tuzsutТруды учебных заведений связиProceedings of Telecommunication Universities1813-324X2712-8830СПбГУТ10.31854/1813-324X-2023-9-4-6-13tuzsut-494Research ArticleКОМПЬЮТЕРНЫЕ НАУКИ И ИНФОРМАТИКАCOMPUTER SCIENCE AND INFORMATICSОценка дальности обнаружения малоразмерных БПЛА при заданной вероятности их идентификацииDetection Range Estimation of Small UAVs at a Given Probability of Their Identificationhttps://orcid.org/0000-0001-7426-6475ДворниковС. С.DvornikovS.-jr

кандидат технических наук, доцент института радиотехники, электроники и связи (институт 2) Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения; научный сотрудник научно-исследовательского отдела Военной академии связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного

dvornik.92@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4889-0001ДворниковС. В.DvornikovS.

доктор технических наук, профессор, профессор института радиотехники, электроники и связи (институт 2) Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения; профессор кафедры Военной академии связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного

practicdsv@yandex.ruСанкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения; Военная академия связи им. С.М. БуденногоРоссияSaint Petersburg State University of Aerospace Instrumentation; Military Academy of CommunicationsRussian Federation20231909202394613Copyright © Дворников С.С., Дворников С.В., 20232023Дворников С.С., Дворников С.В.Dvornikov S., Dvornikov S.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://tuzs.sut.ru/jour/article/view/494

Представлены результаты разработки научно-методического аппарата, обеспечивающего проведение оценки дальности обнаружения малоразмерных беспилотных летательных аппаратов. Рассмотрены общие проблемы радиолокационного обнаружения малоразмерных объектов. Осуществлена математическая постановка задачи исследования с позиций обнаружения радиолокационных сигналов в шумах на основе вероятностного подхода. Обоснованы параметры радиолокационных станций, имеющих наиболее существенное значение для повышения достоверности обнаружения объектов с малой эффективной поверхностью рассеивания. Приведены функциональные зависимости дальности обнаружения малоразмерных беспилотных летательных аппаратов от значения отношения сигнал/шум в канале и чувствительности приемных устройств. Исследована зависимость дальности обнаружения от длины волны излучений радиолокационных станций. Представлена количественная оценка вероятностей правильного обнаружения малоразмерных целей и ложной тревоги при различных значениях порога принятия решения. Разработаны номограммы для оценки возможностей обнаружителей беспилотных летательных аппаратов типа Phantom 3. Обоснованы требования к структуре радиолокационных сигналов, используемых для обнаружения малоразмерных целей.

The results of the development of a scientific and methodological apparatus that provide an assessment of the detection range of small-sized unmanned aerial vehicles are presented. The general problems of radar detection of small objects are considered. A mathematical formulation of the research problem is carried out from the stand-point of detecting radar signals in noise based on a probabilistic approach. Substantiated are the parameters of radar stations, which are of the most significant importance for increasing the reliability of detecting objects with a small effective scattering surface. The functional dependences of the detection range of small unmanned aerial vehicles on the value of the signal-to-noise ratio in the channel and the sensitivity of the receiving devices are given. The dependence of the detection range on the wavelength of radiation from radar stations has been studied. A quantitative assessment of the probabilities of correct detection of small targets and false alarms is presented for various values of the decision threshold. Nomograms have been developed to assess the capabilities of detectors of unmanned aerial vehicles of the Phantom 3 type. The requirements for the structure of radar signals used to detect small targets are substantiated.

обнаружение малоразмерных целейдальность обнаружения беспилотных летательных аппаратоввероятность правильного обнаружения сигналаномограммы оценки возможностей обнаружителейdetection of small targetsdetection range of unmanned aerial vehiclesprobability of correct signal detectionnomograms for assessing the capabilities of detectorsReferencesТитков О.С. Полезная нагрузка некоторых малоразмерных БЛА // Авиационные системы. 2018. № 3. С. 33‒36.Titkov O.S. Payload of some small UAVs. Aviatsionnye sistemy. 2018;3:33‒36.Павлович А.В., Крюкова Н.А., Ефремов В.В. Модель применения малоразмерных беспилотных летательных аппаратов с целью экологического мониторинга // Информационные технологии в строительных, социальных и экономических системах. 2020. № 4(22). С. 20‒24.Pavlovich A.V., Krukova N.A., Efremov V.V. Model of the Using Little Dimensioned Unmanned Aircraft Systems for the Reason Ecological Monitoring. Informatsionnye tekhnologii v stroitelnykh sotsialnykh i ekonomicheskikh sistemakh. 2020;4(22):20‒24.Сидорцов И.А., Подстригаев А.С. Обзор способов противоправного применения коммерческих беспилотных летательных аппаратов // XXXV международная научно-практическая конференция «Молодой исследователь: вызовы и перспективы» (Москва, Россия, 12–22 июня 2017). М.: ООО «Интернаука», 2017. Т. 10(35). С. 367‒374.Sidortsov I.A., Podstrigaev A.S. Review of methods of illegal use of commercial unmanned aerial vehicles. Proceedings of the XXXV International Scientific and Practical Conference on Young researcher: Challenges and Prospects, 12–22 June 2017, Moscow, Russia, vol.10(35). Moscow: Internauka Publ.; 2017. p.367‒374.Алешина-Алексеева Е.Н. Беспилотные летательные аппараты: их роль при административном правонарушении и преступлении // Управление деятельностью по обеспечению безопасности дорожного движения: состояние, проблемы, пути совершенствования. 2021. № 1(4). С. 21‒23.Aleshina-Alekseeva E.N. The Role of Remotely Piloted Aircraft in Administrative Violation and Offense. Managing of activities to ensure road safety: state, problems, ways of improvement. 2021;1(4):21‒23.Пахомов М.Е., Зуева М.А. Обзор средств борьбы с мультикоптерами, используемыми в террористических целях // Актуальные вопросы теории и практики в деятельности подразделений полиции. Материалы внутриведомственной научно-практической конференции. 2018. С. 63‒66.Pakhomov M.E., Zueva M.A. Review of means of combating multicopters used for terrorist purposes. Topical Issues of Theory and Practice in the Activities of Police Units. Materials of Intradepartmental Scientific-Practical Conference. 2018:63‒66.Костромицкий С.М., Нефедов Д.С. Оценка энергетического выигрыша при обнаружении малоразмерных целей методом «Сопровождение до обнаружения» // Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2022. № 3. С. 67‒78.Kostromitsky S.M., Nefedov D.S. Estimation of the Energy Gain when Detecting Small-Sized Targets by the "Track-Before-Detect” Method. Vestnik Koncerna VKO "Almaz ‒ Antey". 2022;3:67‒78.Дворников С.В., Пшеничников А.В. Формирование спектрально-эффективных сигнальных конструкций в радиоканалах передачи данных контрольно-измерительных комплексов // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2017. Т. 60. № 3. С. 221‒228. DOI:10.17586/0021-3454-2017-60-3-221-228Dvornikov S.V., Pshenichnikov A.V. Design of Spectral-Efficient Signal Construction in Radio Data Transmission Control and Measuring Complexes. Journal of Instrument Engineering. 2017;60(3):221‒228. DOI:10.17586/0021-3454-2017-60-3-221-228Архипов В.Л., Чеботарев А.Н., Курилов А.В. Модель нарушителя воздушного пространства важного государственного объекта, охраняемого войсками национальной гвардии России // Военная мысль. 2017. № 3. С. 54‒58.Arkhipov V.L., Chebotaryov A.N., Kurilov A.V. A Model of the Intruder of Air Space Over an Important State Facility Protected by the Russian National Guard’s Troops. Voennaia mysl. 2017;3:54‒58.Дворников С.В. Метод обнаружения на основе посимвольного перемножения реализаций спектра наблюдаемого процесса с автоматическим расчетом порога принятия решения // Научное приборостроение. 2004. Т. 14. № 4. С. 92‒97.Dvornikov S.V. Time-Varying Process Detection Method Based on Spectrum Character Multiplication with an Automatic Identification Threshold. Nauchnoe priborostroenie. 2004;4:92‒97.Курысев К.Н. Некоторые проблемы борьбы с беспилотными летательными аппаратами в условиях уголовно-исполнительной системы: особенности и способы противодействия // Пенитенциарное право: юридическая теория и правоприменительная практика. 2022. № 1(31). С. 125‒128.Kurysev K.N. Some Problems of the Fight against Unmanned Aerial Vehicles in the Conditions of the Penal System: Features and Methods of Counteraction. Penitentsiarnoe pravo iuridicheskaia teoriia i pravoprimenitelnaia praktika. 2022;1(31):125‒128.Кольчевская М.Н., Кривошеев П.Д., Кольчевская И.Н., Малаховский Е.А., Петров П.В., Кольчевский Н.Н. Применение квадрокоптера Phantom 3 в качестве измерительной лаборатории // Математические методы в технике и технологиях ‒ ММТТ. 2019. Т. 12-3. С. 22‒28.Kolchevskay M.N., Krivosheev P.D., Kolchevskay I.N., Malakhovsky E.A., Petrov P.V., Kolchevsky N.N. Application of Quadcopter Phantom 3 as a Measuring Laboratory. Mathematical Methods in Engineering and Technology ‒ MMTT. 2019;12-3:22‒28.Макаренко С.И. Противодействие беспилотным летательным аппаратам. СПб.: Издательство «Наукоемкие технологии», 2020. 204 с.Makarenko S.I. Counteraction to Unmanned Aerial Vehicles. St. Petersburg: Science-intensive technologies Publ.; 2020. 204 p.Макаренко С.И. Робототехнические комплексы военного назначения ‒ современное состояние и перспективы развития // Системы управления, связи и безопасности. 2016. № 2. С. 73‒132. DOI:10.24411/2410-9916-2016-10204Makarenko S.I. Military Robots ‒ the Current State and Prospects of Improvement. Control systems, communications and security. 2016;2:73‒132. DOI:10.24411/2410-9916-2016-10204Антонов И.К., Жуков М.Н. Модели сигналов и помех в многолучевом радиолокаторе при обнаружении беспилотных летательных аппаратов // Успехи современной радиоэлектроники. 2022. Т. 76. № 3. С. 55‒61.Antonov I.K., Zhukov M.N. Models of signals and interference in a multi-beam radar when detecting unmanned aer-ial vehicles. Uspekhi sovremennoi radioelektroniki. 2022;76(3):55‒61.Маркович И.И., Панычев А.И., Завтур Е.Е. Цифровая обработка сигналов в пассивной многопозиционной РЛС, созданной на базе группировки БЛА // Известия ЮФУ. Технические науки. 2022. № 1(225). С. 6‒17. DOI:10.18522/2311-3103-2022-1-6-17Markovich I.I., Panychev A.I., Zavtur E.E. Digital Signal Processing in a Passive Multi-Position Radar, Created on the Basis of the UAV Grouping. Izvestiya SFedU. Engineering Sciences. 2022;1(225):6‒17. DOI:10.18522/2311-3103-2022-1-6-17Вовшин Б.М., Хитров А.В. Пространственно-временная обработка сигналов в MIMO РЛС с антенными решётками // Вестник воздушно-космической обороны. 2021. № 3(31). С. 45‒56.Vovshin B.M., Khitrov A.V. Spatio-temporal signal processing in MIMO radar with antenna arrays. Vestnik vozdushno-kosmicheskoi oborony. 2021;3(31):45‒56.Дворников С.В., Крячко А.Ф., Пшеничников А.В. Моделирование радиотехнических систем в конфликтных ситуациях когнитивного характера // XXII Международная научная конференция «Волновая электроника и инфокоммуникационные системы» (Санкт-Петербург, Россия, 03–07 июня 2019). Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, 2019. Ч. 2. С. 84‒89.Dvornikov S.V., Kryachko A.F., Pshenichnikov A.V. Research of Radio Engineering Systems in Conflict Situations of Cognitive Character. Proceedings of the XXII International Scientific Conference on Wave Electronics and Infocommunication Systems, 03‒07 June, St. Petersburg, Russia, part 2. St. Petersburg: Saint Petersburg State University of Aerospace Instrumentation Publ.; 2019. p.84‒89.Панкратов В.А., Тверская Е.С. Байесовская теория принятия решений как основа статистической теории распознавания образов // Modern European Researches. 2021. № 2-1. С. 102‒107.Pankratov V.A., Tverskaya E.S. Bayesian decision theory as a basis for the statistical theory of pattern recognition. Modern European Researches. 202;2-1:102‒107.Лавров А.А., Антонов И.К., Касаикин А.А., Овчинников В.Г., Огородников М.С. Экспериментальные исследования радиолокационного метода обнаружения малоразмерной воздушной цели при длительном когерентном накоплении сигнала // Успехи современной радиоэлектроники. 2022. Т. 76. № 3. С. 27‒38. DOI:10.18127/j00338486-202008(16)-06Lavrov A.A., Antonov I.K., Kasaikin A.A., Ovchinnikov V.G., Ogorodnikov M.S. Experimental studies of the radar method for detecting a small air target with long-term coherent signal accumulation. Uspekhi sovremennoi radioelektroniki. 2022;76(3):27‒38. DOI:10.18127/j00338486-202008(16)-06Антонов И.К., Жуков М.Н., Ненашев А.С., Чернов С.А. Методика обоснования требований к характеристикам приемного канала в многолучевом радиолокаторе при обнаружении малозаметных воздушных целей // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2017. Т. 15. № 4. С. 56‒63.Antonov I.K., Zhukov M.N., Nenashev A.S., Chernov S.A. Method of Requirements Justification for Receive Path of Multi-Beam Radar during Detection of Stealth Aerial Targets. Informatsionno-izmeritelnye i upravliaiushchie sistemy. 2017;15(4):56‒63.Симонов А.Н., Волков Р.В., Дворников С.В. Основы построения и функционирования угломерных систем координатометрии источников радиоизлучений. СПб.: ВАС, 2017. 248 с.Simonov A.N., Volkov R.V., Dvornikov S.V. Fundamentals of Construction and Operation of Goniometric Systems for Coordinate Measurement of Radio Emission Sources. St. Petersburg: VAS Publ.; 2017. 248 p.Рябченко В.Ю., Паслён В.В. Обзор способов уменьшения эффективной поверхности рассеивания радиотехнических объектов // Вестник Донецкого национального университета. Серия Г: Технические науки. 2018. № 2. С. 27‒33.Ryabchenko V.Yu., Paslyon V.V. Research of Ways of Reduction the Radar Cross-Section Radiotechnical Objects. Bulletin of the Donetsk National University. Series G: Technical Sciences. 2018;2:27‒33.Парнес М. Расчет эффективной поверхности рассеяния малых объектов // СВЧ электроника. 2017. № 2(3). С. 22‒24.Parnes M. Calculation of the Effective Scattering Surface of Small Objects. SVCH elektronika. 2017;2(3):22‒24.Вознюк М.А., Дворников С.В., Винокуров М.Е., Петросян А.П., Романенко П.Г. Работа линий радиосвязи с ППРЧ в условиях преднамеренных помех // Информационные технологии. 2012. № 10. С. 64‒67.Voznyuk M.A., Dvornikov S.V., Vinokurov M.E., Petrosyan A.P., Romanenko P.G. Operation of radio communication lines with frequency hopping under conditions of intentional interference. Information Technologies. 2012;10:64‒67.Толстуха Ю.Е., Дворников А.С., Голик А.М., Устинов А.А., Дворников С.В., Таргаев О.А. и др. Обоснование требований к РЛС с позиций оценки коэффициента различимости // Вопросы радиоэлектроники. Серия: Техника телевидения. 2021. № 3. С. 101‒107.Tolstukha Y.E., Dvornikov A.S., Golik А.М., Ustinov A.A., Dvornikov S.V., Torgaev О.А. Justification of Requirements for Radars from the Position of Estimating the Differences Coefficient. Voprosy radioelektroniki. Seriia: Tekhnika televideniia. 202;3:101‒107.Викторов Д.С., Пластинина Е.В., Пластинина Е.В. Обоснование требований к цифровым синтезаторам сигналов для различных типов РЛС // Вестник Тверского государственного университета. Серия: Прикладная математика. 2020. № 4. С. 43‒55. DOI:10.26456/vtpmk604Viktorov D.S., Plastinina E.V., Samovolina E.V. Justification of requirements for digital signal synthesizers for various types of radar. Herald of Tver State University. Series: Applied Mathematics. 2020;4:43‒55. DOI:10.26456/vtpmk604Дворников С.В. Метод обнаружения на основе посимвольного перемножения реализаций спектра наблюдаемого процесса с автоматическим расчетом порога принятия решения // Научное приборостроение. 2004. Т. 14. № 4. С. 92‒97.Dvornikov S.V. Time-Varying Process Detection Method Based on Spectrum Character Multiplication with an Auto-matic Identification Threshold. Nauchnoe priborostroenie. 2004;14(4):92‒97.Андреев М.Я., Губарев А.В., Охрименко С.Н., Паршуков В.Н., Рубанов И.Л. Оценка вероятности ложной тревоги обнаружения цели при интеграции информационных систем подводного наблюдения надводного корабля // Датчики и системы. 2019. № 9(239). С. 37‒39.Andreev M.Ya., Gubarev A.V., Oсhrimenko S.N., Parshukov V.N., Rubanov I.L. Estimation Calculus of Probability by False Alarm Under Integration Information Systems of Underwater Searching by Surface Ship. Sensors and systems. 2019;9(239):37‒39.Дворников С.В., Железняк В.К., Комарович В.Ф., Храмов Р.Н. Метод обнаружения радиосигналов на основе обработки их частотно-временных распределений плотности энергии // Информация и космос. 2005. № 4. С. 13‒16.Dvornikov S.V., Zheleznyak V.K., Komarovich V.F., Khramov R.N. A method for detecting radio signals based on processing their frequency-time distributions of energy density. Information and space. 2005;4:13‒16.Дворников С.В. Теоретические основы синтеза билинейных распределений энергии нестационарных процессов в частотно-временном пространстве (обзор) // Труды учебных заведений связи. 2018. Т. 4. № 1. С. 47‒60.Dvornikov S. Theoretical Foundations of the Synthesis of Bilinear Energy Distributions of Nonstationary Processes in the Frequency-Temporary Space: Review. Proc. of Telecommun. Univ. 2018;4(1):47‒60.Белов С.П., Сердюков В.С., Белов А.С., Скобченко Е.В. О формировании и обработке сложных канальных сигналов на основе частотно-временных матриц // Экономика. Информатика. 2023. Т. 50. № 1. С. 211‒218. DOI:10.52575/2687-0932-2023-50-1-211-218Belov S.P., Serdyukov V.S., Belov A.S., Skobchenko E.V. On the formation and processing of complex channel signals based on time-frequency matrices. Economics. Information Technologies. 2023;50(1):211‒218. DOI:10.52575/2687-0932-2023-50-1-211-2186

The authors declare that there are no conflicts of interest present.