Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ : 5
1 МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ
РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ ПАССИВНЫМИ СРЕДСТВАМИ 11
1.1 Обзор пассивных методов определения местоположения
источников радиоизлучения 11
1.2. Выводы по 1 главе 32
2 АМПЛИТУДНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ
ИСТОЧНИКОВ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ОБРАБОТКИ ФУНКЦИИ, ЗАВИСЯЩЕЙ ОТ ИЗМЕРЯЕМОГО
ПАРАМЕТРА 33
2.1 Угломерная система определения местоположения наземного
источника радиоизлучения с борта летательного аппарата 33
2.2 Амплитудно-дифференциальный метод определения
местоположения 35
Амплитудно-интегральный метод определения местоположения 40
Использование метода наименьших квадратов для вычисления
оценок измеряемых параметров 43
2.5 Суммарно-разностный амплитудный метод определения
местоположения источника радиоизлучения с использованием
аппроксимации Паде 47
2.6 Выводы по 2 главе 51
3 РАСЧЕТ ПОГРЕШНОСТЕЙ АМПЛИТУДНЫХ МЕТОДОВ
ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ
РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ 54.
Условия применимости амплитудных методов 54
Обоснование выбора начальных условий 66
Погрешности, связанные с условиями распространения радиоволн .67
Потенциальная точность измерения амплитуды сигнала на фоне
помех 68
3.5 Погрешности измерения дальности и направления для
амплитудного метода определения местоположения 69
3.6 Погрешности измерения дальности и направления для
амплитудно-дифференциального метода определения
местоположения 74
3.7 Погрешности измерения дальности и направления для
амплитудно-интегрального метода определения местоположения.. 80
3.8 Расчет погрешностей амплитудного метода определения
местоположения излучающих объектов с использованием
регрессионного анализа 86
3.9 Выводы по 3 главе 93
4 МОДЕЛИРОВАНИЕ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
АМПЛИТУДНЫХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ 95
Описание программы моделирования 95
Моделирование амплитудно-интегрального метода 97
Моделирование амплитудно-интегрального способа определения
местоположения источников радиоизлучения с амплитудной и
частотной модуляцией 101
4.4 Моделирование регрессионного метода определения
местоположения источников радиоизлучения 106
4.5 Моделирование способа определения местоположения источников
радиоизлучения с амплитудной и частотной модуляцией с
помощью регрессионного анализа 109
4.6 Сравнение результатов моделирования с теоретическими
расчетами 114
4.7 Выводы по 4 главе 120
4
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 122
Литература 126
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 137
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 147
Введение к работе
Одной из традиционных задач радионавигации является определение собственных параметров движения и местоположения подвижного объекта [1-3]. Изначально использовался запросный принцип, т.е. происходил обмен информацией между объектом и опорными пунктами радионавигационной системы. Впоследствии стали развиваться пассивные методы определения местоположения (МП) объекта, когда сигнал излучали только опорные станции, а на объекте эти сигналы принимались, обрабатывались, в результате чего определялось МП объекта. Предполагалось, что параметры сигналов, излучаемых опорными станциями, известны на объекте. В дальнейшем методы определения МП существенно развились [4-6]. Стали использоваться подвижные базы, учитываться эффект Доплера, разрабатываться новые методы определения МП. Весьма актуальным становится вопрос об определении МП излучающих объектов с неизвестными координатами пассивными радионавигационными средствами [7,8].
В связи с указанными направлениями развития методов определения МП возникают новые аспекты исследуемых вопросов. В частности, при использовании подвижных опорных пунктов (подвижных баз) повышаются требования к точности определения МП самих опорных пунктов (опорных радионавигационных точек) в процессе их движения, а при определении МП излучающих объектов необходимо исследовать точность оценки МП вследствие априорной неопределенности о параметрах сигнала (несущей частоте, ширине спектра, виде модуляции). Упомянутые вопросы рассмотрены в различных источниках [9-11].
Определяемые на борту данные о расположении излучающих объектов относительно движущегося наблюдателя (воздушного или космического летательного аппарата (ЛА)) могут быть использованы для решения как навигационной задачи - при априорно известных координатах излучателей, так и задачи определения положения этих объектов в пространстве - движущихся
6 (например, других ЛА) или неподвижных (в частности, таких, как наземные источники радиопомех навигационным средствам). Актуальность первой из них отмечена, например, в [12] в связи с уязвимым местом системы глобального позиционирования - недостаточной устойчивостью в конфликтных ситуациях, в то время как средства навигации по наземным ориентирам, в частности, по источникам излучения, имеют высокую автономность, скрытность, помехоустойчивость и живучесть. В числе возможных ориентиров в [12] указаны радиолокационные станции (РЛС) управления воздушным и морским движением, радиомаяки, радиостанции и другие источники излучения, в том числе не предназначенные специально для использования в качестве радионавигационных точек (РНТ). Применение излучателей или ответчиков в качестве навигационных точек при околопланетных полетах, в частности, с использованием информации о дальностях до нескольких таких точек, рассмотрено в [13], а решение навигационной задачи методом обратной триангуляции - по пеленгам на источники излучения с известными координатами - в [14]. В последнем случае текущее положение и скорость равномерно движущегося ЛА могут быть определены по четырем последовательным измерениям пеленгов, например, из приведенных в [15] уравнений.
В качестве примера технического решения задачи местоопределения излучателей с борта ЛА можно привести описанную в [16] самолетную систему обнаружения и определения МП источников радиопомех навигационным средствам в нескольких участках диапазона частот, содержащую набор панорамных и следящих приемников в каждом поддиапазоне и соответствующих пеленгационных антенн для приема в переднем секторе ЛА; определение МП источника производится путем вывода на него самолета по пеленгу. В настоящее время в связи с продолжающимся ростом количества и энергетических показателей различных электро- и радиотехнических установок (производственных, связных, телевизионных, радиолокационных), способных создавать помехи средствам радионавигации, задача выявления и определения
7 местоположения таких источников радиоизлучения становится еще более актуальной [17].
Однако применение для этих целей таких относительно сложных специализированных авиационных комплексов, как описанный в [16] неизбежно ограничено, в частности, в виду трудностей установки на ЛА многодиапазонных антенн, достаточно громоздких и критичных к условиям размещения. В этой связи представляют интерес более простые и экономные в технической реализации беспеленговые методы определения относительных координат излучающих объектов с борта ЛА, такие как доплеровские, энергетические, временные и дальномерные.
Доплеровские методы позиционирования широко используются в спутниковых навигационных системах, где опорные РНТ-излучатели размещены на движущихся по определенным орбитам спутниках и координаты объектов навигации вычисляются по измерениям доплеровского сдвига частоты этих излучателей с учетом известного положения спутников. Известен и ряд вариантов решения обратной задачи - определения местоположения источника излучения по доплеровскому смещению его частоты, обусловленному движением источника или наблюдателя [18-20]; беспеленговый метод определения относительных координат направленного сканирующего излучателя с периодическим обзором пространства, использующий сходный с доплеров-ским эффект изменения интервалов между последовательными облучениями этим излучателем движущегося наблюдателя, приведен в [15].
Отметим, что решение данной задачи в ряде случаев осложняется отсутствием априорных данных о точном значении частоты того или иного излучателя, в связи с чем для вычисления его координат приходится использовать данные только об относительных изменениях частоты.
Задача определения местоположения источников излучения (в том числе и радиоизлучения) пассивными средствами как наземного (надводного), так и воздушного базирования как была актуальной в прошлом, так и остается таковой в настоящее время и останется в будущем. Объясняется это ростом
8 числа излучающих средств в различных диапазонах волн; расширением диапазона используемых частот; необходимостью решать задачи электромагнитной совместимости, радиоконтроля и т.п.
Для определения МП источников радиоизлучения (ИРИ) с борта лета-
k тельного аппарата (ЛА) могут быть использованы пассивные методы, учиты-
вающие собственное движение ЛА [21-25], что имеет большую практическую значимость.
Определение МП неподвижного (малоподвижного) неземного (надводного) ИРИ с борта ЛА с учетом информации о параметрах его движения позволяет создать одну или несколько баз, существующих последовательно во времени, а использование амплитудных методов делает их инвариантными к виду модуляции и дает возможность осуществить простую аппаратную реализацию этих методов.
В данной работе предложены:
амплитудно-интегральный метод определения местоположения;
метод определения местоположения с использованием регрессионного анализа (метод наименьших квадратов);
суммарно-разностный метод.
Целью данной диссертационной работы является
рассмотрение энергетических (амплитудных) методов определения местоположения ИРИ с использованием дифференцирования (интегрирования) функции, зависящей от интенсивности принимаемого сигнала;
определение местоположения ИРИ с использованием метода наименьших квадратов;
рассмотрение суммарно-разностного метода;
определение требований к условиям их применимости;
расчет погрешностей указанных методов;
проведение имитационного моделирования.
Для достижения поставленной задачи сделано следующее:
Получены аналитические выражения для расчета дальности и направления источника радиоизлучения с борта ЛА амплитудно-дифференциальным, амплитудно-интегральным методами, с использованием метода наименьших квадратов и суммарно-разностным методом;
Исследованы условия применимости амплитудных методов;
Получены теоретические соотношения для погрешностей определения дальности и направления на источник излучения в зависимости от различных аргументов, определяющих точности измерения дальности и направления и рассчитаны соответствующие графики для исследуемых методов с целью их сравнения;
Проведено имитационное моделирование ошибок измерения амплитудных методов, подтверждающее справедливость теоретических выкладок.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 154 стр., список литературы из 106 наименований.
Во ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель работы, дано общее описание выполненной работы.
В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ приведен библиографический и патентный обзор литературы, посвященной пассивным системам определения местоположения источников радиоизлучения. Проведен их сравнительный анализ и дано обоснование выбора амплитудных методов.
Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ рассмотрены амплитудные методы определения местоположения источников радиоизлучения с использованием дифференцирования (интегрирования) функции, зависящей от интенсивности принимаемого сигнала. Получены теоретические соотношения для амплитудного способа определения местоположения источников радиоизлучения с использованием метода наименьших квадратов. Предложен суммарно-разностный метод. Выведены формулы для вычисления дальности и направления на объект.
10 В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ рассмотрены условия применимости амплитудных методов, произведен расчет погрешностей энергетических методов определения местоположения источников радиоизлучения. Получены теоретические соотношения для расчета погрешностей по дальности и углу для амплитудных методов и построены соответствующие графики.
В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ приведены результаты экспериментальных исследований предложенных методов и показано их соответствие теоретическим результатам. Описано разработанное программное обеспечение, приведены требования к минимальным аппаратным ресурсам вычислительной системы. Проведен сравнительный анализ методов.
В ЗАКЛЮЧЕНИИ изложены основные выводы и результаты диссертационной работы.
