Введение к работе
. Актуальность. Достигнутый за последнее время прогресс в теории оптимальных систем управления и систем, работающих в условиях неполной априорной и текущей информации, а также достижения в разработке и производстве средств вычислительной техники, значительно расширяют круг практических задач, требующих для своего решения внедрения систем автоматического управления, и позволяющих тем самым существенно повысить точность и надежность их функционирования.
До недавнего времени для решения задач обработки и коррекции
радиосигналов предлагалось использование адаптивных методов во
временной или чаще в частотной областях. Сейчас усиленно развивают
ся принципы адаптивной коррекции сигналов и в пространственной об
ласти. Для достижения пространственной избирательности предложено
осуществлять прием сигналов на антенную решетку (АР), имеющую два
или более независимых, пространственно разнесенных антенных элемен
тов. . ...
В зависимости от конкретного приложения элементами антенны могут быть диполи, предназначенные для приема электромагнитных сигналов, гидрофоны, помещенные в океане для приема акустических сигналов, сейсмометры, или геофоны, погруженные в землю для прослушивания сейсмических сигналов,, или другие виды датчиков.
Поэтому являются актуальными дальнейшие исследования по разработке методов синтеза адаптивных алгоритмов управления антенными решетками.
Цель работы.Целью диссертационной работы является развитие на
основе метода алгоритмического конструирования систем управления' с
неполной информацией методики синтеза алгоритмов адаптивной
фильтрации оптимальных параметров радиостистем, с АР, позволяющих
конструировать на их основе радиокомплексы, обеспечивающие ' авто
матическое подавление помех. . В связи с этим были поставлены и ре
шены следующие задачи: , ..
анализ применения для адаптации АР к приему полезных сигналов на фоне аддитивных помех известных методов, в частности, градиентных алгоритмов и фильтра Калмана;
формирование структуры адаптивной фильтрации параметров - АР, наблюдаемых, в данномслучае, через существенно нестационарный вектор сигналов, принимаемых элементами АР;
синтез на основе использования аппарата функций Ляпунова ус-
тойчившс к действию внешних возмущений алгоритмов адаптивной фильтрации оптимальных параметров АР, традиционно математически описываемых в радиотехнике в комплексном пространстве. При этом предполагается создание процедур фильтрации, которые сочетали бы в себе достоинства фильтра Калмана, такие как малое время переходных процессов фильтрации и значительную точность, со способностью градиентных алгоритмов функционировать в условиях отсутствия информации о статистиках сигналов и помех;
разработка на основе 'линейного непрерывного комплексного фильтра, дискретного алгоритма адаптивной .настройки параметров фильтра, ориентированного на применение ЭЦВМ.
разработка.программного обеспечения цифровых устройств управления радиокомплексом с АР градиентным методом, методом кал-мановской фильтрации и мотодом адаптивной фильтрации. Анализ требований к техническим средствам, исполняющим данные вычислительные процедуры.
Методы исследования. При решении поставленных задач применяется аппарат теории систем, теории автоматического регулирования и оптимального управления, теории функций 'комплексного переменного, результаты теории устойчивости и теории матриц. Для подтверждения. полученных теоретических результатов и исследования свойств известных и предложенных алгоритмов использовалось моделирование на ЭВМ.
Научная новизна. В диссертации на основе прямого метода Ляпунова решена задача синтеза адаптивных алгоритмов фильтрации комплексных-оптимальных параметров АР. Для этой цели разработаны подходы и на их основе предложена методика применения аппарата функций Ляпунова в системах управления, описываемых в комплексном пространстве состояний. Для синтеза алгоритмов адаптации параметров фильтра в соответсвии с предложенной методикой в задачах, содержащих в математической постановке нестационарную матрицу наблюдателя, влияющую на динамику вычисляемой при помощи ЭВМ линейной оценки, предложено видоизменить структуру фильтра, не нарушая при этом его линейного характера.-
Предлагаемая структура фильтра, обеспечивает существенно мень-'шую зависимость динамики вычисляемой с его помощью оценки на протяжении всего времени его функционирования (включая переходный период начальной настройки ) от непредсказуемой нестационарности вектора наблюдений. Это позволяет реализовать при помощи ЭВМ численные про-jUeдуры фильтрации, равномерно устойчивые по начальным значениям
- 5' -
оценки . Данная структура фильтра может оказаться полезной в целом
ряде задач, предполагающих алгоритмическое конструирование адаптив
ных фильтров и можэт быть распространена на адаптивное управление
при неполной информации в случае нестационарной матрицы наблюдате
ля. ^ .
Для удовлетворения возможных.требований к времени переходных процессов настройки фильтра, определяемое количеством вычислительных операций на каждом итерационном шаге, рассматривается вариант фильтра, предложенной структуры с" существенно сниженным числом параметров адаптации и, соотвественно, сниженным количеством вычислительных процедур. Экспериментально показано, что применив такой модификации фильтра возможно и обеспечивает значительное снижение времени вычислений оценки в ЭВМ на каждом итерационном шаге.
Практическая ценность.Вопросы защиты каналов связи от помех при использовании радио- и проводных каналов имеет .в технике исключительно, важное значение. Предложенные алгоритмы адаптивного подавления помех в АР имеют поэтому определенную практическую значимость, поскольку в условиях возрастающего потока передаваемой информации, ответственности и сложности возлагаемых на системы связи задач обеспечивают автоматически поддерживаемую устойчивую работу каналов связи. При этом эффект подавления помех достигается в случае приема полезного сигнала и помех действующих на одной и той же частоте на основе предположения о некоррелированности полезного сигнала и помех и различий в пространственном расположении их источников.
Известные способы адаптации приема сигналов на- АР,такие например как градиентный алгоритм и фильтр Калмана, имеют свои достоинства и ряд недостатков. Так градиентный алгоритм имеет длительные переходные процессы при изменении условий приема сигналов.и относительно низкую точность настройки АР на оптимальный прием, т.е. может оказаться непригодными в случае, если источники сигналов достаточно быстро перемещаются в пространстве. Фильтр Калмана.характеризуется очень высокой скоростью и точностью настройки АР ,что позволяет добиться качественного приема сигналав при быстром изменении координат источников сигналов, однако требует в процессе 'работы точного знания некоторых дополнительных по сравнению с градиентом данных о сигналах.
В диссертационной работе предлагается алгоритм адаптивной фильтрации,сочетающий в себе достоинства применения в практике ра-
диосвязи градиентных алгоритмов и фильтра Калмана. Он позволяет получить близкую к характерной для фильтра Калмана скорость и точность настройки АР на оптимальный прием сигналов, и, как и градиент, не требует дополнительной информации о статистиках сигналов.
Разработанные метода и алгоритмы доведены до конкретных процедур, реализованных на языке Фортран-IY пригодных как .для исследований свойств различных АР при моделировании так и при использовании их в реалных программно-аппаратных комплексах.
Внедрение.Результаты, полученные в диссертационной работе .были использованы при разработке адаптивной системы управления радиоэлектронными комплексами связи, базирующимися на применении АР, концерном "ФАЗАТРОН" , что подтверждено соответсвущими документами.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на научно-технической конференции "Методологическое, информационное и программное обеспечение систем автоматизации" (г. Черноголовка, 1989),на Всесоюзном семинаре "Проектирование микропроцессоров и цифровая обработка сигналов в измерительной технике" Всесоюзного научно-технического общества радиотехники, электроники и связи им.А.С.Попова, секция "Измерения в радиотехнике и электронике" (г. Москва, 1990 г.), на Всесоюзной. ' школе-семинаре "Новые информационные технологии и управление в машиностроении и приборостроении", секция "Управление в машино- и приборостроении" (г. Сухуми, 1990 г.), семинарах и заседаниях кафедры Кибернетики МИЭМ (1990 - 1991 Г.Г.).
Публикации.Основные положения диссертации изложены в 3-х печатных работах.
Структура и объем диссертации.Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем работы - 189 страниц машинописного текста, из них 59 страницы с иллюстрациями. Библиография содержит 73 наименования, из них 16 - на иностранном языке.
