Введение к работе
Актуальность темы. Безопасность полетов в значительной степени зависит от эффективности функционирования системы управления воздушным движением (УВД). Анализ доступной информации показывает, что подавляющее большинство летных происшествий обусловлено снижением эффективности работы радиолокационных средств слежения и средств передачи информации в условиях сложной помеховой обстановки.
Загруженность частотного диапазона и интенсивно увеличивающаяся концентрация источников излучения различного назначения, постоянно возрастающие требования к качественным характеристикам систем обработки информации (СОИ) и непрерывно усложняющаяся помеховая обстановка приводят к необходимости исследования потенциальных возможностей существующих и разработки новых алгоритмов обработки информационных сигналов.
Широкий спектр задач, возникающих при обработке информации, стимулировал появление разнообразных теоретических методов и подходов, среди которых наиболее универсальным и конструктивным показал себя метод описания наблюдаемых процессов переменными состояниями. Основателем этого направления является Р.Л. Стратонович, создавший теорию марковской фильтрации. Дальнейшее развитие этого направления, которому посвятили свои труды Ю.Г. Сосулин, В.И. Тихонов, Э. Сейдж, Дж. Меле, и другие исследователи, расширило область приложения нелинейных динамических систем к различный задачам обработки сигналов и привело к созданию оценочно-корреляционных и оценочно-компенсационных алгоритмов. Однако достаточно полный анализ работы таких алгоритмов практически отсутствует.
Увеличение источников излучения и их качественные различия приводят к априорной неопределенности относительно плотности распределения помех. Это снижаеі эффективность применения СОИ и ухудшает их измерительные и информационные возможности. Повысить точность обработки информации в СОИ в условиях априорной неопределенности относительно плотности распределения помех позволяют устойчивые и робастные методы обработки поступающей информации, вопросы применения которых недостаточно проработаны. Большой вклад в развитие теории робастности внесли Дж. П. Хьюбер, Ф. Хампель и другие исследователи.
Обработка траектории* данньтх на основе используемых в системах УВД методов происходит с большими ошибками в ситуациях, когда динамика движения управляемых объектов отличается от принятых моделей. При этом происходит перепутывание их траекторий движения или даже срыв слежения. Усложнение модели динамики движения объектов приводит к разработке сложных в вычислительном плане методов
обработки
іоступающей информации, реализация которых встречает
сложности fa реальном масштабе времени. Исследования показали, что
применение
робастнЫх процедур позволяет оптимизировать структуру
обработки поступающей информации.
Цель д іссертационной работы заключается в разработке и исследовании мето иэв повышения точности обработки информации, повышении устойч геости функционирования систем обработки информации в сложной їпомеховой обстановке, основанных на оценочно-компенсационных и робастных алгоритмах.
Задачиі которые были решены для достижения поставленной цели, а именно: '
-
исследованы и разработаны алгоритмы обработки информационных сигналов на фоне помех и шумов, основанные на компенсации помех;
-
синтезированы структурные схемы устройств, реализующих теоретические концепции робастной обработки сигналов, и проведен их анализ;
-
разработан пакет программ для анализа устойчивых и робастных алгоритмов обнаружения сигналов на фоне помех;
-
проведен синтез и анализ робастных алгоритмов сопровождения движущихся объектов на основе оценок фильтрации и интерполяции скорости и ускорения.
Методы исследования. При проведении исследований в диссертационной работе использовались математический аппарат теории случайных процессов, методы функционального анализа и математической статистики, теории статистических решений, теории робастности, а также методы статистической радиотехники, марковской теории фильтрации. Анализ полученных решений проводился с использованием методов вычислительной математики и статистического моделирования на ЭВМ.
Научная новизна полученных результаюв заключается в следующем:
-
разработан метод статистического синтеза алгоритма обработки информационных сигналов, использующего компенсатор помех на основе ОБФ с дополнительной обратной связью по сигналу и компенсатор с перекрестными связями;
-
впервые разработан метод декорреляшш помехи, использующий процесс невязки;
-
синтезированы устойчивые и робастные алгоритмы обнаружения сигнала на фоне помех с s-загрязненным распределением и q-точечного семейства на основе минимаксного подхода;
-
разработана методика моделирования устойчивых и робастных алгоритмов на ЭВМ и оценена их эффективность;
? -5-
5. предложены эффективные с точки зрения вычислительных затрат робастные алгоритмы оценивания траекторий движущихся объектов.
Достоверность научных яолджений, полученных результатов и выводов базируется на применении адекватного математического аппарата и подтверждается результатами моделирования на ЭВМ.
Практическая ценность полученных результатов заключается в следующем:
1.определены области наиболее эффективного применения алгоритмов компенсации помех (гауссовского сигнала, ЧМи AM сигналов на фоне структурно подобных помех и белого шума);
2.предложены и исследованы структуры обработки ЧМ и AM сигналов, позволяющие повысить коэффициент подавления комплекса помех;
3.разработан пакет программ, позволяющий рассчитать характеристики различных устойчивых и робастных алгоритмов обнаружеїшя сигнала на фоне пегауссовских помех, а также оценить потери того или иного алгоритма обработки;
4,разработаны робастные алгоритмы оценивания скорости и ускорения, позволяющие повысить точность измерения траекторий нескольких движущихся объектов и определить момент начала маневра, что повышает безопасность полетов;
5.на основании предложенной методики путем машинного моделирования на ЭВМ определена эффективность предложенных алгоритмов обработки.
На защиту выносятся результаты теоретических и экспериментальных исследований:
-
алгоритм компенсации помехи на основе процесса невязки;
-
метод синтеза алгоритмов обработки информационного сигнала, использующих компенсатор помехи на основе ОБФ с дополнительной обратной связью по сигналу и компенсатор с перекрестными связями;
-
результаты анализа компенсационных алгоритмов фильтрации и обнаружения сигналов;
-
робастные алгоритмы обнаружения сигналов на фоне помех с є -загрязняющим распределением и q - точечного семейства и результаты их анализа;
-
синтез и анализ робастных алгоритмов фильтрации и интерполяции траекторий движущихся объектов.
Результаты внедрения. Результаты и методики оценки помехоустойчивости и эффективности применения компенсаторов помех в сложной помеховой обстановке и оптимизация структуры и параметров фильтра сопровождения движущихся объектов внедрены в промышленности на заводе радиоизмерительных приборов (г. Муром). Методы синтеза и анализа устойчивых и робастных алгоритмов обнаружения
! -6-
і І
сигналов на ф эне негауссовских помех внедрены в учебном процессе в Муромском иі статуте ВлГУ.
Исследования и'практические разработки по теме диссертации были использованы при выполнении хоздоговорной (с Муромским заводом радиоизм зрительных приборов), госбюджетной НИР и госбюджетной НИР между министерством образования Российской Федерации в лице Управдел ия научно-исследовательских работ и ВлГУ:
«Исследование широкополосных сигналов и устройств их обработки» (1998 -)99 г., № 1985/98);
«Исследование и разработка методов и аппаратуры обработки сигналов» (1995-2000 гг., № гос. per. 01910036569);
«Теория, методы и устройства активно-пассивной радиолокации и их применение для повышения безопасности полетов самолетов» (2000-2001 гг., код НИР 005.06.01.03).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-техническая конференции «Новые информационные технологии. Информационное, программное и аппаратное обеспечение» (Таганрог, 1995); Международной научно-техническая конференции «Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем» (Пенза, 1996); III научно-технической конференции «Теория цепей и сигналов» і (Таганрог, 1996); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем» (Пенза, 1997); Молодежной научно-технической конференции «ХХШ Гагаринскис чтения» (Москва, 1997); Международной научно-технической конференции «К.Э. Циолковский - 140 лет со дня рождения. Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика» (Рязань, 1997); II Международной научно-технической конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации» (Владимир, 1997); I Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение», (Москва, 1998); научно-технической конференции студентов и аспирантов вузов России «Радиотехника и электроника в народном хозяйстве» (Москва, 1998); Молодежной международной научно-технической конференции «XXVI Гагаринские чтения» (Москва, 2000); на конференциях Муромского института Владимирского государственного университета и научных семинарах кафедры радиотехники МИ ВлГУ (1995 - 2000 г.г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, включая 8 статей. 4 доклада и 8 тезисов докладов. Часть материалов изложена в научно-технических отчетах по НИР.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Общий объе$1 работы составляет 163 страниц машинописного текста, включая 70 рисунков и 3 таблицы. Библиография содержит 65 наимено-
ваний, в том числе 20 работ автора. В Приложении представлено описание программы расчета характеристик обнаружения сигналов на фоне гауссовских и негауссовских помех, а |также документы, подтверждающие внедрение результатов работы. [
