Принципы создания одноканальных и многоканальных систем радиоразведки с позиций теории массового обслуживания.

Антенное устройство (А) должно быть широкополосным, обладать высокой пропускной способностью и обеспечивать пеленгацию источника с необходимой точностью. Кроме того, антенна станции радиотехнической разведки должна иметь минимальные боковые лепестки и хорошую развязку по высокой частоте от полей, порождаемых передающими антеннами других РЭС ( в противном случае возможно ложное определение направления на пеленгуемый источник). Удовлетворить всем требованиям с помощью одной антенны часто бывает невозможно, поэтому обычно применяют несколько антенн, перекрывающих весь разведываемый частотный диапазон. Для целей пеленгации разведываемых устройств иногда также применяют специальную остронаправленную антенну.

Назначение и задачи радиотехнической разведки.

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕОРИИ МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ РАДИОРАЗВЕДКИ

 

Радиотехническая разведка (РТР) является составной частью войсковой разведки. В отличие от всех других видов войсковой разведки информацию о противнике в случае радиотехнической разведки получают путем анализа сигналов его радиоэлектронных средств.

Назначением радиотехнической разведки является:

-выявление системы радиоэлектронного обеспечения противника;

-определение параметров радиоэлектронных средств.

Кроме радиотехнической разведки, существуют и другие виды разведки с применением радиоэлектронных средств, например:

-радиолокационная разведка, осуществляемая с помощью самолетных РЛС, с целью выявления объектов противника;

-телевизионная разведка, осуществляемая с помощью самолетных и других телевизионных устройств.

Радиотехническая разведка является одним из основных способов получения информации о параметрах и дислокации радиоэлектронных средств противника и их координатах.

С помощью радиотехнической разведки решаются следующие задачи:

-определяется несущая частота;

-измеряется направление прихода волны (местоположение радиоэлектронного устройства);

-опознается образ разведываемого радиоэлектронного устройства;

-производится измерение (оценка) параметров разведываемых радиоэлектронных устройств (частота повторения, длительность импульсов, структура боковых лепестков антенны, поляризация, вид модуляции и т. д.);

-производится запись данных разведки в запоминающем устройстве для последующего анализа.

Результаты радиотехнической разведки используются для принятия решения о выборе способов радиопротиводействия в сложившейся боевой обстановке, а именно:

-устанавливается необходимость подавления выявленных радиоэлектронных средств;

-определяется наряд сил и средств для радиопротиводействия;

-выбирается оптимальный режим работы передатчиков помех (вид помех, вид помеховой модуляции, момент включения и выключения передатчиков помех).

 

Структурная схема станции радиотехнической разведки

 

Упрощенная структурная схема станции помех приведена в п.1.2.3 (рис.1.2.9,б,в). Типовая структурная схема станции радиотехнической разведки представлена на рис. 1.9.1 [2]. Она состоит из антенного устройства, приемника, анализатора параметров принимаемого сигнала, пеленгационной части, устройства запоминания и обработки полученной информации, телеметрического, устройства, аппаратуры контроля, блоков питания.

 

 

 

Рис.1.9.1. Структурная схема станции радиотехнической разведки

Приемники станций радиотехнической разведки(ПРМ) характеризуются следующими основными параметрами:

-перекрываемым диапазоном частот;

-временем перестройки (пропускной способностью);

-чувствительностью;

-точностью определения параметров принимаемых сигналов;

-разрешающей способностью;

-способом поиска разведуемого сигнала по несущей частоте и вероятностью его обнаружения.

Наиболее важной технической характеристикой разведывательного приемника является полный диапазон частот, в котором с его помощью можно осуществлять поиск разведываемых сигналов. Желательно, чтобы один разведывательный приемник перекрывал по возможности более широкий диапазон частот, в котором могут работать наиболее важные радиоэлектронные устройства противника.

Анализатор(Ан) параметров принимаемого сигнала служит для оценки параметров и опознавания образа разведываемого радиоэлектронного средства.

С его помощью, например, могут измеряться временные, спектральные и энергетические параметры принимаемых сигналов, а также производится определение поляризации излучения разведываемого устройства. К вре­менным параметрам сигналов относятся:

-длительности сигналов и временные интервалы между ними;

-вид модулирующей функции.

К спектральным параметрам сигналов относятся: высокочастотный спектр и спектр огибающей сигнала. Энергетической характеристикой принимаемого сигнала является его функция спектральной плотности. Анализаторы характеризуются количеством измеряемых параметров, диапазоном измерений, точностью и разрешающей способностью.

Пеленгаторное устройство (П) служит для определения угла прихода радиоволн, а следовательно, и определения местоположения разведываемого устройства. К пеленгаторам предъявляются высокие требования по сле­дующим параметрам:

-быстродействию (в пределе возможность измерения пеленга по одному импульсу);

-точности пеленгации;

-разрешающей способности.

Устройство запоминания и обработки полученной информации (УЗО) обеспечивает автоматическое запоминание параметров принимаемых сигналов: частоты, длительности импульсов, периода следования и т. д. Это устройство на основании данных, выдаваемых анализатором, должно производить опознавание образа разведываемого устройства. Опознавание образа часто производится оператором станции разведки. В принципе возможно автоматическое опознавание образа с помощью электронных цифровых вычислительных машин.

Наиболее важной с точки зрения радиопротиводействия характеристикой устройства запоминания и обработки полученной информации является точность и продолжительность запоминания несущей частоты. Для этой цели в настоящее время разработано довольно много различных устройств.

Многие параметры принимаемых сигналов могут запоминаться путем их записи на магнитную ленту с помощью видеомагнитофонов или путем фотографирования экранов индикаторов. Результаты радиотехнической разведки могут быть также зарегистрированы в памяти ЭЦВМ.

Телеметрическое устройство (ТУ) служит для передачи разведывательной информации. Особое значение имеют телеметрические устройства при ведении предварительной радиотехнической разведки с помощью искусственных спутников Земли и беспилотных самолетов-разведчиков. В станциях радиотехнической разведки, непосредственно обеспечивающих средства помех, телеметрические устройства могут отсутствовать, так как разведывательная информация в этом случае ис­пользуется непосредственно в процессе преодоления ПВО противника для организации радиопротиводействия.

Аппаратура контроля (К) обеспечивает автоматический или полуавтоматический контроль за работой отдельных блоков. С ее помощью осуществляется управление станцией разведки в целом. Важной функцией аппаратуры контроля является выдача необходимых сигна­лов на аппаратуру создания помех.

 

Применение теории массового обслуживания

к решению задач радиотехнической разведки[2].

Высокая насыщенность современной системы ПВО радиоэлектронными средствами приводит к необходимости рассматривать проблему радиотехнической разведки в рамках теории массового обслуживания. Теория массового обслуживания разработана достаточно полно, однако в радиотехнической разведке (РТР) она начала применяться сравнительно недавно. Элементы теории массового обслуживания в форме, удобной для применения в радиотехнической разведке, излагаются в книгах Е. С. Вентцель (Вентцель Е.С. Введение в исследование операций. – М.: Советское радио,1964). Как уже было отмечено ранее, в задачу радиотехнической разведки входит обнаружение и определение параметров соответствующих радиоэлектронных средств путем приема и анализа их сигналов. Прием сигналов и их анализ можно рассматривать как своеобразное обслуживание.

Применение теории массового обслуживания позволяет обоснованно подойти к решению следующих наиболее важных задач радиотехнической разведки.

1.По заданным параметрам потока сигналов, поступающих на вход разведывательного устройства, и заданной вероятности разведки определить минимально необходимое число каналов разведки и максимально допустимое значение среднего времени обработки принятого сигнала в одном канале.

2.Для заданного разведывательного устройства и вероятности радиотехнической разведки определить максимально допустимое число разведываемых с его помощью радиоэлектронных средств, чтобы привести в соответствие пропускную способность станции разведки с потоком разведываемых сигналов.

Применение теории массового обслуживания в принципе возможно, если известны характеристики потока запросов на обслуживание, в данном случае потока радиосигналов разведываемых средств, и характеристики самого средства обслуживания - разведывательной аппаратуры.

 

Рис.1.9.2. Зависимость вероятности радиотехнической разведки от времени

Время обслуживания.

Одной из основных характеристик радиоразведывательного устройства как средства обслуживания является время обслуживания (время приема и анализа сигнала). Ввиду наличия собственных шумов в радиоразведывательном устройстве и случайных внешних воздействий на приемник время обслуживания будет, вообще говоря, случайной величиной. Действительно, вероятность радиотехнической разведки, определяемая вероятностью правильного обнаружения сигнала разведуемого РЭС в шумах и вероятностью опознавания образа, как функция времени разведки (времени обслуживания) представляется кривыми, показанными на рис. 1.9.2. Параметром семейства кривых может явиться, например, среднее время обслуживания или отношение мощности разведываемого сигнала к мощности шума. Отсюда становится очевидной правильность высказанных суждений о случайности времени разведки. Приведенные кривые позволяют также учитывать кратковременность работы разведываемых радиоэлектронных средств, сокращающую предполагаемое время обслуживания.

 

Время ожидания в очереди.

Следующей характеристикой системы обслуживания является время ожидания в очереди. Это время в общем случае также является величиной случайной. В радиотехнической разведке время ожидания определяется вре­менем работы разведываемого радиоэлектронного устройства, т. е. временем пребывания разведываемого средства в системе обслуживания (разведки). Причем «обслуживаемые» сигналы могут в любой момент времени не только выбыть из очереди, но и прервать процесс обслуживания, не дожидаясь его окончания.

Различают два основных класса систем массового обслуживания – системы обслуживания с отказами и системы с ожиданием. В системах обслуживания с отказами заявка, пришедшая в момент, когда система занята, не обслуживается ни в данный момент времени, ни в последующие. Применительно к радиотехнической разведке это означает, что разведываемое средство не будет обнаружено, если порождаемый им сигнал поступает в систему обслуживания (разведки) в тот момент, когда в нем обрабатывается сигнал другого радиоэлектронного средства. Практически отмеченное обстоятельство может иметь место в случае разведки кратковременно работающих радиоэлектронных средств (например, радиолиний передачи разовых команд и др.), и особенно в случае разведки, проводимой для создания прицельных помех. Значительное количество радиоэлектронных средств, работает продолжительное время, поэтому проблема разведки подобного рода устройств должна рассматриваться в плане теории систем массового обслуживания с ожиданием.

Остановимся на характеристике типовых потоков сигналов, подлежащих разведке, и общем рассмотрении процессов обработки информации в разведывательном устройстве. Параметры потока сигналов в существенной мере зависят от театра военных действий, высоты полета летательного аппарата, осуществляющего разведку, чувствительности разве­дывательного устройства. Для заданных театра военных действий, высоты полета и разведывательного устройства поток сигналов на входе системы разведки с достаточной точностью можно считать простейшим (стацио­нарным пуассоновским).

Поток называется простейшим, если он стационарен, ординарен и в нем отсутствует последействие.

Поток, называется стационарным, если средняя плотность потока сигналов не зависит от времени, т. е., иными словами, вероятность попадания некоторого числа сигналов на интервал времени τ зависит только от длины этого интервала и не зависит от его положения на оси времени.

Поток называется ординарным, если вероятность одновременного попадания двух и более сигналов на малый интервал времени является величиной второго и более высокого порядка малости по сравнению с вероятностью попадания одного сигнала. На основании сформулированного условия вероятность прихода одного сигнала за время Δt примерно равна λΔt, где λ- плотность потока импульсов. Вероятность же прихода двух сигналов соответственно пропорциональна Δt² и т. д.

Последействие в потоке отсутствует, если число сигналов, приходящих в данный интервал времени, не зависит от того, какое их число приходило в другие, не перекрывающиеся интервалы времени. Иными словами, вероятность прихода сигнала в данный момент времени не зависит от того, имел или не имел место приход какого-либо сигнала во все предшествующие моменты времени.

Плотность потока λ, вообще говоря, в процессе разведки изменяется в связи с тем, что изменяется число станций, облучающих разведывательное устройство. Поэтому, строго говоря, в условиях разведки, например, с летательного аппарата входной поток сигналов не будет простейшим, т. е. практически условие стационарности не выполняется, в то время как остальные два условия в первом приближении выполняются, это позволяет реальный поток сигналов рассматривать как нестационарный пуассоновский поток. Учитывая медленный характер изменения λ(t) во времени, для ориентировочных расчетов можно полагать λ(t)=const.

Во многих станциях радиотехнической разведки имеет место многоэтапная обработка последовательности сигналов, в результате чего после каждого этапа обработки часть сигналов отсеивается. Например, это может иметь место за счет фильтрации по высокой частоте. На регистрирующее устройство поступает в значительной степени разреженный поток сигналов. Не исследуя процесс прохождения последовательностей сигналов в разведывательном устройстве по этапам будем рассматривать станцию радиотехнической разведки как единое устройство, характеризуемое временем обслуживания и пропускной способностью, на вход которого поступает простейший поток сигналов.

Как уже отмечалось выше, одной из основных характеристик разведывательного устройства как средства обслуживания является время обслуживания. Чтобы отчетливее представить, чем это время определяется, а также уяснить основные принципы опознавания образа радиоэлектронного средства в устройствах радиотехнической разведки, рассмотрим_в общем виде процесс обработки информации в разведывательном устройстве. Основные задачи радиотехнической разведки сводятся к обнаружению сигналов радиоэлектронного устройства, опознаванию образа обнаруженного средства и к оценке его основных параметров. Под обнаружением сигналов в данном случае понимается перехват разведывательным устройством сигналов заданного радиоэлектронного средства. Процесс перехвата сигна­лов, вообще говоря, требует некоторого времени; как правило, наибольшее время требуется для опознавания образа.

Процесс радиотехнической разведки можно представить в виде двух основных операций. Первая операция обеспечивает преобразование множества входных сигналов в множества параметров и признаков, характеризующих образы разведываемых средств. Вторая операция приводит в соответствие группы (подмножества) параметров (признаков) с конкретными образами радиоэлектронных средств (РЭС). К этой же операции можно отнести оценку параметров разведываемых средств.

Каждое радиоэлектронное средство однозначно определяется некоторой совокупностью независимых параметров (несущая частота, угол прихода радиоволн в данную точку наблюдения, ширина луча, поляризация, мощность, длительность импульса, частота следования импульсов, угловая скорость вращения антенны и др.). Эти параметры с помощью разведывательного устройства преобразуются либо к виду, удобному для наблюдения оператором, который их соответствующим образом регистрирует, либо к виду, удобному для записи на фотопленке или магнитной ленте, либо в напряжения и токи, которые, в свою очередь, кодируются двоичным кодом и записываются в виде чисел двоичной системы в памяти ЭЦВМ.

Каждому РЭС данного класса, характеризуемому заданным множеством из n независимых параметров, можно привести в соответствие вектор признаков в n-мерном метрическом пространстве. В качестве базиса пространства целесообразно выбрать указанные n независимых параметров, регистрируемых разведывательным устройством. Чтобы построить вектор признаков, соответствующий образу разведываемого РЭС, в процессе раз­ведки требуется сравнительно большое время. Чем больше времени будет затрачено на формирование вектора признаков, тем, вообще говоря, больше вероятность правильного решения об образе РЭС. Вместе с тем увеличение времени на опознавание образа уменьшает пропускную способность станции РТР и тем самым увеличивает вероятность пропуска разведываемого средства.

Кроме параметров, каждому радиоэлектронному устройству свойственны некоторые специфические признаки. Наиболее характерными признаками РЭС являются форма импульса, форма диаграммы направлен­ности, тонкая структура спектра последовательности сигналов. Иными словами, сигналы каждого из радиоэлектронных средств имеют свой характерный отпечаток.

Это позволяет в ряде случаев ограничиться, например, анализом формы всего одного импульса для принятия окончательного решения, что существенно сокращает время радиотехнической разведки.

Ограничимся рассмотрением двух наиболее характерных для радиотехнической разведки систем:

-одноканальной системы массового обслуживания с отказами;

-многоканальной системы с ограниченным временем ожидания.

Первоначально выведем уравнения для простейшего случая одноканальной системы.

 

Одноканальная система радиотехнической

разведки с отказами

Одноканальная система практически имеет место, когда применяются радиоразведывательные приемники с очень быстрой или очень медленной перестройками. Одноканальным в смысле теории массового обслуживания будет и разведывательное устройство, представляющее собой совокупность нескольких десятков приемников прямого усиления, каждый из которых обеспечивает прием импульсных сигналов в сравнительно узком диапазоне частот (система одновременного поиска по несущей частоте).

Несущая частота разведываемой РЭС определяется примерно с точностью до половины полосы пропускания высокочастотного фильтра соответствующего приемника из указанной совокупности. Среднее время обслуживания одним приемником равно нескольким периодам следования импульсов разведываемой РЭС.

Устройство РТР, подобное устройству массового обслуживания, нельзя назвать в полном смысле многоканальным, поскольку отдельные каналы не взаимозаменяемы. Каждый из приемников совокупности обслужи­вает только PЭC данного поддиапазона, и он не может обслужить сигналы PЭC другого диапазона. В теории же массового обслуживания многоканальной считается система, в которой каждый из каналов, свободный в данный момент времени, может обслужить любой сигнал, принадлежащий к обслуживаемому потоку сигналов. Фактически мы должны в этом случае рассматривать столько независимых потоков сигналов, сколько имеется независимых приемников. Чтобы приемник РТР можно было считать многоканальным устройством в смысле теории массового обслуживания, необходимо, чтобы каждый из его каналов мог обслужить любой из сигналов заданного класса.

Будем считать, что на вход одноканального разведывательного приёмника поступает пуассоновский поток импульсов. Первоначально для общности не будем требовать стационарности потока сигналов, однако потребуем, чтобы он был ординарным и без последствия.

Тогда вероятность Po(t) того, что система обслуживания будет свободна в момент времени t прихода разведываемого сигнала будет определяться [2]

 

Po= + , (1.9.1)

 

где µ=1/t_об, t_об - среднее время обслуживания.

Полученное решение позволяет определить основные параметры системы радиотехнической разведки в том случае, когда ее можно представить в виде одноканальной системы обслуживания с отказами (однократный поиск, разведка РЭС, работающих крайне ограниченное время).

Относительная пропускная способность системы радиоразведки с последовательным однократным поиском равна Р₀. В самом деле, по определению, относительная пропускная способность системы есть отношение среднего числа обслуженных сигналов к среднему числу сигна­лов поступивших на вход разведывательного устройства. Поскольку заявка может быть обслужена лишь в том случае, когда система свободна, т. е. с вероятностью Р₀, то численные значения относительной пропускной способности и Р₀ совпадают.

В установившемся режиме обслуживания (t—>∞)

 

Po= (1.9.2)

 

Этой формулой удобно пользоваться для определения потребного среднего времени обслуживания, обеспечивающего заданное значение вероятности разведки Р₀ при данном пуассоновском потоке сигналов плотностью λ=const:

 

t_об= (1.9.3)

 

Абсолютная пропускная способность одноканальной системы разведки (число сигналов, в среднем обслуживаемых за единицу времени) в установившемся режиме равна

 

q=P₀λ (1.9.4)

или

 

q= (1.9.5)

 

Многоканальная система радиотехнической разведки в случае ограниченного времени ожидания сигналов на входе приемника

Не останавливаясь на многоканальном радиоразведывательном приемнике, эквивалентном по принципу функционирования многоканальной системе обслуживания с отказами, перейдем к изучению многоканальных устройств, осуществляющих радиотехническую разведку радиоэлектронных устройств, работающих непрерывно в течение некоторых конечных отрезков времени, в общем случае распределенных по случайному закону. Рассматриваемые ниже условия радиотехнической разведки являются типовыми.

Закон распределения времени непрерывной работы разведываемых РЭС, так же как и закон распределения времени обслуживания, для удобства вычислений будем считать экспоненциальным. Это значит, что вероятность непрерывной работы разведываемого РЭС в течение времени t равна [2]:

 

Р(τ<t) = 1 - (1.9.6)

 

Здесь χ = 1 / ťож ,ťож– среднее время непрерывной работы разведуемых радиоэлектронных средств, среднее время ожидания.

Соответственно плотность распределения времени непрерывной работы равна

=χ (1.9.7)

В теории массового обслуживания аналогом подобного рода схемы разведки является система с ограниченным временем ожидания обслуживаемого средства в системе обслуживания. Причем речь идет об ожидании именно в системе обслуживания, а не в очереди, обслуживаемой отдельным каналом. Пусть система разведки имеет n независимых каналов, каждый из которых может обслужить любой сигнал из заданного пуассоновского потока сигналов на входе. Возможны следующие состояния системы радиотехнической разведки:

А₀ - сигналы на входе системы отсутствуют, все каналы свободны;

А₁- на вход системы поступил один сигнал и обслуживается в одном из каналов, остальные n-1 каналы свободны. Очереди нет;

Ai - на вход системы радиотехнической разведки поступило i сигналов и все они обслуживаются i каналами, произвольно выбранными из n. Очереди нет;

Аn - обслуживается n сигналов и очереди на входе системы разведки нет;

Аn+1 - все n каналов заняты обслуживанием и на входе системы радиотехнической разведки имеется один сигнал. Среднее время пребывания сигнала в системе

ťож = 1/χ ;

An+k - все каналы заняты обслуживанием и, кроме того, на входе имеется к сигналов, ожидающих обслуживания ограниченное время.

Количество возможных состояний системы бесконечно велико в силу неограниченности во времени потока разведываемых сигналов. Предполагая пуассоновский характер потока сигналов на входе системы разведки, можно определить вероятности того, что в момент времени t+Δt система будет находиться соответственно в каждом из указанных состояний, если в предшествующий фиксированный момент времени t она находилась в каком-либо из возможных для нее в данных условиях состояний.

В итоге получается бесконечная, но счетная система дифференциальных уравнений для вероятностей состояний многоканальной системы, осуществляющей радиотехническую разведку радиоэлектронных средств, работающих ограниченное время.

Сигнал, поступивший на вход системы разведки, может быть обнаружен и обработан (обслужен) и может быть пропущен, может уйти из очереди, не будучи обслуженным. Если обозначить через Рр вероятность того, что пришедший сигнал или группа сигналов будут приняты и обработаны в приемнике радиотехнической разведки, а через Рн – вероятность пропуска сигнала (вероятность того, что принятый сигнал уйдет из очереди, не будучи обслуженным), то всегда

 

Рр + Рн = 1

 

Обычно нас интересует величина Рр, характеризующая пропускную способность системы. Чтобы ее найти, определим вначале вероятность пропуска разведываемого сигнала Рн. Вероятность Рн можно определить как отношение среднего числа сигналов, уходящих из очереди, к среднему числу сигналов, поступающих в систему в единицу времени, для чего необходимо решить систему уравнений относительно вероятностей P₀, P₁,…, Pn,…, Pn+k,… и аналогично получить соотношение для пропускной способности.

Соответственно пропускная способность системы радиотехнической разведки определится формулой [2]:

 

q=1- (1.9.8)

 

Естественно, что пропускная способность системы с ожиданием выше, чем системы с отказами. По мере того как время ожидания уменьшается, система с ожиданием приближается к системе с отказами.

В теории массового обслуживания доказывается, что в системах с неограниченным временем ожидания не всегда имеет место стационарный режим.

Стационарный режим существует, если среднее число заявок, поступающих в течение времени, равного среднему времени обслуживания одной заявки, не превышает числа каналов системы обслуживания, т.е. если

λ/µ < n

Во многих случаях произведение nµ в сотни раз больше χ, что позволяет существенно упростить формулы.

Вывод. Разработанный в теории массового обслуживания математический аппарат позволяет решать многие задачи радиотехнической разведки как непосредственно связанные с боевым применением, так и с проектированием соответствующей аппаратуры.

 

Контрольные вопросы

 

1.Какие задачи решаются с помощью радиотехнической разведки?

2.Какие задачи радиотехнической разведки можно решать, применяя теорию массового обслуживания?

3.В чем состоит суть систем массового обслуживания с отказами и с ожиданием?

4.В каком случае на практике имеет место одноканальная система?

5.В каком случае на практике имеет место многоканальная система?