Введение к работе
Актуальность темы. Дискретные сигналы относятся к классу широкополосных (spread-spectrum) сигналов. Современное состояние радиотехнических систем различного назначения, использующих сигналы этого класса, характеризуется активным развитием и тотальным продвижением на потребительский рынок, что объясняется рядом преимуществ, сопутствующих применению таких сигналов. Широкое их применение в разнообразных системах связи объясняется среди прочего необходимостью качественной высокоскоростной передачи информации в современных условиях перенасыщенности радиоэфира, стремлением обеспечить должный иммунитет к сосредоточенным и организованным помехам, повысить защищенность от несанкционированного доступа к передаваемой информации.
Положительные характеристики дискретных сигналов определили и направление развития радиоэлектронных средств обработки и передачи информации военного назначения, задачей которого является повышение их живучести посредством защиты от преднамеренных радиопомех в условиях расширения и ужесточения радиоэлектронной борьбы. Так, данные свидетельствуют о применении различных типов сложных сигналов для снижения вероятности перехвата сообщений перспективных систем связи, работающих на сантиметровых и миллиметровых волнах в составе воздушных командных пунктов и спутниковых систем.
Сказанное справедливо и для радиотехнических систем иного назначения, также использующих режимы и сигналы, существенно затрудняющие применение средств радиоэлектронной борьбы. Поэтому складывающаяся электромагнитная обстановка, в которой будут работать системы радиоэлектронной борьбы XXI века, станет более насыщенной, сложной и постоянно меняющейся, чем еще более акцентируется будущая приоритетная роль сложных дискретных сигналов. Постоянное развитие радиотехнических систем, реализующих низкую вероятность радиоперехвата и снижающих эффективность систем радиоэлектронной борьбы, стимулирует совершенствование и дальнейшее развитие последних.
В рамках этого процесса на протяжении последнего десятилетия в мире во все возрастающем масштабе ведутся работы по созданию средств радиоэлектронной борьбы и радиотехнической разведки, основанных на новейших принципах и технологиях.
Системы радиоэлектронной борьбы, выполняя две свои основные функции (обнаружение цели и принятие контрмер) с помощью средств радиотехнической разведки и радиоэлектронного противодействия, в обязательном порядке комплектуются приемными устройствами, которые по своему функциональному назначению могут быть разделены на две группы: приемники для радиотехнической разведки и приемники для предупреждения об излучении противника. Приемники радиотехнической разведки слу-
жат для сбора данных о параметрах радиоэлектронных систем, оснащенных излучающими средствами с целью не только непосредственного противодействия, но также правильного конструирования новых и доработки существующих средств радиоэлектронного противодействия. С их помощью осуществляется перехват сигналов и измерение рабочей частоты, длительности и частоты повторения импульсов, а также устанавливаются методы модуляции и даются оценки тактике применяемых излучающих средств. По принципу действия радиоприемники радиоэлектронной борьбы в основном различаются способом измерения частоты и вероятностью перехвата сложных сигналов. Во всех приемниках используются устройства для автоматической или полуавтоматической обработки информации.
Системы радиотехнической разведки, являясь разновидностью радиотехнических систем извлечения информации, входят в состав комплекса разведывательных средств и реализуют один из способов получения сведений о противнике. Глубина извлекаемой радиотехнической информации может быть различной и определяется конкретными задачами. Так системы радиоэлектронной борьбы интересуют технические характеристики радиотехнических систем противника, которые отражают назначение радиотехнических систем, позволяют сформировать радиотехнический паспорт такой системы противника, используемый при идентификации радиотехнических средств, а в более широком масштабе и военных сил противника (мощность и направление излучения, рабочий диапазон частот, разновидности применяемых радиосигналов, виды используемой модуляции, манипуляции, другие параметры радиосигналов). При этом получаемая системами радиотехнической разведки информация по техническим силам противника может быть зачастую единственной, что объясняется, например, большим радиусом действия радиоизлучения радиоэлектронных средств (в зависимости от назначения радиотехнической системы связи - десятки тыс. км), отсутствием зрительного контакта с ними и т.п. Кроме технических характеристик радиосредств противника, интерес представляет содержание информации, передаваемой его радиотехническими системами связи. Успех решения этих задач зависит от точности оценки информационных параметров радиосигнала, поскольку дискретные сигналы, так же как и радиосигналы в целом, характеризуются значениями параметров и законами их изменения. Законы изменения характеристических параметров определяют классы, подклассы сигналов, в то время как количественные вариации таких параметров управляют перемещением между объектами в пределах классовых границ. Поэтому при идентификации радиосигналов важен отбор характеристических признаков -информационных параметров, позволяющих с высокой степенью достоверности распознавать объект исследования.
В настоящее время для подавления радиотехнических систем противника могут быть использованы сигналы следующих трех типов: непосредственно переизлученный сигнал противника; переизлученный сигнал против-
ника с запоминанием его параметров; шум. Гауссовский шум вообще является универсальным сигналом и может быть применен для подавления всех сигналов радиотехнических систем. Однако при его использовании наименее эффективно расходуется мощность средств радиоэлектронного противодействия и , кроме того, противник может легко применить ракеты подавления с головками пассивного самонаведения. Знание же параметров позволяет сформировать сигнал радиоэлектронного противодействия наиболее рациональным образом. При этом тактика систем радиоэлектронной борьбы выглядит следующим образом:
радиоэлектронная поддержка: направлена на поиск, перехват, определение местоположения источников излучения, их опознавание с целью оперативной оценки характера и степени опасности. Здесь осуществляется идентификация и сортировка радиотехнических систем противника - оптимизация собственных средств радиоэлектронного противодействия (разделение сигналов одного и того же радиоканала, оптимизация техники подавления для радиотехнических систем данного типа);
радиоэлектронное подавление: комплекс действий, направленных на нарушение работы радиоэлектронных систем и средств противника путем создания активных и пассивных помех, а также введения его в заблуждение передачей дезинформации и имитацией работы своих радиосредств.
Среди множества дискретных сигналов широко известны сигналы с бинарной фазовой манипуляцией (БФМ), квадратурной фазовой манипуляцией (КФМ), квадратурной фазовой манипуляцией со сдвигом (КФМС), минимальной частотной манипуляцией (МЧМ). МЧМ сигналы и их аналоги популярны, особенно в последние годы, благодаря большей компактности их радиочастотного спектра в сравнении с уже традиционными БФМ сигналами.
Исследование проблемы оценки параметров дискретных сигналов радиотехнических систем связи в рамках радиотехнической разведки и радиоэлектронной борьбы на настоящий момент нельзя считать исчерпанным: усилия специалистов направлены на создание систем радиоэлектронной борьбы с очень высокой вероятностью перехвата и эффективным подавлением радиосистем с любыми сложными сигналами, что наряду с аппаратным совершенствованием систем радиоэлектронной борьбы, осуществляемым на основе новых технологий, делает важными и актуальными научный анализ дискретных сигналов, направленный на определение оптимальных методов и потенциальных точностных границ оценки параметров таких сигналов. Так, нет полной определенности в отношении минимально достаточного размера вектора информационных параметров, используемого в процессе идентификации радиотехнических систем связи противника, постоянно повышаются требования к точности оценивания параметров сигналов и для принятия правильных практических решений очень важно знание потенциальных точностных границ оценивания. При этом не нашел отражения вопрос влияния на
точностные показатели оценивания закона манипуляции. Несомненно, важны и необходимые временные затраты.
Конкретными направлениями исследовательских работ здесь являются:
-
Отбор наиболее перспективных, с точки зрения применения в радиотехнических системах связи, представителей дискретных сигналов.
-
Определение минимально достаточного набора параметров дискретного сигнала, дающего возможность проведения его идентификации.
-
Выбор метода оценки параметров дискретного сигнала.
-
Построение моделей сигналов, моделей их элементарных посылок.
-
Определение точностных характеристик оценки параметров отобранных сигналов, условий, влияющих на эти характеристики.
Эти вышеперечисленные задачи определяют актуальность представляемой работы.
Среди методов, используемых в настоящее время для оценки параметров дискретных сигналов, таких как, например, байесовский, минимаксный и др., метод максимального правдоподобия занимает особое место. Этот метод представляет значительный интерес как для теоретических расчетов, так и для практического использования в задачах оценивания параметров радиотехнических сигналов, образующих особый круг задач, для которых приемлемым оказывается правило оценки, гарантирующее несмещенность и равномерный по пространству параметров минимум условной дисперсии не вообще, а лишь асимптотически, то есть при неограниченном увеличении интервала анализа или уровня сигнала. Данный метод является универсальным и наиболее удобным для подавляющего числа подобных задач.
Цель работы. В связи с вышесказанным целью работы явились исследования, направленные на определение потенциальных точностных границ оценки параметров дискретных сигналов радиотехнических систем связи при ограниченном временном ресурсе наблюдения и априорной неопределенности в отношении законов манипуляции, характерных для реальных условий работы систем радиотехнической разведки и радиоэлектронной борьбы.
В отличие от традиционных способов оценки параметров дискретных сигналов, основанных на представлении элементарной посылки тривиальным прямоугольным импульсом, здесь учтены неглубокие интеренференци-онные перекрытия соседних посылок и возможное влияние манипуляции.
Исходя из этого, в диссертационной работе решались следующие задачи:
анализ класса дискретных сигналов и отбор представителей, наиболее широко используемых в радиотехнических системах связи;
анализ отобранных сигналов с позиций единства математического описания и их характеристических параметров, обеспечивающих идентификацию сигналов. Принятие решения в отношении метода оценки параметров сигналов;
аналитический расчет точностных характеристик оценок параметров дискретных сигналов по методу максимального правдоподобия;
анализ полученных точностных показателей с точки зрения зависимости от закона манипуляции, а также количества и состава одновременно оцениваемых параметров сигнала.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использовались следующие методы:
- методы теории оценок, теории сигналов для отбора и анализа представите
лей дискретных сигналов, оценки их характеристических параметров;
- методы теории математического моделирования, математического про
граммирования и теории математической статистики для экспериментальной
проверки полученных результатов.
Научная значимость и новизна работы. К числу новых теоретических результатов диссертационной работы относятся:
- установление систематизированных и единообразных границы асимптотической точности оценок основных идентификационных параметров дискретных сигналов при различных форматах манипуляции и комбинациях измеряемых величин. Полученные предельные соотношения служат универсальным эталоном, позволяющим судить как об информативности тех или иных комбинаций идентификационных параметров, так и об относительной эффективности тех или иных конкретных измерительных процедур;
- разработка надежной методики выбора необходимой продолжительности
сеанса измерения, характеризующей удержание точности оценки в оговорен
ных вероятностных пределах с учетом случайного характера манипулирую
щей последовательности.
Научные результаты и выводы обоснованы теоретически и подтверждаются результатами исследований при помощи моделирования на ЭВМ.
Праіспгческая ценность работы. Итогом исследований, проведенных в диссертации, явились конкретные методики и расчетные соотношения, дающие проектировщику инструмент достоверного прогнозирования эффективности разрабатываемых средств радиоразведки. Формулы потенциальной точности оценки устанавливают необходимый ориентир при решении стандартной инженерной проблемы: поиска компромисса между аппаратными затратами на реализацию системы идентификации и близостью ее характеристик к оптимуму.
Соотношения, связывающие продолжительность измерений с вероятностями удержания дисперсий оценки в заданных границах, составляют инженерную методику выбора параметров идентификатора с учетом статистического характера дискретного сигнала.
Совокупность представленных в диссертации теоретических и экспериментальных исследований позволяет сформулировать следующие научные положения, выносимые на защиту:
-
В качестве математической модели дискретного сигнала целесообразно принять последовательность элементарных посылок, имеющих в случае МЧМ сигналов косинусоидальную, а в случае БФМ, КФМ и КФМС сигналов - трапецеидальную форму с перекрывающимися фронтами, что позволяет в отношении последних преодолеть недифференцируемость логарифма функции правдоподобия по параметрам длительности элементарной посылки и в некоторой степени учесть эффект неглубокой межсимвольной интерференции и искажений формы импульса, проявляющиеся в канале связи с ограниченной полосой. Для данной модели при фиксированном интервале наблюдения длительность элементарной посылки можно рассматривать как неэнергетический параметр.
-
Для расчета асимптотических границ потенциальной точности оценки информационных параметров дискретного сигнала, описываемого указанной моделью, можно использовать полученные в работе соотношения, основанные на обращении матриц Фишера и систематизированных в виде упорядоченного каталога.
-
Для определения потенциальных показателей оценки совокупностей классификационных параметров дискретных сигналов удобна и продуктивна разработанная в диссертации сводка расчетных соотношений, полученных на основании границ Крамера-Рао.
-
Потенциальные показатели измерения информационных параметров дискретного сигнала (несушей частоты, начальной фазы, длительности элементарной посылки, временного сдвига) зависят от закона манипуляции посылок.
Наивысшая точность оценки длительности элементарной посылки дискретного сигнала достигается при манипуляции в виде чередования полярностей посылок.
5. Существует некоторая строго определенная минимальная длитель
ность сигнала (количество элементарных посылок), начиная с которой с за
данной вероятностью гарантируется обеспечение требуемой точности
оценки параметров дискретного сигнала. Для расчета указанной минималь
ной продолжительности наблюдений служат полученные в работе границы
вероятности удержания дисперсии оценки в заданных пределах.
Апробация работы. Основные положения и научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Украинской республиканской школе-семинаре, г. Черкассы, 1991г., на заседании кафедры радиосистем СПбГЭТУ, г. Санкт-Петербург, 1998 г.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы могут быть рекомендованы к использованию при разработке нового поколения аппаратуры систем радиотехнической разведки и систем радиоэлектронной борьбы.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, из них одна статья, три авторские свидетельства СССР на изобретения и тезисы к докладу на конференции.
Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 158 наименований. Основная часть работы изложена на 150 страницах машинописного текста. Работа содержит 18 рисунков и две таблицы.
