Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ условий функционирования систем радиомониторинга на трансатмосферных трассах 11
1.1 Анализ перспективных источников радиоизлучения, подлежащих мониторингу 11
1.1.1 Системы спутниковой связи 11
1.1.2 Радиолокационные средства 15
1.2 Анализ факторов, определяющих погрешности измерения 20
параметров сигналов 20
1.2.1 Разностно-дальномерный метод оценки координат 20
1.2.2 Погрешности измерения времени прихода сигнала 22
1.2.3 Влияние тропосферы 22
1.2.4 Влияние ионосферы 25
1.2.5 Шумы приемников 27
1.2.6 Рельеф местности 31
1.2.7 Результирующая погрешность измерения времени прихода 37
сигнала 37
1.3 Выводы 38
2 Разработка метода оценки разности времени прихода сигналов 40
2.1 Математическая модель сигналов ИРИ 40
2.2 Математическая модель канала РРВ
2.2.1 Учёт отражений от неровностей подстилающей поверхности 43
2.2.2 Учёт отражений радиоволн от одиночных объектов 45
2.2.3 Модель принимаемого сигнала 46
2.3 Обзор методов определения разности времени прихода сигналов при многолучевом распространении 49
2.3.1 Метод максимального правдоподобия 51
2.3.2 Пороговый метод 54
2.3.3 Адаптивный пороговый метод 55
2.3.4 Инверсный корреляционный метод 57
2.3.5 Методы сверхразрешения
2.4 Разработка метода оценки разности времени прихода сигналов в условиях многолучевости 61
2.5 Выводы 70
3 Анализ разработанного метода оценки разности времени прихода 72
3.1 Метод выбора порогового уровня для оценки длительности импульсной характеристики 72
3.2 Статистические характеристики погрешности оценки разности времени прихода сигналов 75
3.3 Влияние эффекта Доплера на характеристики разработанного 87
метода 87
3.4 Выводы 91
4 Проверка разработанного метода по экспериментальным данным 92
4.1 Инверсный метод проведения экспериментальных исследований с использованием сигналов спутниковых навигационных систем 92
4.2 Описание аппаратуры для экспериментальных исследований 97
4.3 Описание трасс РРВ, на которых проводились эксперименты 101
4.4 Экспериментальная оценка повышения точности оценки 104
разности времени прихода сигналов 104
4.5 Выводы 117
Заключение 119
Список литературы
- Погрешности измерения времени прихода сигнала
- Учёт отражений радиоволн от одиночных объектов
- Статистические характеристики погрешности оценки разности времени прихода сигналов
- Описание аппаратуры для экспериментальных исследований
Введение к работе
Актуальность. Современную жизнь невозможно представить без использования различных радиоэлектронных средств: радиорелейной, сотовой и спутниковой связи; теле- и радиовещания; радиолокационных и радионавигационных систем различного назначения и т.п. Задачей радиомониторинга является контроль функционирования радиоэлектронных средств, определение их типа и основных характеристик. Радиотехническая разведка (как подвид радиомониторинга) является одним из эффективных способов обеспечения боевой деятельности войск в случаях военных конфликтов и позволяет выявлять расположение наземных источников радиоизлучения (ИРИ) по их собственному излучению. Поэтому создание и улучшение тактико-технических характеристик систем радиомониторинга является актуальной задачей.
Под наземными источниками в настоящей диссертации подразумеваются излучающие радиосредства различного назначения, находящиеся на поверхности суши, моря или в воздушном пространстве над поверхностью Земли. В зависимости от назначения, основными видами наземных ИРИ являются средства радиосвязи и радиолокационные системы. По способу базирования все существующие источники излучения можно разделить на подвижные и стационарные. Для систем мониторинга наибольший интерес представляют подвижные источники, поэтому из обозначенных выше источников рассмотрим системы спутниковой связи (ССС) и радиолокационные станции (РЛС), которые устанавливаются на подвижные объекты (подвижные сухопутные объекты, военные и гражданские самолеты и корабли и т.д.).
Современное состояние. Наиболее перспективными системами радиомониторинга являются космические системы, поскольку они обладают рядом преимуществ: высокой оперативностью, глобальным характером обзора и отсутствием недоступных для мониторинга участков земной поверхности. Решению задачи оценки координат ИРИ в космических системах радиомониторинга посвящено не так много работ ввиду специфики данной тематики, в открытой печати можно ознакомиться с работами Ю.П. Акулиничева, В.И. Тисленко, Г.С. Ша-рыгина, А.А. Савина, Л.Л. Гусевой, А.Ф. Котова и др.
В космических системах радиомониторинга возможно применение различных методов местоопределения ИРИ. Анализ доступной научно-технической литературы показал, что данных о таких системах крайне мало, примерами таких систем являются французские ESSAIM и ELISA. В Российской Федерации подобные системы находятся на стадии проектирования.
Рассмотренные системы являются многопозиционными и состоят из группировок малых космических аппаратов (МКА), находящихся на низких круговых орбитах. Для оценки координат ИРИ в многопозиционных системах наиболее часто применяется разностно-дальномерный метод (РДМ), который основан на вычислении разности времени прихода сигналов ИРИ в разнесенные пункты системы.
Направленные антенны наземных и корабельных РЛС ориентированы, как правило, вдоль земной поверхности. Поэтому система космического радиомони-
4 торинга в большинстве случаев предполагает прием сигнала бокового излучения антенн наземных источников. При этом главный лепесток диаграммы направленности (ДН) антенны ИРИ направлен вдоль земной поверхности, что вызывает многочисленные отражения от элементов местности и местных предметов. Отраженные сигналы складываются в приемной антенне с прямым, что приводит к искажениям формы сигнала, и, соответственно, к увеличению погрешности оценки разности времени прихода сигналов.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование метода оценки разности времени прихода сигналов наземных ИРИ в космических многопозиционных системах радиомониторинга в условиях многолучевого распространения.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач.
-
Обзор параметров излучения и режимов работы основных типов ИРИ, подлежащих мониторингу.
-
Анализ факторов, определяющих погрешность измерения времени прихода сигналов и их разности в нескольких приемных пунктах.
-
Обоснование математической модели канала распространения радиоволн (РРВ) и модели сигналов ИРИ в месте расположения приемной аппаратуры с учетом отражения радиоволн от элементов местности и местных предметов.
-
Анализ существующих методов и алгоритмов оценки разности времени прихода сигналов и оценка пригодности их использования в условиях многолучевого распространения радиоволн.
-
Разработка метода оценки разности времени прихода сигналов, устойчивого к влиянию многолучевого распространения радиоволн.
-
Получение статистических характеристик погрешности оценки разности времени прихода сигналов разных типов для различных условий распространения радиоволн разработанным методом путем цифрового моделирования.
7. Проверка разработанного метода по экспериментальным данным.
Методы исследования. Поставленные задачи решены методами
математического анализа и численного моделирования, а также с помощью экспериментальных исследований.
Научная новизна проведенных исследований и полученных в работе результатов заключается в следующем.
-
Разработан метод оценки разности времени прихода сигналов, основанный на оценке длительности отклика канала распространения радиоволн и взаимно-корреляционном методе, который является устойчивым к многолучевому распространению радиоволн и не требует априорной информации об импульсной характеристике канала РРВ, форме и параметрах сигнала ИРИ.
-
Для разработанного метода получены статистические зависимости точности оценки разности времени прихода для различных значений длительности и ширины спектра сигнала в широком диапазоне вариаций параметров канала РРВ.
-
С использованием экспериментальных данных, полученных на наземных
5 трассах, доказана работоспособность разработанного метода.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что
разработанный метод позволяет повысить точность оценки разности времени
прихода по сравнению с обычно рассматриваемым корреляционным методом и
может быть использован как в космических, так и в наземных многопозиционных
системах радиомониторинга, что подтверждается результатами
экспериментальных исследований.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Установлено, что в условиях приема бокового излучения направленных антенн типичным является преобладание сигналов, отраженных от местных предметов, что приводит к увеличению погрешности оценки разности времени прихода сигналов по положению максимума огибающей взаимной корреляционной функции, величина которой для трасс «Земля – КА» может достигать 3 микросекунд.
-
Разработанный метод, основанный на оценке длительности отклика канала распространения радиоволн в каждом приемном пункте и заключающийся в определении временных положений крайних отсчетов огибающей взаимной корреляционной функции и прибавлении к ним (или вычитании из них) оцененных длительностей отклика канала РРВ, позволяет производить оценку разности времени прихода без знания формы и параметров излученного сигнала и канала распространения радиоволн и повысить точность оценки по сравнению с корреляционным методом.
-
Результаты обработки экспериментальных данных, полученных на наземных трассах РРВ, доказывают, что разработанный метод позволяет уменьшить среднее значение погрешности оценки разности времени прихода в 1,5…8,7 раз (в зависимости от трассы РРВ) и СКО оценки в 2,2…15,3 раз по сравнению с корреляционным методом.
Обоснованность научных положений и достоверность результатов
исследования работы подтверждается согласованностью результатов
теоретических исследований, имитационного моделирования и
экспериментальной проверки.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы были использованы при выполнении НИР «Концепция перспективных пассивных космических систем радиомониторинга наземных источников излучения», гос. контракт № 02.740.11.0183 в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России 2009-2011 гг.»
Личный вклад. Автором диссертационной работы выполнен анализ условий функционирования космических систем радиомониторинга; разработан метод оценки разности времени прихода сигналов, послуживший основой диссертации. Автор в составе научного коллектива НИИ РТС ТУСУР участвовал в проведении экспериментов в области распространения радиоволн сантиметрового диапазона на пересечённых наземных трассах. Программы имитационного моделирования и обработки экспериментальных данных разработаны лично автором. Часть опубликованных работ написана в соавторстве с научным руководителем и
6 сотрудниками научной группы.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: Всероссийские научно-технические конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР», г. Томск, 2010 – 2013 гг.; Международная конференция по СВЧ, радиолокации и системам связи «MIKON», г. Вильнюс, Литва, 2010 г.; Всероссийская научно-техническая конференция «Космическая радиолокация», г. Муром, 2010 г.; Научно-техническая конференция молодых специалистов ОАО «Информационные спутниковые системы» им. М.Ф. Решетнева «Разработка, производство, испытания и эксплуатация космических аппаратов и систем», посвященная 50-летию полета в космос Ю.А. Гагарина, г. Железногорск, 2011 г.; Международный симпозиум по СВЧ, радиолокации и дистанционному зондированию «MRRS», г. Киев, Украина, 2011 г.; Международный симпозиум по дистанционному зондированию и наукам о Земле «IGARSS», г. Мюнхен, Германия, 2012 г.
Публикации по теме диссертации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 18 работах, из них 5 публикаций в рецензируемых журналах из перечня ВАК, 2 статьи в периодических журналах, 4 – в сборниках докладов международных конференций, 5 – в сборниках докладов всероссийских конференций, 1 коллективная монография. Получен 1 патент на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 102 наименований, 1 приложения. Общий объем работы составляет 132 страницы, в том числе 68 рисунков и 11 таблиц.
Погрешности измерения времени прихода сигнала
Общая теория методов пассивного определения местоположения (координат) и параметров движения излучающих объектов применительно к задачам радионавигации, радиолокации, радиоуправления достаточно полно представлена в современной специальной литературе [24 – 27].
Все рассматриваемые методы определения координат сводятся к нахождению на заданной поверхности или в пространстве точек пересечения линий (или поверхностей) положения (ЛП), вид которых зависит от применяемого метода и измеряемых навигационных величин. Линии или поверхности положения являются геометрическим местом точек для измеренных значений навигационных величин. В качестве одной из поверхностей положения может быть использована поверхность Земли, аппроксимируемая различными моделями геоида.
Разностно-дальномерный метод, реализуемый в многопозиционных системах местоопределения, требует одновременной регистрации сигнала от источника радиоизлучения сразу в нескольких приемных пунктах системы. В зависимости от задач, решаемых такой системой, минимальное число спутников, которые должны зафиксировать сигнал, составляет от трех до четырех. Данное требование обусловливает применение антенн с широкой диаграммой направленности (с малым коэффициентом усиления). Использование антенн с широкой ДН является достоинством системы, поскольку они могут быть достаточно простыми, что позволяет уменьшить габариты аппаратуры. Уменьшение уровня сигнала при использовании слабонаправленных антенн можно компенсировать за счет размещения КА системы на более низких орбитах. Реализация РДМ требует наличия шкалы единого времени во всех пунктах системы и точной привязки их координат, что может быть обеспечено системой спутниковой радионавигации ГЛОНАСС. В работах [28-30] приведены результаты моделирования разностно-дальномерного метода оценки координат для нескольких вариантов группировки МКА, полученные автором диссертационной работы.
Погрешность оценки координат ах ИРИ разностно-дальномерным методом определяется следующим образом [27, 31]: г) где 0г - угол, характеризующий касательную к /-ой линии положения; аг - сред-неквадратическое отклонение линии положения, соответствующей измеряемому параметру (погрешность определения линии положения); N - количество баз в системе (под базой понимается расстояние между приемными пунктами).
Под погрешностью определения линии положения будем понимать расстояние между истинной и оцененной линией положения в заданной точке, выражение для которой имеет вид [31]: где стДх - СКО оценки разности времени прихода сигнала в два приемных пункта, \/ - угол, под которым видна база из точки расположения ИРИ, с - скорость распространения радиоволны. СКО оценки разности времени прихода сигнала стДх можно выразить через СКО измерения времени прихода сигнала ах в каждый из двух приемных пунктов: a2x = J+L . (1.3) axl ах2У 1.2.2 Погрешности измерения времени прихода сигнала Для СКО оценки времени прихода сигнала при некоррелированных факторах, которые являются причиной появления вариаций оценки, справедливо соотношение [7]: где azl - среднеквадратическая ошибка, вызванная г-тым источником погрешности, N - количество источников.
Флуктуации диэлектрической проницаемости воздуха, поглощение в газах и рассеяние энергии на гидрометеорах оказывают основное влияние на распространение волн в тропосфере. Считают, что при распространении волн частотой менее 10 ГГц дисперсией и поглощением в газах можно пренебречь [32 - 34]. Вследствие неоднородности диэлектрической проницаемости среды происходит изменение групповой скорости распространения сигнала с = с0/ n(h), (с0 скорость распространения света в вакууме; n(h) - коэффициент преломления тропосферы на высоте h над поверхностью Земли, n(h) 1), которая становится отличной от скорости света в вакууме. Тропосферная погрешность измерения времени прихода сигнала при углах места р 5 определяется следующим образом [34]: ат (В) = \An(h)dh, An(h) = n(h)-1. (1.5) Хтр sin(P)-cJ0
Среднее значение тропосферной погрешности может быть скомпенсировано с помощью расчетных поправок. Если рассчитать поправки для средних параметров тропосферы, то их погрешность а не превышает 10 % от величины поправки ахтр (Р).
Значение показателя преломления определяется метеопаpаметpами: температурой, атмосферным давлением и давлением водяного пара (влажностью). Поскольку метеопаpаметpы изменяются случайным образом в пространстве и во времени, то показатель преломления также является случайным. Показатель преломления в тропосфере определяется тремя составляющими: регулярной, которая определяется средними значениями метеопаpаметpов; крупномасштабными неод-нородностями, в том числе неоднородностями в виде протяженных в горизонтальном направлении слоев; мелкомасштабными неоднородностями, свойства которых могут быть описаны с помощью однородной изотропной модели турбулентности.
Учёт отражений радиоволн от одиночных объектов
Наиболее проработанными являются модели, учитывающие физические явления при распространении радиоволн на сухопутных или на морских трассах, параметры которых во времени не изменяются. В зависимости от специфики решаемых задач разработаны варианты детерминированных [50, 51] и статистических моделей [52, 53]. Первые применимы для прогнозирования или качественного изучения зависимостей параметров радиоволн, распространяющихся над конкретной местностью. Модель трассы должна учитывать электрофизические параметры подстилающей поверхности, местных предметов, неоднородностей тропосферы, а поле в месте приёма вычисляется путем решения параболического уравнения численными методами [54, 55].
Статистические модели трасс распространения удобны для синтеза алгоритмов работы радиотехнической аппаратуры, однако не основываются на физических явлениях на трассе распространения либо учитывают их приближённо.
Ниже рассматривается скалярная модель трассы прямой видимости в сантиметровом диапазоне длин волн для узкополосных сигналов, учитывающая такие физические явления при распространении радиоволн как: отражение радиоволн от неровностей подстилающей поверхности (или неровной морской поверхности) и от местных предметов, представляющих собой крупные одиночные объекты (на суше – строения, лесные массивы, холмы и т.д.; на море – корабли).
Прообразом является модель трассы, учитывающая физические явления при распространении радиоволн над морской поверхностью, и представленная в виде совокупности «блестящих» точек [50]. Геометрические соотношения на трассе распространения показаны на рисунке 2.1. Буквами «Т» и «R» обозначено расположение передающей и приёмной антенн, поднятых над поверхностью на высоту ht и hr соответственно. Y
При учёте отражений от неровностей подстилающей поверхности возможны два подхода. При первом подходе существенные отражения от неровностей поверхности формируются в области, ограниченной несколькими зонами Френеля (например, в пределах первых десяти зон Френеля). При втором подходе [56] существенные области отражений радиоволн от неровностей поверхности определяются (помимо высот подъёма антенн источника радиоизлучения и приёмника) степенью шероховатости неровностей поверхности.
В существенной области условно выделяются такие участки подстилающей поверхности, которые по размерам значительно превышают длину волны и образуют «светящиеся точки» или «зеркальца», которые заменяются точечным пере 44 излучателем. Таким образом, учёт отражений от неровностей подстилающей поверхности сводится к замене области отражений совокупностью изотропных переизлучателей. При такой интерпретации существенные области отражений радиоволн от неровностей поверхности определяются высотой и максимальными углами наклонов «зеркальцев», заменяющих неровности.
В настоящий момент отсутствуют обоснованные сведения о количестве переизлучателей в выделенной области, имитирующих отражения от поверхности. Однако в работе [57] приводятся численные результаты, описывающие статистические характеристики освещённых вершин неровностей морской поверхности. Так, на рисунке 2.2 приведена, заимствованная из [57], зависимость количества освещённых вершин от угла скольжения для различной протяжённости трассы. В той же работе приведены такие статистические характеристики точечных переизлучателей, как средняя высота освещённых морских вершин, их распределение по длине трассы и т.д.
Другой недостаток такого учёта отражений от неровностей морской поверхности связан с законом сохранения энергии: лучевой метод учитывает изменение амплитуды сигнала при переотражении с большой погрешностью. В некоторых случаях для устранения этого недостатка вводится нормирующий множитель, который приводит в соответствие количество отражателей и суммарную мощность, переотраженных сигналов в точке приёма. В частности, такой подход использован и работе [57].
Кроме указанных недостатков имеется также неопределённость относительно того, как именно следует распределить выбранное количество переизлучателей в указанной области, нужно ли вводить ограничения на минимальное расстояние между переизлучателями и т.д.
В связи с отсутствием определённости относительно геометрического расположения конкретной освещённой вершины морских волн, переизлучатели распределяются равновероятно, т.е. значения их координат имеют равномерное распределение в заданной области.
Для учёта отражений от одиночных объектов (например, холмов, зданий, кораблей на море и т.д.) воспользуемся представлением отражающих объектов в виде точечных переизлучателей. При этом имеются два подхода. В первом случае объект заменяется одним переизлучателем с характеристикой направленности, называемой в литературе диаграммой (индикатрисой) рассеяния или бистатиче-ской эффективной поверхностью рассеивания (ЭПР), которая учитывает изменение мощности переизлучённой волны при рассеивании под углом, отличным от угла падения волны на местный предмет. При втором подходе объект отражения заменяется совокупностью переизлучателей с изотропной диаграммой рассеяния так, чтобы их геометрическое расположение описывало сложную форму местного предмета [58]. Второй подход плохо учитывает дифракционные явления и обычно используется для получения качественной картины диаграммы рассеяния или би-статической ЭПР при углах, существенно отличных от 180 градусов. Обычно при расчёте бистатической ЭПР объекта не учитывают его электрофизические характеристики (например, проводимость, диэлектрическую проницаемость и т.д.), считая объект идеально проводящим. Для упрощения будем пользоваться первым подходом: объект отражения заменяется переизлучателем с некоторой бистатиче-ской ЭПР, описывающей отношение рассеянной мощности в месте приёма к мощности, падающей на объект радиоволны, в зависимости от угла рассеяния (на рисунке 2.1 обозначен как i, где i – номер точечного переизлучателя).
Статистические характеристики погрешности оценки разности времени прихода сигналов
В настоящем разделе будут приведены результаты исследования разработанного метода для сигналов с различной длительностью и шириной спектра и для различных параметров канала РРВ, модель которого описана в разделе 2.2.
Современные ИРИ излучают как простые импульсные сигналы, так и сигналы с внутриимпульсной модуляцией (ЛЧМ или ФКМ). Диапазоны изменений параметров сигнала, для которых было проведено моделирование, заданы в таблице 3.1.
Как было показано в п. 2.4, длительность огибающей АКФ определяется по ее последнему отсчету, который соответствует корреляции прямого и последнего отраженного сигналов. Поэтому точность оценки разности времени прихода будет зависеть от величины этого отсчета огибающей АКФ, которая определяется соотношением мощности последнего отраженного сигнала к мощности прямого. При моделировании для каждого типа сигнала были заданы следующие параметры канала РРВ: отношение сигнал/шум изменяется в диапазоне 0… 14 дБ; отношение мощности последнего отраженного сигнала к мощности прямого изменяется в диапазоне минус 4… 8 дБ; отношение мощности всех отраженных сигналов к мощности прямого изменяется в диапазоне 3… 10 дБ; количество отражателей 4; разброс отраженных сигналов по задержке находится в диапазоне 0…2 мкс. Под отношением сигнал/шум в работе понимается отношение мощности прямого сигнала к мощности шума.
Имитационное моделирование было проведено в среде Matlab. Все результаты получены при статистическом усреднении по 1000 реализаций. Для получения результатов применялась следующая методика:
Получить статистические характеристики точности оценки искомой разности. На рисунках 3.3 и 3.4 приведены зависимости порогового уровня для оценки длительности огибающих авто- и взаимной корреляционных функций для заданных диапазонов изменения параметров канала РРВ, полученные для модели импульсного сигнала длительностью 100 нс.
Зависимость порога для оценки длительности огибающей АКФ от отношения сигнал/шум и отношения мощности последнего отраженного сигнала к прямому Согласно п. 5 методики проведения расчетов были получены зависимости максимального порогового уровня для определения длительностей огибающих АКФ и ВКФ от длительности сигнала и от ширины спектра сигнала в заданных диапазонах отношения сигнал/шум и отношения мощности последнего отраженного сигнала к мощности прямого. Соответствующие зависимости приведены на рисунках 3.5 и 3.6.
На рисунках 3.7 и 3.8 приведены результаты расчетов в виде среднего значения погрешности и СКО оценки разности времени прихода в зависимости от отношения сигнал/шум, полученные для модели радиоимпульсного сигнала длительностью 100 нс при отношении мощности последнего отраженного сигнала к мощности прямого равном 4 дБ. На рисунке 3.8 также приведены точностные характеристики классического корреляционного метода и потенциально достижимая точность оценки, вычисленная по выражению (1.12).
Выражение (1.12) получено при условии гауссового характера принимаемых сигналов и отсутствии многолучевого распространения радиоволн и определяет дисперсию оценки, обусловленную флуктуациями временного положения единственного максимума огибающей взаимной корреляционной функции. Поскольку разработанный автором метод позволяет среди нескольких максимумов огибающей взаимной корреляционной функции указать на максимум, соответствующий истинной разности времени прихода, то погрешность разработанного метода можно сравнивать с дисперсией, рассчитанной по выражению (1.12). 500
Зависимость СКО оценки от отношения сигнал/шум (модель импульсного сигнала длительностью 100 нс) Аналогичные результаты, полученные для сигналов длительностью 250, 500 и 1000 нс для отношения мощности последнего отраженного сигнала к мощности прямого равном 4 дБ, приведены на рисунках 3.9, 3.10 соответственно. По представленным на рисунке 3.9 зависимостям видно, что при увеличении длительности сигнала увеличивается среднее значение погрешности оценки разности времени прихода сигналов. С увеличением длительности сигнала ухудшается разрешающая способность по дальности и происходит расширение отсчетов огибающей корреляционной функции, таким образом два близко расположенных отсчета могут объединиться в один, максимум которого будет сдвинут по времени относительно истинного значения.
Описание аппаратуры для экспериментальных исследований
Для каждой из исследуемых трасс, указанных в таблице 4.1, были оценены разности времени прихода сигналов корреляционным и предложенным методами в зависимости от угла поворота диаграммы направленности антенны передатчика относительно направления на приемный пункт. На рисунке 4.15 приведены погрешности оценки разности времени прихода относительно истинной величины для трассы «Барабинка 1 – Полигон».
Также была рассчитана разность полученных погрешностей, которая приведена на рисунке 4.16. Можно видеть, что для большинства выбранных реализаций разность погрешностей положительна, т.е. погрешность оценки разности времени прихода корреляционным методом превышает погрешность оценки предложенным методом.
Погрешность оценки разности времени прихода корреляционным и предложенным методами (трасса «Барабинка 1 - Полигон») 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 Угол поворота ДН передатчика, град. Погрешность оценки разности времени прихода корреляционным и предложенным методами (трасса «Барабинка 3 - Полигон») 60 90 120 150 180 210 240 270 301 331 Угол поворота ДН передатчика, град. Погрешность оценки разности времени прихода корреляционным и предложенным методами (трасса «Кандинка 1 - Полигон») 90 120 150 180 210 240 270 301 331 Угол поворота ДН передатчика, град. Погрешность оценки разности времени прихода корреляционным и предложенным методами (трасса «Смокотино 1 - Полигон») 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 Угол поворота ДН передатчика, град. Рисунок 4.26 - Разность погрешностей оценки корреляционным и предложенным методами (трасса «Смокотино 1 - Полигон») 113 90 120 150 180 210 240 270 300 330 Угол поворота ДН передатчика, град. Рисунок 4.27 - Погрешность оценки разности времени прихода корреляционным и предложенным методами (трасса «Смокотино 7 - Полигон») 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 Угол поворота ДН передатчика, град. Рисунок 4.28 - Разность погрешностей оценки корреляционным и предложенным методами (трасса «Смокотино 7 - Полигон») 114 90 120 150 180 210 240 270 300 330 Угол поворота ДН передатчика, град. Рисунок 4.29 - Погрешность оценки разности времени прихода корреляционным и предложенным методами (трасса «Смокотино 8 - Полигон») о и
В таблице 4.2 приведены значения математического ожидания и СКО погрешностей оценки разности времени прихода для исследуемых трасс для корреляционного и предложенного методов; выигрыш в получаемой точности; а также процент измерений, для которых предложенный автором метод позволил увеличить точность оценки.
Вследствие малости используемого разнесения приемных антенн принятые сигналы оказываются коррелированными, и вычисленные погрешности оценки разности времени прихода являются приближенными, однако, они демонстрируют работоспособность предложенного метода и возможность существенного уменьшения среднего значения и СКО оценки.
Трасса Мат. ожидание погрешности, мкс СКО погрешности, мкс Процент измерений, в которых наблюдается повышение точности оценки
В рамках диссертации решена задача по разработке и исследованию метода оценки разности времени прихода сигналов наземных источников радиоизлучения в космических многопозиционных системах радиомониторинга в условиях многолучевого распространения. В результате выполнения работы получены следующие результаты:
1. Выполнен анализ и численный расчет погрешностей оценки разности времени прихода сигналов при распространении радиоволн на трансатмосферных трассах. Показано, что в условиях функционирования космических систем радиомониторинга на частотах выше 1 ГГц составляющая погрешности, обусловленная отражением сигналов от местности и местных предметов, может достигать сотен нс…единиц мкс и вносит наибольший вклад в результирующую погрешность оценки.
2. Результаты энергетического расчета радиолинии «Земля – космос» показывают, что для большинства рассмотренных ИРИ отношение сигнал/шум находится в диапазоне 4…20 дБ, а мощность сигналов, отраженных от местных предметов, находящихся на расстоянии 1…1,5 км от ИРИ, сравнима или превышает мощность прямого сигнала, излученного по боковому лепестку диаграммы направленности антенны ИРИ.
3. Проведен аналитический обзор работ, посвященных методам обработки сигналов на фоне импульсных, квазигармонических помех и мешающих отражений. Рассмотренные методы оценки разности времени прихода неизвестного сигнала в условиях многолучевости обладают рядом недостатков и не могут быть применены в пассивных космических системах радиомониторинга.