Содержание к диссертации
ОГЛАВЛЕНИЕ 1
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 4
ВВЕДЕНИЕ 7
1. ОБЗОР АВТОМАТИЧЕСКИХ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ПОДАВИТЕЛЕЙ ПОМЕХ ДЛЯ СРНС 13
1.1. Влияние действия помех на НАП СРНС 13
1.1.1. Основные определения в области помехоустойчивости и виды помех 13
1.1.2. Оптимальная и подоптимальная помехи для приема сигналов GPS и ГЛОНАСС 14
1.1.3. Основные типы непреднамеренных и преднамеренных помех, оказывающие влияние на прием сигналов GPS и ГЛОНАСС 16
1.2. Идея пространственной обработки и главные особенности задачи пространственного подавления помех для защиты СРНС 17
1.3. Способы пространственно-временной обработки сипіалов СРНС для повышения помехозащищенности НАП 19
1.4. Варианты технической реализации антенных подавителей помех 23
1.5. Обзор известных зарубежных аналогов пространственных подавителей помех СРНС28
2. СИСТЕМАТИЗАЦИЯ МЕТОДОВ ФОРМИРОВАНИЯ ВЕКТОРА ВЕСОВЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ, ОСНОВАННЫХ НА ПРОСТРАНСТВЕННЫХ РАЗЛИЧИЯХ СИГНАЛОВ И ПОМЕХ 33
2.1. Характеристики качества подавления помех 33
2.2. Математическая запись методов пространственной режекции помех 34
2.2.1. Наиболее применяемые на практике критерии адаптации ВВК 35
2.2.1.1. Минимум среднеквадратической ошибки 35
2.2.1.2. Минимум среднеквадратической ошибки с ограничениями 36
2.2.1.3. Максимум отношения сигнал/(помеха+шум) 37
2.2.1.4. Минимум мощности выходного сигнала АФАР при ограничениях 37
2.2.2. Основы теории фильтров Винера 38
2.2.3. Рекурсивные алгоритмы адаптации ВВК 39
2.2.3.1. Градиентные алгоритмы 39
2.2.3.1.1. Алгоритмы первого и второго порядков 40
2.2.3.2. Поисковые алгоритмы 41
2.2.3.3. Рекурсивный алгоритм наименьших квадратов 43
2.2.4. Алгоритмы прямого решения 45
2.2.4.1. Алгоритм непосредственного обращения корреляционной матрицы данных. 45
2.2.4.2. Алгоритм рекуррентного обращения корреляционной матрицы 46
2.2.4.3. Алгоритм последовательной декорреляции помех 46
2.3. Примеры эффективных алгоритмов подавления помех на основе пространственной обработки сигналов 48
2.3.1. Алгоритмы по минимуму мощности колебаний на выходе подавителя помех 48
2.3.1.1. Пространственно-временной алгоритм по минимуму мощности с ограничениями 48
2.3.1.2. Пространственный алгоритм по минимуму мощности 53
2.3.2. Алгоритмы по минимуму среднеквадратического отклонения выходного процесса от ожидаемого 53
2.3.2.1. Пространственно-временной алгоритм по минимуму СКО 53
2.3.2.2. Пространственный алгоритм по минимуму СКО 55
2.3.3. Оценка количества векторно-матричных и арифметических операций 56
2.3.3.1. Оценка количества векторно-матричных и арифметических операций алгоритма пространственно-временной обработки по минимуму СКО 57
2.3.3.2. Оценка количества векторно-матричных и арифметических операций алгоритма пространственной обработки по минимуму СКО 61
2.3.3.3. Оценка количества векторно-матричных и арифметических операций алгоритма пространственно-временной обработки по минимуму мощности 62
2.3.3.4. Оценка количества векторно-матричных и арифметических операций алгоритма пространственной обработки по минимуму мощности 65
2.3.3.5. Требуемая производительность вычислительной системы 66
2.3.3.6. Выводы 66
2.4. Выводы 66
3. АНАЛИЗ АЛГОРИТМОВ ПОДАВЛЕНИЯ ПОМЕХ МЕТОДАМИ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ 68
3.1. Моделирование сигнально-помеховой обстановки 68
3.1.1. Модель сигнально-помеховой обстановки 68
3.1.1.1. Формирование полезного сигнала и помехи 68
3.1.1.2. Формирование фронтов сигналов и помех на приемных элементах АФАР... 71
3.1.1.2.1. Учет задержек распространения до приемных элементов АФАР 71
3.1.1.2.2. Формирование фронта полезного сигнала на ПЭ 74
3.1.1.2.3. Формирование фронта помех на ПЭ 75
3.1.1.2.4. Формирование фронта нестационарных помех на ПЭ 76
3.1.1.3. Нормировка сигналов и помех 76
3.2. Модель нестабильности коэффициентов передачи приемных каналов подавителя помех 77
3.2.1. Модель нестабильности по частоте полосового фильтра 77
3.2.2. Описание способа формирования итогового сигнала 79
3.3. Количественные характеристики подавления помех для ПОС и ПВОС алгоритмов... 79
3.3.1. Анализ влияния расстояния между антенными элементами на качественные показатели АФАР 79
3.3.2. Оценка качества подавления помех алгоритмов в зависимости от числа источников широкополосных помех и их расположения 83
3.3.2.1 Оценка качества подавления помех для алгоритма ПОС по минимуму мощности 83
3.3.2.2. Оценка качества подавления помех для алгоритма ПОС по минимуму СКО 844
3.3.2.3. Оценка качества подавления помех в зависимости от числа широкополосных помех и их расположения для алгоритмов ПВОС 85
3.3.3. Оценка времени подавления помех 85
3.3.4. Выводы 88
3.4. Пошаговое построения диаграмм направленности АФАР в процессе адаптации к помехам 88
3.4.1. Пример пошагового построения диаграмм направленности 4-х элементной АФАР в процессе адаптации к помехам 88
3.4.2. Пример пошагового построения диаграмм направленности 7-ми элементной АФАР в процессе адаптации к помехам 89
3.5. Оценка дестабилизирующего влияния неидентичности приемоусилительного тракта на характеристики помехоподавления 91
3.5.1. Список дестабилизирующих факторов и параметров неидентичности приемных каналов АФАР, влияющих на характеристики подавления помех 91
3.5.2. Влияние дестабилизирующих факторов на характеристики подавления помех... 92
3.6. Выводы по результатам статистического моделирования подавления помех 93
4. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ВЕЛИЧИНЫ НЕРАБОЧЕЙ ЗОНЫ СРНС ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ПОДАВИТЕЛЯ ПОМЕХ 96
4.1. Основные положения 96
4.2. Вектор пробного сигнала для расчета ХН 7-ми и 4-х элементной АФАР 98
4.3. Расчетные соотношения для определения величины нерабочей зоны СРНС 99
4.4. Оценка величины нерабочих зон СРНС при подавлении помех 105
4.4.1. Результаты расчета величины нерабочей зоны СРНС для 4-х и 7-ми элементной АФАР при d = Л/2 105
4.4.1.1. Нерабочие зоны ГЛОНАСС для 4-х элементной АФАР 105
4.4.1.2. Нерабочие зоны ГЛОНАСС при 7-ми элементной АФАР 107
4.4.2. Сравнение величин нерабочей зоны СРНС для 7-ми элементной АФАР при различных расстояниях между антенными элементами 10909
4.5. Выводы 1111
5. МЕТОДЫ КОРРЕКЦИИ НЕИДЕНТИЧНОСТЕЙ ПРИЕМНЫХ КАНАЛОВ ПОДАВИТЕЛЯ ПОМЕХ 113
5.1. Обзор известных технических решений 113
5.1.1. Преамбул а 113
5.1.2. Существующие методы решения проблемы коррекции 114
5.2. Метод автокоррекции приемных каналов подавителя помех 116
5.2.1. Постановка задачи 116
5.2.2. Разработка 2-х этапного алгоритма режекции помех с автокорекцией 117
5.2.3. Результаты исследования на моделях алгоритма коррекции 123
5.2.3.1. Описание сигнально-помеховой обстановки 123
5.2.3.2. Результаты моделирования при идентичных каналах 125
5.2.3.3. Результаты при неидентичных каналах 126
5.2.3.4. Анализ графиков 127
5.2.3.5. Таблицы с результатами имитационного моделирования 129
5.3. Коррекция каналов подавителя помех на основе автокомпенсатора 131
5.3.1. Преамбула 131
5.3.2. Описание автокомпенсатора помех с коррекцией неидентичностей приемных каналов 132
5.3.3. Результаты имитационного моделирования 133
5.3.3.1. 7-ми канальный автокомпенсатор с коррекцией 133
5.3.3.2. 2-х канальный автокомпенсатор с коррекцией 135
5.4. Выводы 137
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 142
ПРИЛОЖЕНИЕ
Введение к работе
Актуальность темы. Решению проблемы улучшения помехозащищенности навигационной аппаратуры потребителей (НАП) СРНС в настоящее время уделяется серьезное внимание [1 - 5]. Наиболее эффективным путем решения проблемы защиты от широкополосных и любых иных помех помимо комплексирования с инерциальными навигационными средствами (ИНС) является включение в состав бортовых комплексов НАП автоматических подавителей помех на основе адаптивных фазированных антенных решеток (АФАР). При этом обеспечивается пространственная и частотная фильтрация помеховых колебаний.
Несмотря на значительный объем зарубежных исследований и разработок, проведенных в направлении конструирования различного типа подавителей помех, публикации, в которых раскрываются алгоритмы работы подавителей и особенности их функционирования применительно к СРНС в достаточной для технического воплощения детализации, практически отсутствуют. В Российской Федерации разработка аппаратуры находится на начальном этапе [6,7]. Нет систематического изложения теории пространственно-временного подавления помех для СРНС. В открытых источниках сведения по эффективности помехоподавления приводятся в явно не достаточном для объективной экспертизы объеме, не раскрываются аспекты технической реализации алгоритмов подавления. Более того, ряд проблем в области адаптивной обработки сигналов остаются не освещенными. Это прежде всего нюансы, касающиеся различной геометрии АФАР, данные по влиянию на качество подавления помех неидентичностей и нестабильностей приемных трактов АФАР, методы компенсации неидентичностей и нестабильностей приемных трактов АФАР. Недостаточно внимания уделено оценке области пространства, в котором навигационное поле достаточно для навигации в условиях воздействия и подавления помех при различной стратегии расположения источников преднамеренно поставленных помех. Не приводятся данные анализа работы подавителей помех в условиях многообразия помеховых ситуаций, включая случай нестационарности параметров помех.
В опубликованных работах и рекламных материалах [1-37] прослеживается тенденция цифровой реализации подавителей помех. Наиболее эффективное подавление представляющих наибольшую опасность широкополосных помех производится с помощью многоканальных фильтров, осуществляющих пространственно-временную обработку сигналов (ПВОС). При этом происходит цифровое управление характеристикой направленности (ХН) АФАР и возможна компенсация неидентичностей и нестабильностей приемных трактов.
Из изложенного следует вывод, что проблема разработки многоканальных алгоритмов подавления помех и их систематического анализа является актуальной, соответствует современным подходам и направлениям совершенствования НАП в части помехозащищенности.
В данной диссертационной работе избран наиболее универсальный Рис. В.1 - Общая структура автономного автоматического подавителя помех
Принцип подавления помех заключается в умножении вектора оцифрованной входной смеси сигналов на вектор весовых коэффициентов в адаптивном алгоритме. В радиочастотном преобразователе (РЧП) «вниз» производится усиление, фильтрация, преобразование частоты, формирование квадратурного сигнала, опорных и синхросигналов. В блоке многоканальной цифровой обработки сигналов - аналого-цифровое преобразование, вычисление вектора весовых коэффициентов, формирование цифрового выходного сигнала с подавленным уровнем помех и обратное цифроаналоговое преобразование очищенного сигнала. В РПЧ «вверх» сигналы преобразуется на несущие частоты СРНС. На сумматоре объединяются колебания, принятые узкополосными (в диапазонах LI, F1 СРНС) и широкополосным приемными элементами (ПЭ) (в диапазонах L2, L3, L5 СРНС) АФАР и приводятся к уровню сигналов системы. Сформированный таким образом сигнал является входным для защищаемой НАП.
Цель диссертационной работы: Разработка методов и алгоритмов многоканальной обработки пространственно узкополосных сигналов для повышения помехозащищенности НАП СРНС при действии помех произвольного типа с уровнем мощности, ограниченным снизу мощностью собственных шумов приемной части, сверху - порогом ограничения сигналов. Параметры помех за время адаптации алгоритмов предполагаются стационарными.
Поставленная цель исследований требует решения следующих основных задач:
1. Обзор известных конструкций автоматических подавителей помех СРНС, систематизация пространственных методов режекции помех и обоснование целесообразных для развития методов.
2. Определение требований к вычислительной системе, реализующей алгоритмы подавления помех.
3. Разработка программных моделей приемных трактов и сигналов подавителей помех.
4. Сравнительный анализ функционирования эффективных алгоритмов подавления широкополосных помех на основе пространственной обработки сигналов (ПОС) и ПВОС в различных помеховых ситуациях.
5. Синтез и анализ алгоритмов компенсации неидентичностей приемных каналов РЧП для снижения чувствительность подавителя помех к неидентичностям и нестабильностям приемных каналов АФАР.
6. Разработка методики расчета величин областей нерабочих зон СРНС при помехоподавлении.
7. Анализ величин областей нерабочих зон СРНС.
Методы исследования. В работе использованы методы математической статистики, теории вероятностей, статистической радиотехники, линейной алгебры, методы теории оценивания параметров сигналов, адаптивной обработки сигналов, методы компьютерного имитационного моделирования.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из 5 разделов и 2 приложений:
1. Обзор автоматических пространственных подавителей помех для СРНС.
2. Систематизация методов формирования вектора весовых коэффициентов, основанных на пространственных различиях сигналов и помех
3. Анализ алгоритмов подавления помех методами имитационного моделирования.
4. Методика расчета величины нерабочей зоны СРНС при использовании подавителя помех.
5. Методы коррекции неидентичностей приемных каналов подавителя помех.
6. Приложение 1: описание программного обеспечение имитационного моделирования алгоритмов подавления помех.
7. Приложение 2: список загрузочных файлов имитационных программных моделей сигнально-помеховой обстановки и подавления помех с инструкцией по применению.
Объем рукописи составляет 144 страниц, 60 иллюстраций, 18 таблиц, приложения на 22 страницах.
Апробация работы. Результаты работы прошли апробацию на 2-х юбилейных научно-технических конференциях НТОРЭС им. А.Попова в 2005 и 2006 гг., на конференции научно-преподавательсткого состава СПбГЭТУ в 2005г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 печатные работы, включая 1 статью, 2 материалов научных конференций.
Внедрение. Полученные в работе научные результаты использованы в НИР «ШИРОТА» в 2004 - 2005 гг., о чем имеется акт.
Научная новизна диссертационной работы:
1. Произведена систематизация методов обучения вектора весовых коэффициентов алгоритмов многоканального цифрового подавления помех применительно к СРНС GPS/TJIOHACC.
2. Выполнен сравнительный анализ алгоритмов многоканального подавления помех для каналов СТ и ВТ ГЛОНАСС на основе пространственной и пространственно-временной обработки сигналов в различных помеховых ситуациях по совокупности критериев, включая вычислительную сложность.
3. Разработаны и исследованы алгоритмы автоматической коррекции неидентичностей и нестабильностей приемных трактов АФАР (двухэтапный алгоритм), не требующие перерывов в решении навигационной задачи.
4. Разработана методика расчета величины нерабочей зоны СРНС при помехоподавлении и рассчитаны нерабочие зоны для различных ситуаций.
5. Разработаны программные модели различных алгоритмов подавления помех и тракта обработки сигналов, предназначенные для оптимизации алгоритмов подавления помех.
Положения, выносимые на защиту:
1. Данные сравнительного анализа и количественные характеристики алгоритмов подавления помех в условиях идентичных и неидентичных приемных каналов АФАР, различных помеховых ситуаций: коэффициент подавления мощности помех 20 - 80 дБ, обобщенное выходное отношение сигнал/(помеха+шум) (ОСШП) -10...-36 дБ, время сходимости эффективного алгоритма адаптации 0.018-4.130 мс, вычислительная сложность алгоритмов от 1100 MIPS до 15450 MIPS.
2. Данные по величинам нерабочих зон СРНС в различных помеховых ситуациях при различной конфигурации АФАР: для случая действия 1-6 широкополосных помех величина нерабочей зоны НАП при з.о. = -40 дБ для 7-ми элементной АФАР равна 3-11 % пространства, для 4-х элементной АФАР - 3-17 % при действии 1-3 широкополосной помехи.
3. Методика расчета величины нерабочей зоны СРНС при помехоподавлении.
4. Блок-схемы и характеристики алгоритмов автоматической коррекции приемных каналов АФАР при ограничении на порядок применяемых КИХ фильтров. Обеспечивается ОСШП не менее минус 22 дБ при корректирующих фильтрах 4 порядка. Область применения результатов.
Алгоритмы, методика и данные, полученные в диссертационной работе, могут быть использованы при разработке помехоустойчивой НАП GPS/ГЛОНАСС для гражданского воздушного, а также морского флотов.
