresie są miejscami, w tórych samoloty wyoywały awroty. Na zbiór daych spełiających warue rozróżieia w azymucie, ałożoo filtr w postaci ryterium ie rozróżieia obietów w odległości. Na Rys.8 zobrazowao różice azymutów otrzymaych w wyiu wstępej selecji zarejestrowaych daych (olor iebiesi) oraz odległości średiej, a jaiej zajdowały się w daej chwili samoloty wyoujące oblot (olor zieloy). Kolorem czerwoym zazaczoo różice azymutów, dla tórych różica odległości samolotów od radaru była miejsza iż 60m. Rys.7 Zobrazowaie odległości pomiędzy samolotami wyoującymi oblot, (olor czerwoy) oraz różic odległości pomiędzy samolotami i miejscem staia radaru (olor iebiesi) 3

10 Rys.8 Zobrazowaie różic azymutów obietów powietrzych Rozróżialość azymutalą radaru obliczoo jao wartość średią miimalych ątów, a tórych obiety powietrze były rozróżiae, z ażdego zbliżaia/oddalaia się pary samolotów do/od radaru. Obliczoa wartość średia różicy azymutów, rówa rozróżialości radaru w azymucie, wyiosła,5. 4. Wiosi Przedstawioa w artyule metoda badań staowi ową jaość w dziedziie rajowych badań urządzeń radioloacyjych. Zastosowaie techologii GPS do oreślaia rzeczywistych współrzędych położeia statów powietrzych w tracie lotu umożliwiło po raz pierwszy precyzyją i obietywą otrolę poprawości pracy i estymacji daych wyiowych przez badae radary. Aaliza działaia radaru w odiesieiu do rzeczywistych współrzędych położeia obserwowaych samolotów, wyelimiowała czyi ieoreśloości występujący we wszystich wcześiej stosowaych metodach oreślaia parametrów rozróżialości. Z putu widzeia efetywości oblotów radaru przez parę samolotów w zadaym ugrupowaiu, iebagatele zaczeie ma możliwość wspomagaia pilotów daymi o wzajemym położeiu statów powietrzych realizujących dae zadaie za pomocą dodatowego zestawu GPS. Doświadczeia i opiie uzysae w tracie badań radaru NUR- N (3D) pozwoliły stwierdzić, że udostępieie pilotom daych o wzajemym położeiu samolotów, zaczie podoszą precyzję pilotażu a tym samym efetywość badań sprzętu radioloacyjego. Literatura [] Gajderowicz I., Kartografi matematycza dla geodetów, wydaie II, Wydawictwo Aademii Roliczo-Techiczej,

11 [] Hofma-Wallehof, B., Lichteger H., Collis J., GPS Teory ad practice, Fourth editio, Spriger, Wie New Yor, 997. [3] Lamparsi J., Navstar GPS od teorii do pratyi, Wydawictwo Uiwersytetu Warmińso-Mazursiego, 00. [4] Misra P., Global Positioig System, Sigals, Measuremes, ad Performace, Gaga- Jamua Press, 00. [5] Opracowaie zbiorowe, Sprawozdaie z badań typu trójwspółrzędego radaru NUR- N-(3D); protooły szczegółowe, WITU, Zieloa 008. [6] Specht C., System GPS - Wydawictwo Berardiium Sp.z o.o., Pelpi 007. [7] Brzozowsi M., Mysza M., Lewadowsi Z., Metoda badaia rozróżialości azymutalej i odległościowej stacji radioloacyjych, Problemy Techii Uzbrojeia,