Содержание к диссертации
Введение 5-
Гл. 1. Особенности синтеза и анализа устройств обработки сигналов в пассивных многопозиционных радиолокационных системах л г
1.1. Синтез оптимальной структуры устройств обработки радио
сигналов в пассивных многопозиционных радиолокационных
системах ' 4 ъ
-
Пространственно-временные сигналы и помехи в пассивных многопозиционных радиолокационных системах с учетом условий распространения радиоволн <6"
-
Постановка задачи статистического синтеза оптимальной структуры устройств обработки радиосигналов в пассивных многопозиционных радиолокационных системах 1S
1.1.3.Синтез оптимальной структуры устройств обработки радио
сигналов в пассивных многопозиционных радиолокационных
системах при использовании марковской теории оптималь
ного нелинейного оценивания 22
1.1.4. Синтез оптимальной структуры устройств обработки радио
сигналов в пассивных многопозиционных радиолокационных
системах на основе теории динамических систем со случай
ными изменениями структуры г8
1.2. Синтез квазиоптимальной структуры устройств обработки
радиосигналов в пассивных многопозиционных радиолокаци
онных системах зу
-
Фильтрация непрерывно-значных процессов з у
-
Обработка сигналов с непрерывными и дискретными параметрами ^о
1.3. Анализ алгоритмов обработки сигналов в пассивных много
позиционных радиолокационных системах "/З
-
Анализ качества измерения координат источников излучения із
-
Анализ ошибок, обусловленных особенностями распространения сигналов в тропосфере s\
-
Анализ ошибок захвата и срыва сопровождения объекта sh
ВЫВОДЫ ПО ГЛ. 1 2
Гл. 2. Синтез и анализ алгоритмов обработки импульсных сигна
лов в пассивных многопозиционных радиолокационных системах 6і/
2.1. Постановка задачи синтеза 6у
-
Математические модели фильтруемых процессов с 9
-
Импульсные сигналы cs
2.2. Синтез структуры устройств обработки радиосигналов в пас
сивных многопозиционных радиолокационных системах сэ
-
Исходные допущения
-
Оценки векторов состояния объекта 7
-
Отождествление источников излучения 7#
2.3. Анализ качества алгоритмов еч
-
Анализ ошибок определения числа источников ?ч
-
Анализ ошибок отождествления объектов з о
-
Анализ ошибок измерения координат объектов Зг
-
Анализ показателей захвата и срыва сопровождения $3
ВЫВОДЫ ПО ГЛ. 2 Ю2.
Гл.З. Синтез и анализ алгоритмов обработки сигналов источни
ков непрерывного и прерывистого излучения -іоі
-
Модели сигналов и помех <оь
-
Синтез оптимальной структуры устройств обработки радиосигналов в пассивных многопозиционных радиолокационных системах *0G
-
Синтез квазиоптимальной структуры устройств обработки радиосигналов в пассивных многопозиционных радиолокационных системах HZ
-
Параллельная обработка сигналов л іг
-
Последовательная обработка сигналов -и s
3.4. Анализ алгоритмов t з г
-
Фильтрация первичных параметров іг$
-
Алгоритм вычисления оценки координат источника излучения ігч
-
Устойчивость работы фильтров і V5" Выводы ПО ГЛ. 3 1 ъ"5" Гл. 4 Анализ пассивных многопозиционных радиолокационных систем методами моделирования 1fh
-
Моделирование импульсной разностно-дальномерной системы '^
-
Моделирование квазиоптимальных пассивных многопозиционных радиолокационных систем при приеме непрерывных и прерывистых сигналов -ш
-
Постановка задачи 1J3
-
Экспериментальное исследование радиотехнических узлов измерителя 113
4.2.3. Математическое моделирование системы Ш
4.3 Анализ ошибок измерения первичных параметров с учетом
влияния среды распространения сигналов ъаб
Выводы по гл. 4 ще
Заключение 2/5-
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение П.1.1. Модель сигнала, принимаемого пассивной
многопозиционной радиолокационной системой, с учетом влияния
тропосферы Z2V
Приложение П.1.2. Пространственная обработка сигналов в пас
сивных многопозиционных радиолокационных системах г г з
Приложение П. 1.3. Модель тропосферного распространения сиг
налов пассивных многопозиционных радиолокационных систем х*в
Приложение П. 1.4. Расчет систематических погрешностей оценок
первичных параметров сигналов пассивных многопозиционных ра
диолокационных систем, связанных с распространением сигналов
в тропосфере Земли иъъ
Приложение П.2.1. Способ решения уравнения (2.43) із}-
Приложение П.4.1. Получение выражений для задержки, угла
места и доплеровского сдвига частот при < 8 км ізз
Список библиографических источников
т
Введение к работе
Успешное решение проблемы местоопределения источников излучения в современных условиях непосредственно связано с развитием определенного направления радиолокации, а именно пассивной многопозиционной радиолокации. Последняя использует достижения математической статистики и решает задачи пространственно-временной фильтрации, т.е. задачи получения координатной информации из пространственно-временной структуры электромагнитных полей, создаваемых источниками излучения.
Успехи пассивной многопозиционной радиолокации отражены в ряде монографий, в большом количестве журнальных публикаций, материалах конференций и школ по многопозиционной радиолокации, радиоастрономии, радионавигации. Достаточно назвать лишь несколько ключевых проблем, решенных методами пассивной многопозиционной радиолокации: пеленгация удаленных на большие расстояния от Земли космических источников излучения, высокоточная оценка координат источников излучения наземного, воздушного и космического базирования, мониторинг атмосферной электромагнитной активности, решение ряда задач в гидролокации и сейсмологии и т. д. Все эти проблемы обсуждаются с той или иной степенью подробности в [ 1,3, 30, 44, 47, 64, 70, 71, 92, 106, 124, 138, 141, 147, 148, 178, 185, 186, 209, 210, 216, 224, 229-232, 236, 238-241, 244 ] , а также в большом количестве цитированной там литературы.
Возможности пассивной многопозиционной радиолокации далеко не исчерпаны. Существует ряд актуальных проблем [ 173 ] , которые успешно могут и должны быть решены в рамках данного направления. В частности, требуется разработать новые подходы в теории синтеза и анализа устройств обработки радиосигналов (УОР) в пассивных многопозиционных радиолокационных системах (ПМРС) в связи с совершенствованием радиосистем и появлением новых типов сигналов, например, сигналов с псевдослучайным скачкообразным изменением параметров, а также прерывистых сигналов. Важнейшим является решение задачи получения алгоритмов определения с помощью ПМРС координат совокупности источников излучения. Особый интерес представляет выяснение влияния априорной неопределенности на качественные показатели ПМРС и ее структуру. Полезным является разработка оптимальных ме- тодов обработки сигналов при наличии комплексирования ПМРС и других типов измерителей. Актуальной задачей является оценка влияния атмосферы и подстилающей поверхности на точностные характеристики ПМРС. Весьма важным является оценка помехозащищенности ПМРС и разработка устройств защиты от помех. Решению указанных задач и посвящена диссертационная работа. При этом вопросы радиолокационного обнаружения практически не рассматриваются, поскольку часто в радиотехнике статистический синтез и анализ радиолокационных обнаружителей проводится раздельно [ 183, 185, 209, 214, ]. Кроме того, для ПМРС проблема радиолокационного обнаружения менее актуальна, чем для активных и активно-пассивных многопозиционных радиолокационных систем, для которых эти вопросы довольно подробно рассмотрены в [ 36, 152-155, 158, 209, 210 ] и других источниках.
Целью диссертационной работы является: разработка процедуры синтеза алгоритмов обработки сигналов современных радиосредств в пассивных многопозиционных радиолокационных системах определения координат объектов, анализ квазиоптимальных реализаций этих алгоритмов, учет влияния тропосферы и подстилающей поверхности, решение задачи определения координат группы объектов, преодоление априорной неопределенности, обусловленной отсутствием сведений о параметрах сигналов и характеристиках объектов.
Методы исследования. В диссертационной работе использованы : теория матриц, математические методы статистики, теория вероятностей, теория случайных процессов, теория статистических решений, теория марковской фильтрации.
Научная новизна. Все результаты диссертационной работы за исключением приведенных в п.п. 1.1.4. являются новыми. К наиболее существенным новым научным результатам относятся:
Впервые на единой методологической базе с применением марковской теории фильтрации разработан подход, позволяющий синтезировать оптимальные и квазиоптимальные структуры устройств обработки радиосигналов в ПМРС в условиях многообъектовой ситуации и априорной неопределенности при произвольном количестве позиций и первичных параметров. Подход позволяет получить алгоритмы обработки сигналов с учетом комплексирования измерителей и влияния тропосферных неоднородностей.
Предложена и разработана процедура анализа квазиоптимальных структур устройств обработки радиосигналов в ПМРС с оценкой точностных характеристик, показателей захвата и срыва сопровождения излучающих объектов.
Получены алгоритмы синтеза и на их основе структурные схемы, а также качественные показатели устройств обработки радиосигналов в ПМРС при приеме импульсных ( включая и сигналы с псевдослучайным скачкообразным изменением параметров от импульса к импульсу ) , непрерывных и прерывистых сигналов.
Исследовано аналитическим путем тропосферное распространение радиоволн в условиях многопозиционной радиолокации. Получены аналитические зависимости, характеризующие ошибки местоопределения, связанные с тропосферным прохождением радиоволн. Разработаны алгоритмы коррекции этих ошибок. Рассчитаны их предельные значения.
Методом полунатурного моделирования проанализирован ряд вариантов ПМРС при приеме импульсных, непрерывных и прерывистых сигналов. Оценено влияние избыточности информации, неидеальностей трактов обработки сигналов, условий распространения радиоволн.
Разработаны рекомендации и спроектированы радиоэлектронные устройства, повышающие качественные показатели ПМРС. Некоторые из них защищены авторскими свидетельствами.
На защиту выносятся:
Математические модели сигналов со скачкообразно - меняющимися параметрами в ПМРС.
Модель тропосферного распространения радиоволн в условиях пассивной многопозиционной радиолокации.
Методология синтеза алгоритмов обработки в ПМРС сигналов с псевдослучайным скачкообразным изменением параметров от импульса к импульсу и прерывистых сигналов.
Алгоритмы синтеза и анализа устройств обработки радиосигналов в ПМРС в условиях многообъектовой ситуации и априорной неопределенности при приеме импульсных ( включая и сигналы с псевдослучайным скачкообразным изменением параметров от импульса к импульсу ),непрерывных и прерывистых сигналов.
Методика учета влияния на точностные характеристики ПМРС тропосферы и подстилающей поверхности.
6. Квазиоптимальные структуры устройств обработки сигналов источников излучения в ПМРС.
7. Процедура и результаты моделирования ПМРС Практическая ценность. В работе решена важная научно- техническая задача высокоточного определения координат излучающих радиосигналы объектов - современных средств связи, радиолокации и радиоуправления.
Реализация результатов. На основе результатов, полученных в работе, разработаны алгоритмы функционирования ряда вариантов устройств обработки радиосигналов в ПМРС, синтезированы для многообъектовой ситуации и априорной неопределенности параметров сигналов их структурные схемы, оценены в зависимости от ряда факторов, включая и условия распространения, точностные характеристики указанных систем, а также показатели разрешения, отождествления, захвата и срыва сопровождения. Определены перспективы дальнейшего совершенствования ПМРС. Предложен ряд технических решений, повышающих качественные характеристики ПМРС, в том числе защищенные авторскими свидетельствами.
Полученные рекомендации, схемотехнические решения и алгоритмы внедрены на предприятиях ГосНИИАС, ГосЦНИРТИ, ЦНИИРЭС, что отражено в актах внедрения.Результаты теоретических и экспериментальных исследований в виде лекционных материалов, учебных пособий, экспериментально - лабораторной базы внедрены в учебный процесс МИРЭА, что также отражено в соответствующем акте.
Публикации. По материалам исследований, связанных с темой диссертации автором опубликовано 45 печатных трудов. В их числе монография, 5 учебных пособий, статьи в центральных изданиях, 12 авторских свидетельств на изобретения.
Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях 'Математика, компьютер, управление и инвестиции' ( г. Москва, 1993 г. ) и ' Проблемы радиоэлектроники' ( г. Москва, 1995 г.), на Всесоюзных научно-технических конференциях ( г. Орел, 1985 г.; г. Свердловск, 1989 г; г Ташкент, 1990 г.), на республиканских научно-технических конференциях ( г. Свердловск, 1982 г.; 1983 г.; 1984 г.) на Всесоюзных научных семинарах АН СССР и Минвуза СССР ( г. Москва, 1983 г. ; г. Ленинград, 1985 г.; г. Москва, 1988 г. ) на ежегодных научно-технических конференциях МИРЭА ( 1983 - 1999 г.г.), на кафедре радиоприемных устройств МИРЭА ( 1993 г. ),на базовой кафедре при НИИ 'Комета' МИРЭА (1995 г.), на кафедре основ радиосхемотехники МИРЭА ( 1995 г., 1999 г. ), на кафедре радиосистем СПГААП ( 1995 г., 1997 г.).
Ниже приводится обзор известных публикаций, относящихся к обсуждаемым проблемам, а также общее содержание настоящего исследования.
1. Первым пассивным радиолокационным обнаружением источника излучения можно считать регистрацию электромагнитного поля излучения грозовых разрядов приемником А.С.Попова, продемонстрированное на заседании Русского физико-химического общества в 1895 г.[ 88] В дальнейшем наиболее интенсивно пассивные радиолокационные средства и системы стали развиваться во время второй мировой войны [ 3, 124, 148, 161, 162 ].Они широко применялись на подводных лодках и самолетах для упреждающего обнаружения сил противолодочной и противовоздушной обороны с целью уклонения от их ударов. С появлением в конце войны средств активных радиолокационных помех пассивные радиолокационные средства и системы стали применяться также для обнаружения работающих РЛС и наведения на них передатчиков помех. В последующий период назначение пассивных радиолокационных средсгв и систем заключалось в выявлении, местоонределении и измерении параметров РЛС потенциального противника. Эта задача требовала высоких точностей измерения параметров РЛС , но допускала умеренные и даже низкие быстродействие и пропускную способность. С улучшением помехозащищенности РЛС и совершенствованием средств радиоэлектронного подавления росли требования к их быстродействию и пропускной способности , в настоящее время это высокоавтоматизированные системы с развитой цифровой обработкой [ 148 ]. Как показали исследования [ 66, 178, 246 ], точность пассивных пелен-гационных систем зависит от количества позиций, используемых в системе. Вначале эти системы строились как однопозиционные [ 148 ], однако довольно быстро стали появляться двух- и более позиционные пе-ленгационные системы [1, 3, 36, 73, 141, 171, 178, 185 ] /обладавшие за счет значительного разнесения позиций существенно большей точностью. Анализ классической двухпозиционной триангуляционной ( угломерной ) системы был проведен в [ 178, 185 ] . В [ 245 ] метод был обобщен на произвольное количество пеленгаторов, координаты которых точно известны. В [ 247 ] задача оценки координат одного объекта была решена в трехмерном пространстве с учетом ошибок оценивания координат позиций. В [ 146 ] подобная задача была обобщена на случай оценки координат совокупности объектов.
В настоящее время угломерные пассивные радиосистемы строятся и как однопозиционные , и как многопозиционные. Первые, в основном, используются как авиационные [ 22, 50, 183, 216, ] , вторые - как наземного базирования [ 66, 146 ] .
Как показывают исследования, угломерные системы сравнительно просты, однако их точность в ряде случаев оказывается недостаточной. Большей точностью обладают разностно-дальномерные системы, которые выполняются всегда как многопунктовые в однопозиционном [ 216 ] или многопозиционном варианте [ 8, 70, 72, 92, 143, 159, 175, 210, 233 ]. В первом случае они более просты в реализации, во втором - можно получить большую точность определения координат. При приеме непрерывных и прерывистых сигналов ПМРС приходится строить как разностно - доплеровские системы, также как однопозиционные [ 44, 216 ] и как многопозиционные [ 70, 92, 187, 231 ] с соответствующими достоинствами и недостатками.
Перечисленные ПМРС являются системами с заданной структурой. Анализ и оптимизация подобных систем проведены в работах [ 15, 21, 24, 49, 51, 66, 86, 125 -127, 132, 166, 222, 223, 243, 247 ]. Большее внимание в них уделено угломерным системам, меньшее - разностно -дальномерным и разностно - доплеровским системам местоопределения. Отчасти подобное положение объясняется тем, что , например , разностно —дальномерный метод традиционно широко использовался в радионавигационных системах [ 12, 174, 179, 224, 236 ], и анализ преимуществ и недостатков метода проводился в рамках этих систем [ 12, 218 ].
2. Первыми работами, указывающими на возможность эффективного применения статистических методов в радиотехнике, являются работы А.Н. Колмогорова и Н .Винера [ 67, 249 ]. В последующие годы методы статистического синтеза и анализа качественных показателей оптимальных и квазиоптимальных структур радиосистем получили бурное развитие [4, 10, 17,27,29,46,53,59,61-64,70, 117, 119,121, 139,140, 144, 145, 149, 157, 159, 163, 168, 172, 177, 180, 181, 188, 191, 192, 193, 196 - 199, 201, 205, 209, 214, 217, 221, 240, 241 ]. Естественно, работы подобного направления появились и при исследовании и разработке ПМРС.
Синтез и анализ устройств обработки радиосигналов в многопозиционных угломерных системах при пеленгации одного источника излучения проведен в [ 3, 64, 167 ], причем в [ 64] основное внимание было уделено анализу точностных характеристик двухэлементного интерферометра при приеме шумового сигнала. Оптимизация измерителей временных параметров сигналов в разнесенных в пространстве приемных пунктах посвящены работы [2, 70, 207, 226, 239 ] . Рассмотрена однообъектовая ситуация , при этом в [ 70 ] рассмотрены активно - пассивные системы с позициями, расположенными на летательных аппаратах. Синтез и анализ проводился с использованием метода нелинейной марковской фильтрации.
В [ 213 ] исследуется активно - пассивная многопозиционная измерительная система с двухэтапной обработкой информации [ 69 ] с измерением нескольких первичных параметров и объединением па уровне единичных замеров.
Синтез УОР и анализ точностных характеристик доплеровской многопозиционной радиосистемы рассмотрен в[93, 130, 131, 208].Сиптез и анализ методами марковской нелинейной фильтрации УОР в ПМРС при приеме импульсных сигналов со скачкообразно изменяющимися параметрами осуществлен в [ 39 ] . Проанализированы точностные характеристики и параметры разрешения. Обосновано использование вз'аим-нокорреляционной квадратурной обработки сигнала. Синтез УОР в многопозиционных PJTC методом калмановской фильтрации реализован в[250]. В [ 75, 76 ] при использовании линейной калмановской фильтрации марковских процессов и теории динамических систем со случайными изменениями структуры реализован синтез УОР в ПМРС при приеме непрерывных и прерывистых сигналов. При этом обработка сигналов, принятых от нескольких источников, осуществляется последовательно. Анализ проведен для 2-х, 3-х, и 4-х позиционной ПМРС.
Совместная оценка координат нескольких объектов рассматривалась для случая обработки сигналов радионавигационной системой в [ 176 ], однопозиционной РЛС - в [ 17, 48, 54, 146, 192 ], двухпозициоп-ной ПМРС - в [ 128 ], ПМРС с произвольным числом позиций - в [ 39, 75 ] . Алгоритм оценки числа источников для однопозиционной РЛС с ФАР получен в [ 182, 206 ]. Подобная задача решалась и в | 125 ] , где синтезированная структура ПМРС позволяет одновременно оценить некоторое число источников ( до 5 ).
Проблема отождествления пеленгов в многопозиционных угломерах рассматривалась в [ 19, 20, 126 ], измерений в многопозиционных РЛС с объединением на уровне единичных замеров и траекторий - в [ 150, 151, 195, 209, ]; комплексирования: в РЭС - в [ 198 ] , в навигационных измерительных системах - в [ 5, 218, 220 ], в многопозиционных ра- диолокационных измерителях с объединением информации на уровне единичных замеров - в [ 35, 202 - 204, ].
Оптимизация обработки сигналов в ПМРС при ограниченной пропускной способности каналов связи рассмотреа в [ 51, 108 ].
В настоящей работе методами марковской теории оптимальной фильтрации синтезированы оптимальные и квазиоптимальные структуры УОР в ПМРС [ 104, 105,] при произвольном количестве позиций и первичных параметров, при приеме широкого класса сигналов от неизвестного количества источников излучения и при совместной фильтрации произвольного количества элементов вектора состояния [ 99]. Решена задача отождествления принятых сигналов с источниками излучения [ 94, 95 ] и осуществлена оценка количества источников в ПМРС с объединением на уровне радиосигналов. Учтена возможность комплексиро-вания многопозиционных и других типов измерителей [ 100 ]. Проведен синтез и анализ квазиоптимальной структуры УОР импульсных ПМРС с оценкой точностных характеристик [ 91, 101, 104, 105, 112 ] , ошибок отождествления [ 43, 94, 95 ] и определения количества источников. Определены показатели захвата и срыва сопровождения объекта. Синтезированы методами нелинейной марковской и калмановской фильтрации и теории динамических систем со случайными изменениями структуры оптимальные и квазиоптимальные структуры УОР в ПМРС при приеме непрерывных и прерывистых сигналов от нескольких источников излучения [ 76 ]. Проанализирована квазиоптимальная структура ПМРС с произвольным количеством позиций при приеме непрерывных и прерывистых сигналов, последовательной обработке этих сигналов от нескольких источников [ 93 ] и при совместной фильтрации первичных параметров [ 96, 98 ]. Оценены точностные характеристики, характеристики разрешения при условии попадания в строб сигналов от двух источников, параметры измерителя в условиях прерывания режима излучения сигналов. Показано влияние на точностные характеристики и характеристики разрешения количества позиций ( от 2-х до 4-х) и количества первичных параметров ( от 1 до 3-х ) [ 85, 90 ].
Синтезированы оптимальные и квазиоптимальные структуры УОР в ПМРС при приеме импульсных сигналов [69, 101 ] при неизвестном количестве объектов и неточном знании координат позиций [ 69, 99-101 ] и их количества. Получена обобщенная квазиоптимальная структура измерительной системы источников импульсных сигналов с псевдослучайным скачкообразным изменением параметров от импульса к импульсу.
Реализована процедура синтеза и анализа с учетом влияния атмосферы.
3. Вопросы распространения радиоволн через атмосферу и влияние подстилающей поверхности на процесс локации рассмотрены во многих публикациях [ 114, 116,129, 137, 142, 162, 178,184, 211, ], однако в основном они касались однопозиционной радиолокации. Работы, анализирующие влияние среды распространения на процесс многопозиционной радиолокации [ 2, 40,154, 156 ] появились позже. Однако, в последних исследования проведены либо для пеленгационных измерительных систем, либо для многопозиционных систем обнаружения. Судя по известным автору публикациям, можно заключить, что оценка влияния указанных факторов на точностные характеристики многопозиционных измерителей современных разработок не была проведена.
В настоящей работе сделана попытка оценить влияние атмосферных неоднородностей и подстилающей поверхности на точностные характеристики пассивных многопозиционных измерителей [ 41, 97 ], причем был использован как расчетный метод, так и метод моделирования. На ЭВМ для четырехпозиционной ПМРС были рассчитаны полные ошибки для пеленгов временных задержек и доплеровских сдвигов частот. Также на ЭВМ проведено цифровое моделирование ПМРС при наличии нескольких каналов переотражений, возникающих за счет влияния подстилающей поверхности [74, 90].
Методами моделирования исследовались и другие факторы, в частности, влияние на точностные характеристики таких параметров как ширина спектра сигнала, доплеровский сдвиг частоты, отношение сигнал/шум. Наиболее важные узлы, например, корреляционные измерители временных задержек, исследовались экспериментально. Экспериментально проверялось также влияние на точностные характеристики не-идеальностей тракта обработки, вызванных наличием таких функциональных узлов как автоматическая регулировка усиления, автоматическая подстройка частоты, устройство борьбы с импульсными помехами -широкая полоса-ограничитель-узкая полоса. Проводилось экперимен-тальное исследование отдельных подсистем, в частности, пеленгационных. По результатам исследований были разработаны радиоэлектронные устройства, повышающие качественные показатели ПМРС; на некоторые из них получены авторские свидетельства.
В главе 1 рассмотрены : модели пространственно-временных сигналов, общая постановка задачи статистического синтеза оптимальной структуры УОР в ПМРС, синтез оптимальной структуры УОР в ПМРС с использованием марковской теории оптимального нелинейного оценивания, синтез оптимальной структуры УОР в ПМРС на основе теории динамических систем со случайными изменениями структуры, процедура анализа, включая анализ точности, захвата и срыва автосопровождения.
