Введение к работе
Актуальность темы. Проблема повышения точности определения координат источников радиоизлучений (ИРИ) является крайне актуальной при решении задач радиоконтроля (РК), что обусловлено
уменьшением объема информации, которую можно извлечь из сигнала, вследствие применения все более совершенных средств закрытия (кодирование, шифрование и т.д),
увеличением удельного веса информации о местоположении ИРИ в общем объеме информации, извлекаемой из принимаемого сигнала;
повышением требований к точности местоопределения ИРИ вследствие увеличения плотности расположения радиоэлектронных средств.
Основная общая область исследований данной диссертации - радиоконтроль (РК) средств связи.
Специализированная область исследований - средства измерения местоположения связных ИРИ и постановщиков помех для них
Смежные области исследований: радиоконтроль радиолокационных станций (РЛС) и постановщиков помех для них, радиоэлектронная борьба, средства противовоздушной обороны наземного и воздушного базирования, системы связи, радионавигация, пассивная звуколокация.
В комплексах РК наибольшее распространение получили пеленгационные методы определения координат. Использование разностно-дальномерных (РД) методов не получило столь широкого распространения и является скорее исключением, чем правилом. Основной причиной слабой распространенности РД методов является необходимость наличия в системе РК каналов связи с большой пропускной способностью для ретрансляции сигналов в аналоговом или цифровом видах с периферийных приемных пунктов на центральный пункт обработки. Кроме того, средства связи излу-
чают относительно узкополосный сигнал, что не позволяет измерять координаты ИРИ с точностью более высокой, чем это делают пеленгационные комплексы.
В качестве потенциально применимых для целей РК можно назвать доплеровские методы местоопределения (МО), которые используются в настоящее время в пассивной радиолокации для измерения координат РЛС.
Первые шаги, направленные на создание систем местоопределения ИРИ, были сделаны практически со времени изобретения радио. С появлением радиолокаторов возникла задача по определению местоположения излучателей радиолокационных сигналов. Одновременно с радиолокацией развивалась и радионавигация, в задачу которой также входило измерение местоположения ИРИ К числу первых известных публикаций, посвященных этим трем областям (определение местоположения связных излучателей, РЛС, радиомаяков) можно отнести работы Кукеса, Сайбеля, Одинцова и др.
С развитием теории статистической радиотехники стали появляться решения, направленные на оптимизацию процессов местоопределения ИРИ при заданных статистических свойствах сигналов, шумов, помех. Многоэтапные методы исследовались в работах Ширмана, Торьери, Кондратьева, Фарины, Шультхейса, Вейнштейна и др.
Постановка задачи одноэтапного измерения координат и первые ее решения представлены в монографии В. С. Черняка (Многопозиционная радиолокация, - М/ Радио и связь, 1993). Здесь одноэтапность рассматривается применительно к РД системе. Двухэтапный РД метод, заключающийся в том, что при построении многопозиционной пассивной системы МО на первом этапе измеряются Nx(N-l)/2 задержек (ТУ -число приемных позиций), а на втором эти задержки пересчи-тываются в координаты ИРИ, трансформируется в одноэтап-ный путем выбора базового вектора задержек, размерность которого равна 3 при решении задачи МО в пространстве и 2 -на плоскости.
Этап № ^Измеряем вектор задержек
Т = ||т2ь*и, ,гм, гіг, ,тю, , rm.i)\\ размерностью N{N-1)12,
Гг21 -COnSt
Этап № 2л_Пересчитываем Т в вектор координат г=||х,у||
T43=COnst
»ПГІ4
T4l=COnSt
T42=COnSt
Тзі^СОїШ Г
а)
В двухэтапной процедуре линии положения не обязаны пересекаться в одной точке
Этап единственный
Решение ищем путем подбора всего двух задержек (например т2і_и т^Х
однозначно связанных с координатами ИРИ г.
732-/2(^21,^1)
Т43-Л(Т2ьГзі)
>ПП4
42-fi(j2l,Tn)
741-/ifei,r3i)
T3i=consi
б)
В одноэтапной процедуре все линии положения пересекаются в одной точке
Рис. 1. Двухэтапная (а) и одноэтапная (б) процедуры МО.
В постановочном плане задача одноэтапного оценивания координат рассматривается также в работе В. С. Кондратьева, А. Ф. Котова, Л. Н Маркова (Многопозиционные радиотехнические системы. / под ред. В. В. Цветнова. - М/ Радио и связь, 1986).
Отличие двухэтапной РД процедуры от одноэтапной для случая местоопределения на плоскости иллюстрирует рис. 1.
Работы, посвященные синтезу и анализу многоэтапных алгоритмов МО, как правило, используют следующие принципиальные ограничения. Во-первых, задача МО излучателя рассматривается отдельно от задачи измерения параметров принимаемых сигналов С одной стороны это значительно упрощает задачи синтеза и анализа, но с другой стороны накладывает существенные ограничения на структуру системы МО. При такой постановке задачи синтезируемые системы МО не обязаны быть оптимальными.
Во-вторых, при синтезе системы МО обычно исходят из того, что ошибки первичных измерений параметров сигналов подчиняются гауссовскому закону, при этом корреляционные матрицы ошибок известны.
Так, например, для того чтобы поэтапно определить координаты излучателя в пеленгационной системе методом максимального правдоподобия необходимо произвести оценки фазовых задержек (термин фазовый характеризует то, что величина задержки соизмерима с периодом принимаемого сигнала), пеленгов на излучатель, координат излучателя. На каждом из этих трех этапов предполагается, что ошибки измеряемых параметров - гауссовские В результате эта трех-этапная процедура измерения координат нормально функционирует при отношении сигнал/шум выше некоторого порогового значения, а именно при таком отношении, при котором на каждом из этапов будет соблюдаться гауссовость ошибок измерений.
Повышение точности местоопределения ИРИ возмож-
но за счет применения одноэтапных процедур На сегодняшний день существуют решения применительно к широкобазо-вой пассивной системе (аналог РД системы), предложенные в уже упомянутой работе Черняка. Однако они представлены в обобщенном виде и требуют дополнительных исследований. Возможности использования одноэтапных процедур в пелен-гационных системах вообще не исследованы. То же самое можно сказать и об одноэтапных процедурах в комбинированных пассивных системах
Для измерения координат РЛС с летательных аппаратов находит применение разностно-доплеровский метод Его использование применительно к радиосигналам с отсутствующей ярко выраженной несущей частотой крайне ограничено, поскольку не удается точно измерить частоты на разных приемных пунктах. В то же время существуют решения, полученные в области гидроакустики, которые опираются на то, что доплеровский эффект - это относительное сжатие сигналов, что позволяет измерять разности радиальных скоростей излучателей широкополосных сигналов. На сегодняшний день результаты, полученные в области гидроакустики, не нашли применения в области пассивной радиолокации, хотя это может дать существенную отдачу - снять ограничения, связанные с широкополосностью радиосигналов, при реализации доплеровских методов.
Таким образом, тема представленной диссертации является актуальной.
Цель и задачи работы. Главной целью диссертации является разработка
одноэтапных методов определения координат ИРИ,
методов анализа синтезированных алгоритмов;
методов, позволяющих повысить эффективность пассивных радиотехнических систем МО.
Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих основных задач
- синтез и анализ одноэтапных алгоритмов МО, позво-
ляющих повысить эффективность средств РК, построенных на базе пеленгаторных сетей;
синтез и анализ одноэтапных алгоритмов МО, позволяющих повысить эффективность средств РК, построенных на базе РД систем;
синтез и анализ одноэтапных алгоритмов МО, позволяющих создать комбинированную пассивную систему (КПС), сочетающую в себе общие черты широкобазовой пассивной системы (ШПС) и пассивной системы, состоящей из узкобазовых подсистем (ПСУП), и позволяющую получить более высокую точность измерения координат ИРИ;
разработка и анализ алгоритмов определения координат ИРИ с ППРЧ;
- исследование возможностей применения одноэтап
ных процедур для определения координат излучателей KB
диапазона частот при многомодовом распространении сигна
ла,
- разработка и исследование доплеровских методов из
мерения координат ИРИ.
Методы исследований. При проведении исследований в диссертационной работе использовались математический аппарат теории случайных процессов и математической статистики, методы статистической теории радиолокации, матричный анализ, методы моделирования и натурного эксперимента.
Научная новизна. Основная теоретическая ценность работы состоит в разработке одноэтапных методов определения местоположения ИРИ и анализе их эффективности.
В процессе проведения исследований получены следующие новые результаты:
- синтезирована и проанализирована широкобазовая
пассивная система (ШПС), основу которой составляют про
странственно разнесенные приемные пункты (ее аналог - раз-
ностно-дальномерная система);
- выражение для потенциальной точности определения
координат ИРИ в ШПС;
- выражение для потенциальной точности измерения задержек между радиосигналами, принимаемыми пространственно-разнесенными приемными пунктами в ШПС;
синтез и анализ пассивной системы, состоящей из узкобазовых подсистем (ПСУП);
выражение потенциальной точности определения координат ИРИ для ПСУП;
выражения для потенциальной точности:
измерения фазовых задержек между сигналами, принимаемыми пространственно разнесенными, близко расположенными (в пределах нескольких длин волн) точками приема;
измерения уровня принимаемого сигнала;
оценивания пеленга на ИРИ при использовании кольцевых антенных решеток;
синтезирована и проанализирована комбинированная пассивная система (КПС);
выражения, описывающие потенциальную точность определения координат ИРИ для КПС;
разработаны методы измерения координат ИРИ, использующие доплеровский эффект относительного сжатия сигналов,
выражение, описывающие потенциальную точность определения координат ИРИ разностно-дальномерной-доплеровской системой местоопределения.
Практическая значимость и внедрение результатов работы. Практическая значимость работы состоит в следующем:
1. Разработаны одноэтапные процедуры, позволяющие снизить пороговое отношение сигнал/шум, при котором возможна нормальная работа пеленгационной и разностно-дальномерной систем измерения координат.
2 Проведенный синтез КПС, позволяет проектировать, разрабатывать и изготавливать аппаратуру реализующую
3 Разработан метод вычисления псевдофаз, позволяющий производить юстировку антенно-фидерной системы, многоканального радиоприемного тракта и многоканального модуля аналого-цифровой обработки сигналов
4. Полученное в явном виде выражение границы Кра-
мера-Рао позволяет существенно сократить время на оценку
точности измерения направления комплексами пеленгования
с кольцевыми антенными решетками.
5. Разработаны методы оптимизации конфигураций
антенных решеток, размещаемых на земле, мачте, автомоби
ле, самолете и т. д., в которых в качестве критерия оптималь
ности выбрана вероятность аномальной ошибки при фикси
рованной точности измерения пеленга на излучатель
6. На основе одноэтапных методов измерения пеленга
разработаны алгоритмы и программы по управлению фазиро
ванными антенными решетками для приемных центров KB и
УКВ диапазонов.
Результаты исследований внедрены в научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, выполняемые ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ и ЗАО «Радий ТН», а также в серийные изделия, выпускаемые данными предприятиями, что подтверждается соответствующими актами.
Основные положения, выносимые на защиту.
Одноэтапные процедуры измерения координат ИРИ в ШПС и ПСУП позволяют снизить пороговое отношение сигнал/шум, при котором возможна нормальная работа измерителя, по сравнению с разностно-дальномерной и пеленга-ционной процедурами соответственно
Впервые полученное в явном виде выражение для дисперсии ошибок измерения пеленга на излучатель, описывающее потенциальную точность оценивания пеленга комплексами с кольцевыми антенными решетками, позволяет существенно сократить время, затрачиваемое на исследование характеристик пеленгатора
Одноэтапная процедура, реализованная в КПС позволяет объединить ШПС и ПСУП для получения более высокой точности измерений.
Матричные границы Крамера-Рао ошибок измерения координат позволяют оценить возможности КПС, ШПС и ПСУП в точности местоопределения ИРИ и выбрать для заданной ширины полосы сигналов наиболее приемлемый вариант.
5. Измерение относительного сжатия сигнала, обу
словленного эффектом Доплера, позволяет измерять коорди
наты ИРИ с произвольной формой спектра. При этом точ
ность местоопределения повышается с ростом ширины спек
тра сигнала, а не наоборот, как это происходит в разностно-
доплеровских системах.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 4-й Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (г Москва, 2002 г.), 6-й Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (г. Москва, 2004 г.), 7-й Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (г Москва, 2005 г.), Международном симпозиуме по радиолокации IRS 2005 (г. Берлин, 2005 г.), 14-й Международной конференции по спиновой электронике и гировекторной электродинамике (г. Москва, 2006 г.).
По теме диссертации опубликовано 19 работ, в том числе 5 статей в журнале «Радиотехника и электроника», 1 статья в журнале «Радиотехника», 3 статьи в журнале «Антенны», 2 статьи в журнале «Вестник МАИ», 5 работ в трудах Всероссийских и Международных конференций, 1 авторское свидетельство, 2 патента.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и библиографического списка. Общий объем работы 163 страницы, из которых 140 с. - основной текст, 10 с - рисунки, 13 с. - библиографический спи-
сок, включающий 155 наименований отечественных и зарубежных источников
