Содержание к диссертации
Введение 6
Глава 1. Влияние атмосферы Земли на точность измерения разности фаз
и частоты радиосигналов УКВ диапазона 13
1.1 Анализ факторов, влияющих на точность измерения разности фаз
и частоты радиосигналов 13
Коэффициент преломления радиоволн в тропосфере и ионосфере 15
Флуктуации фазы и разности фаз сигналов 17
Флуктуации фазы сигналов втропосфере 18
Флуктуации фазы сигналов в ионосфере 19
Флуктуации разности фаз трансатмосферных радиосигналов 21
1.4 Вариации углов прихода и рефракция радиоволн 22
Вариации углов прихода радиоволн 22
Рефракция радиоволн в тропосфере и ионосфере 23
1.5 Влияние атмосферы Земли на доплеровское изменение частоты 25
Влияние тропосферы на доплеровское изменение частоты..... 26
Влияние ионосферы на доплеровское изменение частоты 28
Случайные вариации частоты трансатмосферного радиосигнала 28
1.6 Выводы 32
Глава 2. Методы определения координат наземных ИРИ пассивными РТС
космического базирования 34
2.1 Определение координат и параметров движения ИСЗ 34
Системы координат и методы определения траекторий ИСЗ 34
Расчет координат и параметров движения ИСЗ в системе WGS-84 35
Координаты ИРИ в системе WGS-84. Эллипсоид WGS-84 39
2.2 Предлагаемые варианты построения космических систем радиоконтроля
земной поверхности 41
2.2.1 Описание структуры фазовой системы 41
2.2.2 Описание системы с измерениями частоты сигналов 45
Краткий обзор современных методов определения координат ИРИ 48
Рекурсивные алгоритмы нелинейной фильтрации 52
Байесовская теория оценок 54
Реализация байесовского оператора условного среднего в гауссовском приближении 58
Нелинейные преобразования случайных величин 59
Квазиоптйм'альные алгоритмы фильтрации 67
Многомодальность апостериорного распределения вероятностей 72
Монте-Карло фильтр и его модификации 73
2.5 Выводы 78
Глава 3. Фильтрация координат в пассивной фазовой однопозиционной
космической РТС 80
3.1 Постановка задачи и методы ее решения 80
Математическая модель наблюдаемых сигналов 82
Методы определения координат излучателя 82
Схемы методов определения местоположения 84
3.2 Оптимальный алгоритм оценки угловых координат ИРИ -. 86
Общее описание оптимального алгоритма 86
Частные варианты записи функции правдоподобия 88
Реализация рекурсивной процедуры формирования «частиц» 97
Структура оптимального алгоритма 101
Квазиоптимальный алгоритм оценки угловых координат ИРИ 102
Исследование характеристик точности оценок азимута и угла места 104
Условия моделирования 104
Результаты расчетов 105
Определение потенциальной точности 114
3.5 Исследование характеристик точности определения широты и
долготы ИРИ по результатам угломерных измерений 118
3.5.1 Алгоритм пересчета угловых координат в широту и долготу ИРИ 118
3.5.2 Условия моделирования и результаты расчетов 119
3.6 Применение квазиоптимального алгоритма для оценки широты,
долготы и высоты ИРИ 121
Описание условий применения алгоритма 121
Результаты исследования СКО оценок 123
3.7 Выводы 126
Глава 4. Фильтрация координат в пассивной многопозиционной космической
РТС при использовании измерений частоты радиосигналов 128
4.1 Постановка задачи и алгоритм фильтрации координат 128
Математическая модель наблюдаемых сигналов на входе вычислителя координат 130
Описание алгоритма оценки состояния и структура фильтра 132
Алгоритм определения начальной оценки частоты 133
Исследование переходных процессов по СКО оценок координат и частоты ИРИ 135
Условия моделирования 135
Исследование работоспособности алгоритма 138
Исследование чувствительности алгоритма к априорной
неточности параметров модели наблюдения 151
Потенциальная точность 154
Выводы 156
Глава 5. Экспериментальные исследования частотного метода
фильтрации координат 160
5.1 Общее описание экспериментальных данных 160
Аппаратура базовой GPS станции и ее характеристики 161
Перечень навигационной и измерительной информации 163
5.2 Экспериментальные исследования атмосферных погрешностей
измерений частоты сигналов 163
5.2.1 Интерпретация результатов экспериментальных измерений 163
Цель и методология выделения погрешностей измерения частоты 165
Анализ вариаций частоты опорного генератора приемника 168
Анализ атмосферных ошибок измерений частоты 169
5.3 Экспериментальная проверка алгоритма определения координат
излучателя по результатам частотных измерений 176
Экспериментальное обоснование математической модели сигналов.... 176
Описание алгоритма фильтрации координат излучателя 177
Результаты исследования СКО оценок вектора состояния 180
5.4 Выводы 185
Заключение 188
Список использованной литературы 193
Приложение А. Акты внедрения 200
Введение к работе
В настоящее время во всем мире имеет место устойчивая тенденция к возрастанию роли космических средств, как в обеспечении военной мощи, так и достижении социально-экономического благополучия ведущих мировых государств. В военном деле космические системы и комплексы различного назначения являются важнейшей составной частью технических средств, создающих информационное превосходство. Именно они позволяют иметь преимущества в знании обстановки в различных регионах Земли, в оперативности и глобальности доведения информации боевого управления до войск и систем оружия. Таким образом, космические ресурсы становятся сегодня предметом жизненно важных государственных интересов в экономической, политической и военной сферах.
Относительная открытость использования космических каналов передачи данных дает реальную возможность несанкционированного доступа к ним различного рода злоумышленникам. Помимо очевидного экономического ущерба для владельца канала связи в этом случае может нарушаться режим нормального функционирования приемной аппаратуры спутника -ретранслятора: возникают перегрузки приемного тракта, которые сопровождаются прерываниями в организации связи для штатных абонентов. Радикальный способ борьбы с подобного рода «пиратами» предполагает определение их координат по сигналам, которые могут быть приняты на одном или нескольких космических аппаратах. Проблема является актуальной, и ее состояние обсуждается в [1 - 5].
В космических системах связи важное место занимает задача пеленгации абонентов, причастных к деятельности различных террористических или бандитских группировок. От точности и оперативности определения координат в этом случае зависит результативность работы соответствующих органов безопасности.
Космические системы поиска и спасания терпящих бедствие, имеющие огромную зону обслуживания, напрямую предназначены для решения задачи
оценки координат источников сигнала бедствия, передаваемого аварийными радиопередатчиками. В рамках Федеральной космической программы России в настоящее время ведутся работы по развитию и модернизации системы КОСПАС (космическая система поиска аварийных судов). В скором времени будет создана «Система персонального поиска и спасания в кризисных ситуациях» на базе использования персональных радиобуев [6]. От оперативности и точности работы системы зависит человеческая жизнь, поэтому эта задача является чрезвычайно актуальной.
Одной из центральных проблем космической обороны является оперативное получение информации о средствах обороны и нападения потенциального противника. Радиотехнические системы разведки, в отличие от телевизионных, позволяют определять местоположение стратегически важных объектов вооружения и военной техники независимо от условий оптической видимости. Важным этапом решения этой проблемы- космической разведки должна стать детальная проработка методов и алгоритмов определения координат источников излучения по параметрам сигналов, принятых на борту одного или нескольких космических аппаратов.
Главным фактором, ограничивающим точность любых измерительных систем, являются случайные возмущения, проявляющиеся в наблюдаемых сигналах. При измерениях параметров радиотехнических сигналов необходимо учитывать влияние среды распространения радиоволн. Исследованию ошибок, возникающих при распространении радиоволн сквозь слои атмосферы Земли, посвящен ряд работ [7 — 14]. Полностью скомпенсировать влияние мешающих факторов природного и искусственного происхождения по понятным причинам не удастся, поэтому необходимо применение статистических методов обработки результатов измерений. В 1795 году Гаусс, решая задачу оценки постоянных и неизвестных параметров орбит небесных тел по наблюдениям, содержащим ошибки, разработал метод наименьших квадратов (МНК). В 1912 году Фишер развил метод максимального правдоподобия (МП). Затем в работах Колмогорова (1941 год) и Винера (1942 год) были получены фундаментальные результаты по теории фильтрации случайных сигналов. Существующая ныне
методология статистического анализа и синтеза устройств обработки наблюдаемых сигналов сформировалась на основе фундаментальных результатов теории марковских процессов, определяемых стохастическими дифференциальными уравнениями. Результаты теории изложены в 60-70-х годах прошлого века в трудах Стратоновича [15] и Калмана [16]. На основе этих работ за последние годы были решены задачи оптимального статистического синтеза алгоритмов фильтрации полезных сообщений для различных областей науки и техники [17 - 30]. Вклад ученых России представлен в известных монографиях Б.Р. Левина, B.C. Пугачева, В'.И. Тихонова, В.Н. Харисова, М.А. Миронова, М.С. Ярлыкова, Ю.Г. Сосулина, А.И. Перова, СВ. Первачева, В.И. Меркулова [31 - 50].
Для полностью линейных систем широкое практическое применение находит оптимальный по критерию минимума среднего квадрата ошибки алгоритм линейного фильтра Калмана (ЛФК) [17]. Для нелинейных систем применение методологии ЛФК привело к появлению расширенного фильтра Калмана (РФК) и его модификациям [18]. РФК использует линеаризацию нелинейных уравнений моделей системы. В системах, описываемых сложными моделями, возможно применение различных численных методовлинеаризации. Один из таких способов приводит к алгоритму сигма-точечного фильтра [19 — 24]. Численные методы также применимы для расчета оценок в ситуации, когда гауссовское приближение дает большие ошибки. В этом случае применяют так называемые фильтры частиц [25 - 30]. Существуют и другие варианты построения фильтров, например, в виде комбинаций' алгоритмов, перечисленных выше.
Несмотря на это разнообразие методов, в некоторых научно-технических приложениях (в том числе в ряде направлений пассивной радиолокации) проблема практического освоения результатов теории нелинейной марковской фильтрации по-прежнему реально существует. Таким образом, проблема разработки алгоритмов функционирования пассивных радиотехнических систем (РТС) космического базирования для высокоточного определения местоположения наземных источников радиоизлучения является актуальной.
Выбор и обоснование метода и алгоритма определения координат позволит сформулировать требования для построения современных перспективных космических систем.
Цєлбю работы является разработка и исследование оптимальных динамических алгоритмов высокоточного определения пространственных координат наземных источников радиоизлучения; (ИРИ) в пассивных системах, расположенных на борту искусственных спутников Земли (ИСЗ). В диссертации рассматриваются фазовый однопозиционный и частотный многопозиционный, методы определения- координат неподвижных ИРИ, расположенный вблизи поверхности Земли.
Ограничения по массогабаритным характеристикам приемной аппаратуры, не позволяют разместить на борту ИСЗ. высокоточный- фазовый пеленгатор, позволяющий получить, однозначную оценку угловых координат ИРИ в моноимпульсном режиме: В^этих условиях предлагается рекурсивный алгоритм обработки фазовых измерений:,.выполняемых последовательно, во времени, при изменении ориентации антенной,системы.ИСЗ в пространстве.
При разработке оптимальных алгоритмов вторичной обработки измерений необходимо учитывать ошибки, первичных измерителей, а также ошибки, обусловленные внешними факторами. Основным источником внешней погрешности, как для фазовых, так и для частотных измерений^ является атмосфера Земли. Кроме этого при разработке алгоритма для частотного метода оценки неизвестных координат и частоты излучения ИРИ необходимо учитывать, что этот метод основан на использовании нескольких движущихся ИСЗ. При наличии перемещения ИСЗ относительно ИРИ, важно, чтобы алгоритм был инвариантен к числу ИСЗ, на которых принимается сигнал ИРИ.
Для рассматриваемых методов и алгоритмов' выполнено исследование среднеквадратичных ошибок (GKO) оценок координат ИРИ при заданных ошибках первичных измерителей параметров радиосигналов.
Поставленная цель достигается решением.следующих задач:
1. Анализ ошибок, возникающих при распространении радиосигнала ИРИ в тропосфере и ионосфере Земли.
Исследование существующих рекурсивных алгоритмов извлечения информации из наблюдаемых сигналов при наличии мешающих факторов.
Разработка и анализ фазового метода высокоточного определения координат ИРИ с борта одного ИСЗ при отсутствии однозначных угловых измерений.
Синтез и исследование динамического алгоритма оценки координат ИРИ в многопозиционной космической системе на основе измерений частоты принятых радиосигналов.
Экспериментальная проверка метода определения координат ИРИ по результатам измерений частоты радиосигналов.
Методы исследования. Для решения поставленных в диссертации задач использовались методы математической статистики, математического анализа и линейной алгебры; статистические методы современной теории оценивания; методы математического и имитационного моделирования.
Обоснованность научных положений и достоверность результатов исследований подтверждается согласованностью результатов теоретических исследований, компьютерного моделирования и экспериментальной проверки полученных алгоритмов фильтрации.
Научная новизна диссертационной работы заключается в применении оптимальных рекурсивных алгоритмов определения координат наземных ИРИ в пассивных космических системах. Разработаны и проверены алгоритмы обработки фазовых и частотных измерений для определения широты, долготы и высоты ИРИ в динамическом режиме. Предложена методика использования измерений базовой GPS станции для исследования искажений частоты сигнала, вызванных неоднородностями атмосферы, а также для проверки алгоритма определения координат в частотном методе.
Личный вклад* автора состоит в следующем. Автором диссертации на основе общей теории марковской нелинейной фильтрации, задания, выданного научным руководителем, и совместных обсуждений проблемных вопросов выполнен синтез оптимальных алгоритмов обработки фазовых и частотных измерений при заданных условиях и ограничениях. Проведено математическое
моделирование алгоритмов на ЭВМ и получены результаты в виде, удобном для представления в диссертации. Проведены экспериментальные исследования погрешностей измерения частоты трансатмосферных радиосигналов. Предложена и реализована методика экспериментальной проверки частотного метода определения координат ИРИ с борта ИСЗ при помощи измерений базовой GPS/ГЛОНАСС станции.
Материалы исследований использованы в научно-исследовательском институте радиотехнических систем Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники- (ТУСУР, г. Томск) при выполнении ряда хоздоговорных работ, а также в учебном процессе ТУСУР на кафедре радиотехнических систем, что подтверждается актами о практическом использовании научных результатов диссертационной работы.
Практическая ценность синтезированных в диссертации алгоритмов
вторичной обработки заключается в том, что они* могут служить основой для
построения1 современной космической РТС определения местоположения
наземных источников излучения. ;
По результатам работы сформулированы основные положения, выносимые на защиту:
1. Динамический алгоритм измерения координат ИРИ с управлением
наблюдениями путем вращения антенной системы многобазового фазового пеленгатора вокруг оси, направленной в центр априорной зоны приема, позволяет получить однозначную и точную оценку угловых координат ИРИ при меньшем количестве антенн и приемных каналов, по сравнению с традиционным методом.
Выражение для функции правдоподобия совокупности сигналов с выходов квадратурных фазовых детекторов, подключенных к приемным трактам трехбазового фазового- пеленгатора, являющееся основой алгоритма, который использует рекурсивное вычисление апостериорной ПРВ состояния, позволяет достичь потенциальной точности' оценивания угловых координат ИРИ при заданных параметрах системы.
Рекурсивный алгоритм формирования совместных оценок координат и
неизвестной частоты излучения наземного ИРИ при обработке измерений частоты радиосигналов, принятых на борту нескольких ИСЗ, позволяет использовать разное число ИСЗ в системе определения местоположения. Исследование алгоритма в трехпозиционной космической системе при заданных параметрах, показало, что он реализует потенциальную точность метода.
Апробация работы. Научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: научно-технической конференции по обмену опытом в области создания сверхширокополосных РЭС (ФГУП "ЦКБА", г. Омск, 11-13 октября 2006 г.); научно-технической конференции ФГУП «РНИИ КП», посвященной 60-летию предприятия (Москва, 10-12 октября 2006 г.); юбилейной научно-технической конференции «Инновации в радиотехнических информационно-телекоммуникационных технологиях», приуроченной к 60-летию Радиотехнического института имени академика А.Л. Минца и 60-летию факультета радиоэлектроники МАИ (Москва, 24 - 26 октября 2006 г.).
Результаты работы опубликованы в сборниках трудов этих конференций, а также в следующих журналах:
Радиотехника - 2006 г., № 11 - с. 24-30;
Доклады ТУСУРа - 2008 г., № 1(17);
Доклады ТУСУРа-2006 г., № 6(14)-с. 96-102;
Доклады ТУСУРа-2006 г., № 6(14) - с. 106-113;
Радиотехнические тетради — 2008 г., № 37 - с. 78-80.
Публикации. Всего соискателем по теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, из них: 5 статей в журналах, два из которых входят в перечень ВАК, 3 статьи в материалах конференций и 2 тезисов докладов конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, содержащего 74 работы отечественных и зарубежных авторов, и приложения. Основное содержание диссертации изложено на 203 страницах, содержит 76 рисунков и 15 таблиц.
