Содержание к диссертации
Введение
1. Системный анализ условий и процедур обработки координатной информации о местоположении источников радиоизлучений в декаметровом диапазоне волн
1.1 Структура системы координатометрии в Радиочастотной службе РФ 9
1.2 Модель системы координатомтерии 14
1.3 Анализ условий функционирования системы координатометрии радиоизлучателей 1.4 Возможности существующих средств координатометрии радиоизлучателей 21
ВЫВОДЫ 28
2. Анализ и выбор метода оценивания пространственных параметров
2.1 Методы оценивания пространственных параметров 33
2.1.1 Методы с обращением ковариационной матрицы 33
2.1.2 Параметрические методы 34
2.1.3 Собственно структурные методы 36
2.2 Сравнительный анализ методов 40
2.2.1 Точность оценивания пространственных параметров 40
2.2.2 Сравнение и выбор метода оценивания пространственных параметров 43
ВЫВОДЫ 45
3. Разработка алгоритмов обработки информации при пеленговании многолучевого сигнала и координатометрии близкорасположенных излучателей
3.1 Разработка алгоритма обработки пеленговой информации в условиях многолучевого воздействия
3.2 Задача определения координат близкорасположенных радиоизлучателей 54
3.2.1 Постановка задачи 54
3.2.2 Анализ существующих методов пространственного разрешения источников в условиях малой выборки
3.2.3 Особенности применения методов собственных структур в задаче обработки координат засечек
3.2.4 Собственноструктурный алгоритм разделения источников радиоизлучений 62
3.2.5 Разработка алгоритма обработки координатной информации о двух близкорасположенных радиоизлучателей
ВЫВОДЫ 74
4. Исследование возможностей разработанных алгоритмов 75
4.1 Исследование алгоритма обработки пеленговой информации в условиях многолучевого воздействия с помощью моделирования входного воздействия
4.1.1 Исследование возможностей алгоритма при одполучевом воздействии 78
4.12 Исследование возможностей алгоритма при некогерентном воздействии 80
4.1.3 Исследование возможностей алгоритма при когерентном воздействии 83
4.2 Экспериментальное исследование алгоритма обработки пеленговой информации в условиях многолучевого воздействия 90
4.2.1 Анализ результатов функционирования существующего пеленгатора в различных условиях
4.2.2 Экспериментальная проверка возможности использования алгоритма обработки пеленговой информации 98
43 Анализ эффективности алгоритмов обработки координатной информации о близкорасположенных источников радиоизлучения
4.3.1 Оценка минимального объёма выборки измерений координат ИРИ 98
43.2 Оценка влияния объёма и состава выборки на точность определения место положения ИРИ
433 Оценка влияния точностных характеристик системы и закона распределения ошибок измерений па разрешающую способность алгоритма
43.4 Результаты экспериментальных исследований собственноструктурного алгоритма разделения ИРИ
Выводы 107
Заключение 108
Список литературы 110
- Возможности существующих средств координатометрии радиоизлучателей
- Сравнение и выбор метода оценивания пространственных параметров
- Собственноструктурный алгоритм разделения источников радиоизлучений
- Исследование возможностей алгоритма при когерентном воздействии
Введение к работе
Анализ современного состояния и тенденций развития телекоммуникационных технологий, базирующихся на использовании радиочастотного ресурса, свидетельствует об обострении проблем обеспечения эксплуатационной готовности радиочастот и радиочастотных диапазонов к безотказному и корректному обслуживанию общества на различных уровнях и масштабах его жизнедеятельности. Решение подобных проблем является основной функциональной задачей Радиочастотной службы РФ, имеющую разветвленную сеть радиоконтрольных органов и подразделений [1].
Состав и структура национальной системы радиоконтроля той или иной развитой страны зависит от целого ряда факторов: размеров территории и протяженности границ с сопредельными странами, от соблюдения этими странами международных соглашений в области использования радиочастотного ресурса, от плотности населения и количества радиоэлектронных средств (РЭС).
В связи с этим, высокая плотность и неоднородность информационного потока, обрабатываемого современной системой радиоконтроля предопределяют необходимость применения системного подхода (анализа) при исследованиях ее свойств и разработках алгоритмов ее функционирования.
Проведенный анализ условий функционирования радиочастотных органов показывает, что наиболее быстрый и эффективный путь при решении задач радиоконтроля базируется на процессах определения местоположения радиоизлучателя в виде его пространственных (географических) координат.
Особую значимость при этом имеет диапазон частот до 30 МГц, где пересекаются не только межрегиональные, но и межгосударственные интересы. В то же время, успешное решение этих задач применительно к данному диапазону частот сопряжено с преодолением множества проблем, связанных с вопросами распространения радиоволн на больших расстояниях, повышением точности измерений и адекватности обработки измерительной информации в системах координатометрии РЭС.
Выбор рациональной структуры и алгоритмов обработки координатной информации в системах координатометрии в конкретных условиях является важной и актуальной задачей. Сложность структуры системы координатометрии РЭС и взаимосвязей ее элементов обуславливают необходимость применения классической схемы исследований:
системный анализ;
разработка комплексной модели;
выявление слабых мест;
усовершенствование известных и разработка новых методов и алгоритмов;
проведение комплексных экспериментов и натурных испытаний.
В настоящее время в радиочастотной службе РФ формируется федеральная автоматизированная система радиоконтроля в диапазоне частот до 30 МГц, которая па первом этапе ее становления должна базироваться на элементах региональных пеленгаторных пунктов, оснащенных разнотипным пеленгаторным оборудованием, как правило, не отвечающим требованиям по точности и пропускной способности.
Большие размеры территории, подлежащей радиоконтролто, обуславливают наличие сложной сигналыю-помеховой ситуации при проведении измерений и возникновению соответствующих недопустимо больших погрешностей.
С учетом сложившейся обстановки с сожалением приходится говорить о необходимости принятия действенных мер по совершенствованию средств определения местоположения источников радиоизлучений особенно в KB диапазоне. Находящиеся на эксплуатации радиопеленгаторы и комплексы определения местоположения (Р - 359, «Томсон», «Эсмеральда», «Радар-ВЧ») морально и физически устарели, не рассчитаны для работы в сложной электромагнитной обстановке, характеризуемой многолучевостью, а их алгоритмы не полностью учитывают траекторные особенности ионосферных волн [7,9]. Так по опыту эксплуатации угломерно-дальномерных комплексов в различных регионах страны (Северо-Западный федеральный округ, Центральный федеральный округ, Сибирский федеральный округ, Уральский федеральный округ) линейная ошибка определения координат ИРИ колеблется от 5 % до 30... 40 % от дальности [9]. Указанная проблема давно привлекает внимание специалистов. По мере развития теории и практики определения координат радиоизлучающих объектов предлагались различные научно -технические решения [22,24,27,30,61,67,75]. Но для KB диапазона следует отметить общую тенденцию этих работ - они, как правило, находятся в рамках теории радиопеленгования без учета искажений траектории волны в ионосфере [62-65,68] в угломерных системах [28,30,66], или в рамках плоско волнового приближения модели электромагнитных волн (ЭМВ) и сферически-слоистой ионосферы в угломерно-дальномерных однопозиционных системах [53,76].
В связи с этим поставленная цель диссертационных исследований: повышение точности радиопелепгования при обработке информации в условиях многолучевого электромагнитного воздействия на систему координатометрии и обеспечение идентификации близкорасположенных источников радиоизлучений в диапазоне частот
7 ниже 30 МГц в условиях ограничений па пространственно-временной ресурс может быть признана актуальной и имеющей практическую значимость.
Предметом исследований является модель системы координатометрии, включающая источник радиоизлучений, среду распространения радиоволн (РРВ), интерференционное электромагнитное поле (ЭМП), измеритель пространственных параметров волны и систему обработки результатов измерений.
Научные положения, выносимые на защиту:
динамическая модель системы координатометрии источников радиоизлучений ВЧ диапазона;
алгоритм обработки пеленговой информации в условиях многолучевого воздействия, при ограничениях на пространственно-временной ресурс;
алгоритм обработки координатной информации о двух близкорасположенных радиоизлучателях, работающих па одной частоте.
Разработанные алгоритмы обработки информации [61,69,71,72] повышают точность измерений в условиях многолучевости при ограниченных пространственно временных ресурсах.
Сущность и результаты исследований изложены в четырех главах.
В первом разделе анализируется состояние системы координатометрии радиоизлучателей на фоне современной РЭО с учетом перспектив развития систем управления и связи на примере Северо-Западного округа РФ. Приводятся результаты оценивания частотно - пространственных характеристик радиоэлектронной обстановки и электромагнитного поля, воздействующего на измеритель параметров положения ИРИ, опыт эксплуатации средств и комплексов определения местоположения ИРИ в различных регионах страны. Вскрываются научно-технические задачи повышения точности координатометрии ИРИ и формулируются основные направления их решения [3,69,71].
Во втором разделе классифицируются методы измерения параметров положения ИРИ и анализируются их потенциальные возможности [70,73].
В третьем разделе развиваются классические методы обработки координатной информации с применением собственно-структурных алгоритмов в условиях ограниченного пространственно-временного ресурса [61,69,71,72].
В четвертом разделе исследованы возможности разработанных алгоритмов. Проведено исследование возможностей алгоритмов с помощью имитационного моделирования и осуществлена экспериментальная проверка их работоспособности на действующем макете пеленгатора в реальных условиях [71,74].
8 Практическую ценность результатов исследований подтверждают аюы об их использовании в Радиочастотном центре Северо-Западного Федерального Округа (приложение 4) и в материалах НИОКР (приложение 5),
По теме диссертационных исследований опубликовано 9 печатных работ. Основные положения докладывались на двух международных конференциях [3,72] и четырех российских конференциях [61t69»73s74]. Результаты работы [71] отмечены медалью Министерства Образования РФ. Алгоритмы, выносимые на защиту, апробированы на тематическом семинаре лаборатории компьютерного моделирования кафедры «Вычислительных систем и сетей» СПбГУАП.
Возможности существующих средств координатометрии радиоизлучателей
В настоящее время в диапазоне частот до 30 МГц нашли применение комплексы двух типов: угломерные и угломерно-далыюмерпые [8], Первые го них основаны на использовании системы разнесенных в пространстве элементов (радиопеленгаторных пунктов)- Информативным параметром в них является азимут на ИРИ, определяемый каждым элементом» Среди особенностей функционирования угломерной системы определения местоположения РЭС можно выделить следующие:
пространственная структура пеленгаторной сети должна обеспечить с одной стороны -электромагнитную доступность РЭС в зоне ответственности всеми радиопеленгаторными пунктами, с другой стороны - максимальную точность определения местоположения ИРИ;
все элементы системы должны иметь, по крайней мере, соизмеримые и известные показатели точности пеленгования;
отсутствие принципиальных ограничений на максимальную дальность до ИРИ, ограничивающуюся только зоной ЭМД.
Угломерно-дальномерный комплекс является однопозиционным средством координатометрии. В нем параметрами положения служат азимут на ИРИ и дальность до него. Для УДК характерны следующие особенности:
однопозиционная координатометрия;
отсутствие сложной системы связи и управления, характерной для угломерной системы определения местоположения РЭС;
необходимость измерения характеристик ионосферы с помощью станции вертикального зондирования ионосферы или определения характеристик по прогнозам;
ограничение диапазона дальностей до радиоизлучателей значениями 100..Л500 км, что связано с особенностями траекторных расчетов РРВ в ионосфере;
значительное влияние многолучевосга на точность определения координат ИРИ;
неоднозначность определения дальности при многоскачковом распространении радиоволн.
Внедрение в существующие угломерные системы координатометрии ВЧ диапазона угломерно-дальномерных комплексов создает предпосылки к созданию комбинированных сетей, требующих совместной обработки координатной информации, а также соответствующих алгоритмов управления. Исходя из характера внешних воздействий, рассмотренных в п. 1.3, можно сделать вывод о том, что в процессе функционирования системы координатометрии ИРИ ВЧ диапазона должна учитываться радиоэлектронную обстановку в рабочей зоне, а также условия РРВ на трассах от излучателя до каждого измерителя системы. В то же время алгоритмы обработки координатной информации в большинстве существующих комплексов сформированы для работы в условиях воздействия одного сигнала (луча).
Потенциальная точность алгоритмов обработки координатно-информативных параметров, реализованных в существующих комплексах, определяется в основном инструментальной точностью пеленгования измерительных средств- В таблице 1.1 приведены типы стационарных пеленгаторов подразделений радиочастотной службы РФ и их характеристики в составе пелеигаторной сети Их эксплуатационные характеристики, полученные в период проведения международного эксперимента в 2000 г по пеленгованию вещательных передатчиков [9] представлены в таблице 1.2.
Ошибка пеленга, помещенная в таблицу, определена как разность между расчетным значением и усредненным экспериментальным результатом. Знак (-) обозначает либо отсутствие результата, либо большую ошибку пеленгования (до 180 и более градусов). Звездочкой ( ) обозначены результаты, полученные при условиях, когда максимальная применимая частота для данного пеленгатора была меньше рабочей частоты передатчика, т. е. в расчетной «мертвой» зоне.
Сравнение и выбор метода оценивания пространственных параметров
Имеется достаточно большое количество исследований, в которых выполнено сравнение различных алгоритмов оценивания пространственных параметров [32, 33, 34, 35, 36]. Подавляющее большинство из них использует результаты моделирования на ЭВМ. Число экспериментальных применений рассмотренных алгоритмов для обработки реальных сигналов в настоящее время достаточно ограничено.
В [13, 37] исследованы методы MUSIC, MLM, AAR и MEM. При этом отмечено, что наилучшей разрешающей способностью обладает алгоритм MUSIC, а наихудшей - методы MEM и MLM. Для собственно структурных методов отмечается появление ложных решений, особенно при применении процедур повышения разрешающей способности. Эти ложные решения имеют значительные флуктуации в различных кадрах измерений, что может быть использовано для их отбраковки.
В [38] исследован метод линейного предсказания, относящийся к группе параметрических методов, и выполнено его сравнение с алгоритмами MLM и TNA. Среди них оценки ПП MLM оказываются статистически наиболее устойчивыми.
Исследования параметрических методов, в частности MEM, выполненные в [13 ,39], отмечают низкую помехоустойчивость этих алгоритмов и смещение получаемых оценок. Все это обусловлено неточным соответствием используемых моделей реальной сигнально-помеховой ситуации. В реализационном плане эти методы требуют применения только линейных эквидистантных АС. В [39] выполнено сравнение алгоритмов MUSIC, MLM, AAR, TNA, MEM. Исследованы их разрешающая способность, помехоустойчивость, зависимость от объема выборки и степени корреляции между сигналами. Во всех случаях наиболее точные и устойчивые результаты получены с помощью алгоритма MUSIC. Метод MEM практически во всех рассмотренных ситуациях дает смещенные оценки и обладает наихудшими характеристиками среди исследованных алгоритмов.
Исходя из изложенного следует полагать, что наиболее приемлемым для решения поставленной задачи является применение алгоритмов, основанных на анализе собственных структур ковариационной матрицы. При этом метод MUSIC не налагает каких-либо ограничений на топологию АС и обладает достаточными для практики потенциальной точностью и разрешающей способностью в условиях сложной сигнально-помеховой обстановке.
При практической реализации собственно структурных методов в условиях ограничения на пространственно-временной ресурс возникают дополнительные проблемы:
использование избыточных многоэлементных антенных систем для обеспечения определения направлений прихода сигналов в пространстве (0,fi);
ошибки пеленгования интерферирующих сигналов с коэффициентом корреляции выше 0,8;
возникновение смешений результатов пеленгования в связи с искажением амплитудного распределения на антенных элементах АС из-за взаимного влияния антенных элементов (АЭ) и других токопроводящих объектов. ВЫВОДЫ
1. Анализ классических методов и алгоритмов пеленгования показал ограничения на их применение в условиях моносигнального (однолучевого) воздействия.
2. Сравнение возможностей современных методов обработки координатной информации в условиях сложно сигнально-помеховой обстановки позволило выбрать в качестве базового метода - собственно структурный метод сверхразрешения MUSIC.
3. В качестве основных проблем, подлежащих дальнейшим исследованиям, выделены:
снижение избыточности многоэлементных антенных систем для обеспечения определения направлений прихода сигналов в пространстве (#,/?) в условиях многолучевости при ограниченном пространственно-временном ресурсе;
уменьшение ошибок пеленгования интерферирующих сигналов с коэффициентом корреляции выше 0,8;
устранение смещений результатов пеленгования в связи с искажением амплитудного распределения на антенных элементах АС из-за взаимного влияния АЭ и других токопроводящих объектов.
Собственноструктурный алгоритм разделения источников радиоизлучений
Возможны два подхода к разработке алгоритмов разделения ИРИ, основанных на методах собственных структур, различающиеся количеством параметров, участвующих в формировании ковариационной матрицы, В первом случае может быть использован только один параметр - азимут или дальность, что позволяет получить оценку этого параметра в виде одномерного спектра. Очевидно что задача разделения ИРИ при этом может быть достигнута, однако, для уточнения местоположения необходимо разложение как минимум ещё одной ковариационной матрицы, полученной для другой точки наблюдения, разнесённой в пространстве относительно первой точки. Проведённые исследования [53] показали, что наиболее удобным параметром в этом случае является азимут, так как его ошибки распределены, как правило, по нормальному закону, в то время как ошибки по дальности имеют распределение, близкое к релеевскому [53]. Во втором случае получаем двумерный спектр оценивания, который позволяет не только разделить ИРИ, но и однозначно определить их местоположение.
. Собственноструктурный алгоритм разделения источников радиоизлучений Вектор rt, характеризующий положение на плоскости измеренной точки засечки с координатами \ рг Д}, может быть представлен в ортонормированном базисе в виде гй = {sin0.,cos#,} B этом случае ковариационная матрица для данного вектора будет иметь вид;
Чтобы получить ковариационную матрицу вида (3.11) необходимо просуммировать матрицы 4 всех векторов, характеризующих положение координат точек, принадлежащих локализованному району. Пространственное сглаживание достигается путём усреднения ковариационной матрицы по m реализациям. Тогда: Легко увидеть, что полученная таким образом ковариационная матрица является эрмитовой. Разложив матрицу А (3-16) в собственном базисе (3.9), получим её собственные вектора и собственные значения.
Применение собственноструктурного метода предполагает нахождение размерности сигнального подпространства, которая однозначно определяет число ИРИ в районе неопределённости. Задача разделения пространства собственных векторов на сигнальное и шумовое подпространства традиционно решается на основе анализа собственных значений ковариационной матрицы. При наличии погрешностей формирования матрицы, обусловленных малым объёмом выборки, отличием закона распределения ошибок измерения координат ИРИ от нормального, а так же корреляцией радиоизлучателей, возникает несколько собственных значений, близких по величине к наименьшему. Особенно это характерно для малых значений выборки {# ,Д}, i-\,m. Результаты расчётов собственных значений для различныхобъёмов выборки и количества источников в районе представлены в таблице Из таблицы видно, что разделение собственных значений на сигнальные и шумовые при малых разносах между ИРИ и небольших объёмах выборки является сложной задачей. В связи с этим возникает проблема определения порога, такого, что все собственные значения, превосходящие его, считаются сигнальными и соответствуют , а все меньшие согласованы с Еп, Решение поставленной задачи осуществляется в рамках метода максимального правдоподобия. В работах [54, 55] предложены статистические тесты, критерии которых определяются следующими выражениями:
Исследование возможностей алгоритма при когерентном воздействии
Следующая проверка алгоритма предназначена для определения возможности алгоритма по пеленгованию многолучевого когерентного воздействия.
На первом этапе рассмотрим случай двух лучевого распространения, когда, один луч является поверхностным, а второй ионосферный. Азимут одного луча 35 градусов, угол места 0 градусов и нормированный уровень 1. Азимут второго луча 45 градусов, угол места 20 градусов, уровень 0,8. Результаты моделирований представлены в таблице 4.6 и на рисунках 4.25,4.26,4.27,4.28.
При данных условиях, результат классического пеленгатора лежит между двумя азимутами прихода сигналов (рис. 4.25) и ire указывает ни одно из истинных направлений- Результаты пеленгования по алгоритму пеленгования многолучевого сигнала практически совпадают с истинными значениями ПП.
Из рисунка 4.26 видно, что СКО классического пеленгатора существенно больше СКО пеленгатора, использующего алгоритм пеленгования многолучевого сигнала. Определение угла места классическим алгоритмом в данных условиях дает результат не соответствующий ни одному истинному углу прихода сигнала, тогда как разработанный алгоритм сверхразрешения определяет с незначительными погрешностями оба верных угла места (рис. 4.27) Моделирование двух лучевого распространения сигнала, где оба луча являются ионосферными. Азимут одного луча 35 градусов, угол места 40 градусов и его уровень = К Азимут второго луча 45 градусов, угол места 20 и уровень - 0,8, Результаты эксперимента приведены в таблице АЛ и на рисунках 4.29,4.30,4.31,4.32,
При данных начальных условиях, результат классического пеленгатора лежит далеко за пределами нахождения истинных азимутов лучей, а результаты пеленгатора, использующего алгоритм пеленгования многолучевого сигнала, практически совпадают с истинными направлениями.
В случае двух лучевого ионосферного распространения сигнала, алгоритм сверхразрешения так же, как и в предыдущем случае определяет оба истинных направления прихода лучей (рис 431). При этом точность определения остается достаточно высокой (рис. 4.32).
Заключительный этап моделирования рассматривает ситуацию двухлучевого распространения сигнала при условии воздействия помехи {третьего луча). Азимут одного луча 35 градусов, угол места 40 градусов и уровень 1. Азимут следующего луча 45 градусов, угол места 20 градусов и уровень 0,8. Азимут последнего луча 20 градусов, угол места 40 градусов и уровень 0,05.
Результаты моделирования представлены в таблице 4.8 и на рисунках 4.33,4.34,4.35, 4.36.
Из рисунка 433 видно, что результаты пеленгатора, использующего разработанный алгоритм сверхразрешения, смещаются от истинных направлений прихода лучей в зависимо Аналогичная картина наблюдается и по результатам измерения углов места прини маемых лучей.
Таким образом, результаты моделирования показывают, что при незначительном уровне помехи алгоритм сохраняет свою работоспособность.
Проведенные исследования на базе модели показали, что разработанный алгоритм пеленгования многолучевого сигнала при максимальных размерах шпенной системы 50x50 метров и длительности электромагнитного контакта с сигналом 3-5 секунд позволяет повысить точность пеленгования по сравнению с классическим алгоритмом во всех исследуемых условиях, при этом:
при однолучевом воздействии погрешность измерений классическим алгоритмом при разных соотношениях уровней с/ш лежит в пределах: по азимуту от 0,07 до 0,37, по углу места от 0,16 до 0,9. При тех же условиях алгоритм пеленгования многолучевого сигнала обеспечивает погрешность измерений в пределах: по азимуту от 0,06 до 0,11 по Углу места от 0,15 до 0,4. Полученный выигрыш по точности пеленгования обеспечивается корреляционной обработкой сигналов в предлагаемом алгоритме.
