Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ систем связи с подвижными объектами с точки зрения контроля за использованием радиочастотного спектра и возможности добывания оперативной информации 13
1.1. Состояние системы радиоконтроля в РФ и ее возможности по контролю систем связи с подвижными объектами 14
1.2. Системы связи с подвижными объектами как источник оперативной информации в системе обеспечения безопасности РФ 21
1.3. Роль системы местоопределения источников радиоизлучений в службах радиоконтроля 22
1.4. Роль системы местоопределения источников радиоизлучений ССПО в системе обеспечения
безопасности РФ 24
1.5. Основные принципы построения систем связи с подвижными объектами и особенности их функционирования 26
1.5.1. Классификация систем связи с подвижными объектами 26
1.5.2. Архитектура, принципы построения и функционирования систем связи с подвижными объектами 29
1.5.3. Тенденции развития сухопутных систем связи с подвижными объектами общего пользования 33
1.6. Анализ возможности местоопределения ИРИ систем связи с подвижными объектами 35
1.6.1. Анализ условий функционирования систем местоопределения ИРИ диапазона ОВЧ-УВЧ 35
1.6.2. Анализ традиционных методов местоопределения ИРИ применительно к системам связи с подвижными объектами диапазона ОВЧ-УВЧ 39
1.6.3. Анализ систем местоопределения ИРИ применительно к системам связи с подвижными объектами диапазона ОВЧ-УВЧ 49
1.7. Проблемы пеленгования ИРИ систем связи с подвижными объектами диапазона ОВЧ-УВЧ и постановка задачи 58
Выводы к главе 1 59
2. Моделирование сигнально-помеховой обстановки в точке приема системы местоопределения диапазона ОВЧ-УВЧ 61
2.1. Моделирование процесса распространения сигналов ИРИ в слое городской застройки
2.1.1. Статистическая модель городской застройки 64
2.1.2. Расчет параметров многолучевых компонент на основе статистической модели городской застройки 68
2.1.3. Пространственно-временные характеристики электромагнитного поля в городском радиоканале 74
2.1.4 Модель передаточной функции слоя городской застройки 78
2.1.5. Алгоритмы моделирования процесса распространения сигнала ИРИ в слое городской застройки 82
2.2. Модели сигналов и помех в точке приема 85
2.2.1. Характеристики сигналов, используемых в системах связи с подвижными объектами ОВЧ-УВЧ диапазона 85
2.2.2. Модели сигналов и помех, учитывающие особенности распространения радиоволн и свойства антенных устройств 87
2.3. Результаты численного моделирования 91
Выводы к главе 2 97
3. Оптимизация алгоритмов пеленгования ИРИ на основе методов адаптивной пространственной обработки сигналов 100
3.1. Обоснование необходимости использования методов адаптивной пространственной обработки сигналов 100
3.2. Выбор метода адаптивной обработки сигналов для работы в условиях городского радиоканала ОВЧ-УВЧ 102
3.2.1. Сравнительный анализ адаптивных методов оценки угловых параметров источников радиоизлучений 103
3.2.2. Анализ устойчивости собственноструктурных алгоритмов к воздействию пространственно-окрашенного шума 112
3.2.3. Оценка возможности пеленгования ИРИ в условиях воздействия коррелированных сигналов (многолучевых компонент) 114
3.3. Алгоритмы пеленгования источников радиоизлучений на основе статистических распределений высших порядков 121
3.3.1. Синтез собственно-структурных алгоритмов на основе куммулянтных матриц четвертого порядка 122
3.3.2. Синтез алгоритма пеленгования ИРИ с разделением сигналов на основе метода унитарных вращений 129
Выводы к главе 3 143
4. Предложения по аппаратной и программной реализации полученных алгоритмов в комплексе местоопределения ИРИ систем связи с подвижными объектами диапазона ОВЧ-УВЧ. Рекомендации по структуре региональной системы местоопределения
4.1 Требования к системе радиоконтроля 145
4.2 Требования к системе местоопределения ИРИ 146
4.2.1 Общие требования к системе местоопределения ИРИ 146
4.2.2 Требования к антенным устройствам системы МО ИРИ 147
4.2.3 Требования к радиоприемным устройствам системы МО ИРИ 147
4.2.4 Требования к каналам и аппаратуре связи 148
4.2.5 Требования к программному обеспечению
4.3 Предложения по реализации системы радиоконтроля 149
4.4 Вариант построения и функционирования системы МО ИРИ 154
4.5 Предложения по аппаратной реализации разработанных алгоритмов 159
4.5.1. Предложения по выбору элементов антенной решетки и рекомендации по учету взаимного влияния антенных элементов 162
4.5.2. Рекомендации по построению приемного модуля комплекса местоопределения ИРИ диапазона ОВЧ-УВЧ 164
4.5.3 Рекомендации по реализации разработанных алгоритмов в микропроцессорных устройствах 167
4.6 Комплекс программного обеспечения местоопределения ИРИ с разделением сигналов 169
4.7. Анализ возможности реализации разработанных алгоритмов 172
Выводы к главе 4 173
Заключение 175
Библиография
- Системы связи с подвижными объектами как источник оперативной информации в системе обеспечения безопасности РФ
- Расчет параметров многолучевых компонент на основе статистической модели городской застройки
- Анализ устойчивости собственноструктурных алгоритмов к воздействию пространственно-окрашенного шума
- Требования к радиоприемным устройствам системы МО ИРИ
Системы связи с подвижными объектами как источник оперативной информации в системе обеспечения безопасности РФ
Под ССПО будем понимать совокупность технических средств (радиооборудование, коммутационное оборудование, соединительные линии и сооружения), с помощью которых можно предоставлять подвижным абонентам (ПА) связь между собой и с абонентами телефонной сети общего пользования (ТФ-ОП).
Системы связи с подвижными объектами принято классифицировать (по виду подвижных объектов) на морские, воздушные и сухопутные [97].
По принципам построения сухопутных ССПО различают ССПО с большими (вплоть до зоны "освещения" спутником) и малыми зонами обслуживания. Они могут быть радиальными, радиально-зоновыми и территориальными.
Радиальными называются системы, обеспечивающие связь абонентов на большой территории. Свободный доступ ПА ко всем частотам, имеющимся в системе, позволяет рационально использовать частотный ресурс. Однако следует учитывать, что во время сеанса связи ПА занимает дуплексный частотный канал и другие абоненты, находящиеся от него даже на большом расстоянии, не имеют возможности использовать этот канал до окончания сеан 27 са связи данного ПА. В радиальных системах, как правило, не удается создать равномерную напряженность электромагнитного поля от передатчика базовой станции на всей обслуживаемой территории и, следовательно, обеспечить одинаковое качество связи абонентов. Поэтому радиальные системы используются при небольшом числе пользователей системы и с ограниченным выходом на ТФ-ОП.
Радиально-зоновые системы позволяют организовать территориальную систему радиосвязи, как, например, местные зоновые системы радиосвязи, радиальные системы радиосвязи вдоль транспортных магистралей, радиоудлинители телефонных линий для труднодоступных малонаселенных районов.
Территориальные системы имеют сотовую структуру, в которой вся обслуживаемая территория разбивается на небольшие по площади зоны, что позволяет обеспечить одинаковое качество связи на всей территории. В системе имеется возможность повторного использования частот в различных зонах, благодаря чему существенно, по сравнению с радиальными системами, повышается эффективность использования частотного ресурса. Для управления системой требуется разветвленная система проводных и волоконно-оптических каналов связи.
По назначению сухопутные ССПО могут быть системами общего пользования, автономными, специализированными и аварийными.
Сухопутные ССПО общего пользования (ССПО-ОП) предназначены для обслуживания абонентов независимо от их ведомственной принадлежности и позволяют им осуществлять выход на другие системы связи общего пользования. Они могут быть сетями радиотелефонной связи и персонального радиовызова. Радиотелефонная ССПО-ОП обеспечивает связь ПА между собой с автоматическим поиском свободного канала, а также с абонентами ТФ-ОП. Система персонального радиовызова обеспечивает передачу кодированных или речевых сообщений от абонента ТФ-ОП к ПА и позволяет передать сообщение ПА от любого абонента ТФ-ОП.
Автономными ССПО являются автономные радиотелефонные сие 28 темы, автономные системы дистанционного управления ПО, диспетчерские системы персонального радиовызова, системы радиосвязи личного пользования. Автономные системы обладают ограниченным радиусом, действия и, как правило, не имеют выхода в ТФ-ОП. К автономным системам относят системы радиосвязи, обеспечивающие связь между руководителем работ и подчиненными (в строительстве, промышленности и др.), вызов сотрудников через диспетчера в пределах предприятий, строек и др., дистанционное управление ПО в тех случаях, когда присутствие человека на ПО опасно или нецелесообразно.
К специализированным сухопутным ССПО относятся диспетчерские радиотелефонные системы и радиосистемы передачи данных. Это первые по времени появления (в конце 50-х гг.) и наиболее распространенные системы. Диспетчерские радиотелефонные системы обеспечивают связь только внутри определенной службы, позволяют, помимо индивидуального вызова, осуществлять групповой вызов, имеют ограниченное время переговоров и обеспечивают выход на ТФ-ОП через диспетчера. Подобные системы нашли широкое распространение на транспорте, в строительстве, в скорой помощи и т.д. Радиосистемы передачи данных обслуживают автоматизированные системы управления производством, технологическими процессами, материально-техническим снабжением, банковские структуры и др. и применяются при необходимости передачи большого объема информации ПО.
Системы аварийной сухопутной подвижной радиосвязи предназначены: для контроля за состоянием ПО и предотвращения аварийных ситуаций (диспетчерская аварийная ССПО); оказания помощи при возникновении аварийных ситуаций с ПО (техническая аварийная ССПО), позволяющая вызвать службы правопорядка, охраны, технической и медицинской помощи и т.д.; поиска и оказания помощи людям, попавшим в аварийную ситуацию (спасательная аварийная ССПО); определения координат ПО на территории, обслуживаемой системой (автоматические системы определения местонахождения). По типам используемых каналов ССПО классифицируются на аналоговые и цифровые, а по видам передаваемой информации на специализированные (например, радиопереговорные, пакетные, диспетчерские, персонального радиовызова и др.) и интегральные. Сухопутные ССПО, в первую очередь ССПО-ОП, могут иметь централизованное либо распределенное управление.
Расчет параметров многолучевых компонент на основе статистической модели городской застройки
Для обеспечения ошибок местоопределения порядка 1% от дальности среднеквадратическая ошибка координатно-информативных параметров сигналов в пунктах приема должна быть не хуже 0,1-0,5мкс по времени и 0,5-1 по углу.
Однако анализ, проведенный в работе, показал, что особенности построения и функционирования ССПО приводят к созданию крайне сложной сигнально-помеховой обстановки в точке приема. Эффективных штатных средств для работы в этих условиях нет, так как существующие радиопелен-гационные комплексы ориентированны на принципиально иные системы и средства связи. Кроме того, штатные средства местоопределения разрабатывались в предположении о приеме одного сигнала на фоне шума и не приспособлены к работе в условиях распространения радиоволн над местностью со сложным рельефом. В то же время значительная часть ССПО расположена в мегаполисах, где односигнальный случай практически невозможен.
Обобщая результаты анализа, проведенного в п. 1.1. - 1.6, можно сделать вывод, что с появлением современных ССПО, основанных на существующих телекоммуникационных технологиях, в системе управления радиочастотным спектром образовалось противоречие. С одной стороны развитие ССПО требует усиления контроля за их использованием, возникает необходимость местоопределения источников помех и несанкционированно действующих передатчиков, с другой стороны штатные средства не позволяют эффективно его осуществлять. Кроме того, специфика применения ССПО делает проблему определения местоположения РЭС весьма актуальной и для ведомств обеспечивающих безопасность РФ.
Исходя из этого, имеется необходимость теоретических исследований вопросов повышения точности МО ИРИ систем подвижной радиосвязи диапазона ОВЧ-УВЧ. Это является общей целью исследования. При этом некоторые характеристики ССПО и их алгоритмы работы, параметры излучаемых сигналов, помех, взаимодействие каналов связи предполагаются априорно известными.
Учитывая, что наиболее сложными условиями для работы систем МО являются условия городской среды и работа РЭС в сетях подвижной радиосвязи, исследования проводились применительно к ССПО, развернутым в крупном городе. Полученные результаты без потери общности могут быть распространены на другие типы систем связи и для других типов местности.
В последние годы в ряде работ [1,32,70,72,96] предложены новые подходы к оценке координатно-информативных параметров использующие методы пеленгования на основе пространственно-временной обработки сигналов. В них с самого начала предполагается пеленгование ИРИ в многосигнальном случае. Однако широкому внедрению данных методов препятствует недостаточная степень проработки ряда научно-технических вопросов.
Прежде всего это касается низкой устойчивости данных алгоритмов к отклонениям реальной сигнально-помеховой обстановки от модельной, а также недостаточный учет особенностей распространения радиоволн данного диапазона.
В связи с этим, частными задачами работы явились: - моделирование сигнально-помеховой обстановки в точке приема системы МО диапазона ОВЧ-УВЧ учитывающей особенности РРВ в слое городской застройки и анализ причин ухудшения точностных характеристик пеленгаторов, - синтез алгоритмов пеленгования ИРИ в условиях воздействия помех и шума с характеристиками, отличающимися от модельных, - синтез алгоритмов пеленгования ИРИ с разделением нескольких полезных сигналов, - разработка рекомендаций по применению предложенных алгорит мов пеленгования. Таким образом, в работе предполагается решение наиболее важной части проблем местоопределения ИРИ систем связи с подвижными объектами диапазона ОВЧ-УВЧ в условиях быстроменяющейся сиг-нально-помеховой обстановки крупного города и сильнопересеченной местности. Выводы к главе 1 1. Системы радиосвязи с подвижными объектами являются одной из наиболее перспективных и наиболее динамично развивающихся областей связи и обеспечивают доведение различных видов информации непосредственно до абонента, независимо от его местоположения. При этом к 2005 году предполагается, что до 50% всех пользователей систем связи будут являться абонентами систем связи с подвижными объектами. 2. Дальнейшее развитие и рост популярности ССПО требует усиления контроля за правильностью их использования, распределением радиочастотного спектра, соблюдением дисциплины связи со стороны системы радиоконтроля Государственной радиочастотной службы РФ, служб радиоконтроля других ведомств, а также ужесточения соблюдения правовых норм и технических нормативов регламентирующих работу РЭС. 3. Высокий уровень предоставляемых услуг и простота их востребования мобильными пользователями независимо от их местоположения определяют широкое использование ССПО объектами радиоразведки и оперативно-розыскной деятельности практически всех министерств и ведомств, входящих в систему обеспечения безопасности РФ. Это определяет интерес к ССПО со стороны соответствующих ведомств. 4. Местоопределение источников помех и НДП, выявленных в результате эфирного радиоконтроля, в большинстве случаев является необходимым условием для проведения мероприятий по их устранению. 5. Особенности распространения радиоволн диапазона ОВЧ-УВЧ, а также принципы построения и функционирования ССПО, практически исключают односигнальный случай в точке приема. Существующие средства и системы практически неприменимы для работы в требуемых условиях. 6. Угломерный метод местоопределения источников радиоизлучений является более приемлемым для работы в условиях сложной сигнально-помеховой обстановки. 7. Пеленгование источников радиоизлучений систем связи с подвижными объектами с требуемыми характеристиками требует решения ряда научных проблем, некоторыми из которых являются: обработка сигналов в многосигнальном случае, учет воздействия городской среды на характеристики систем и комплексов пеленгования, оценка пеленга в условиях высокого уровня шума, сложной сигнально-помеховой обстановке и отличии реальных сигналов, помех и шума от модельных предположений, а также учет особенностей функционирования ССПО. 8. Специфические условия ведения радиомониторинга систем связи с подвижными объектами диапазона ОВЧ-УВЧ требуют применения принципиально новых подходов к пеленгованию источников радиоизлучений и исследование их характеристик.
Анализ устойчивости собственноструктурных алгоритмов к воздействию пространственно-окрашенного шума
Первые две группы относятся к фильтровым методам пространственной обработки сигналов. В них используется обращение выборочной корреляционной матрицы (КМ) и решение уравнения Винера-Хопфа (уравнения линейной фильтрации): w = Klvy (3.1) где W - вектор весовых коэффициентов пространственного фильтра, V, -опорный вектор, Rxx корреляционная матрица (КМ), вычисляемая из вектора входных воздействий как Rxx = Е\ХХ+\, Е{] И + обозначают операции математического ожидания и эрмитового сопряжения соответственно [72].
К первой группе относятся: метод максимального правдоподобия (ММП), алгоритм теплового шума, их модификации и ряд других. Во всех этих алгоритмах искомым пространственным параметрам соответствуют значения угла, при которых достигаются локальные максимумы пространственного спектра. Практическая реализация данных методов обеспечивается формированием функционала с угловым параметром и применением процедур оптимизации для его максимизации. Указанные процедуры обладают следующими недостатками: требуется невырожденность КМ; для оптимизации функционала правдоподобия применяют итерационные вычисления с произвольным числом шагов. Это затрудняет распараллеливание операций; сходимость итерационных процедур во многом зависит от выбора точки начального приближения и получения решения не гарантируется.
В параметрических методах корреляционная функция продолжается за пределами интервала наблюдения с помощью рекуррентных соотношений, определяемых параметрами модели. Это позволяет повысить разрешающую способность алгоритмов. Выбор модели воздействия определяет метод оценивания. В соответствии с этим выделяют следующие алгоритмы:
1. Авторегресионные, использующие аппроксимацию процесса на выходе фильтра линейной эквидистантной АС последовательностью с выхода линейного фильтра. Эти алгоритмы основываются на трех основных способах получения коэффициентов модели (авторегрессионном, скользящем среднем и авторегрессии - скользящем среднем). Эффективное применение данных алгоритмов требует правильного выбора порядка авторегресионой модели и адекватного соотнесения его с размерами АС.
2. Метод максимальной энтропии. Он трактуется как нахождение параметров трансверсального фильтра, отбеливающего заданный процесс.
3. Метод Прони. В нем в качестве модели использует набор из N затухающих (или незатухающих — в модифицированном варианте) экспонент. Подгонка параметров N экспонент к наблюдаемым 2N отсчетам производится на основе методов наименьших квадратов. Поскольку используемая модель не учитывает наличие аддитивного шума, точность оценивания параметров реальных зашумленных сигналов недостаточно высока. Кроме того, размерность АС должна вдвое превышать число разрешаемых источников, что не всегда приемлемо.
К третьей группе относятся методы, основанные на разложении выборочной KM R„ по собственным числам и собственным векторам [50], они называются проекционными или екционных алгоритмах на основании разложения КМ в базисе собственных векторов стрособственноструктурными. В проится матрица проецирования Пс (сигнальный проектор) и дополнительно к ней матрица проецирования на шумовое подпространство Пш (шумовой проектор) (Пш =1-Пс, где / - единичная матрица) [50]. Этот этап является общим для проекционных методов, а различаются они по способу оценивания неизвестных параметров, в нашем случае пеленгов. 106 Следует отметить, что далеко не все методы исследованы на предмет их разрешающей способности даже по простейшему критерию Релея. Задача СА, сформулированная в терминах обработки сигналов в ААР, выглядит следующим образом. является век Сигнал m-го ИРИ в /-и момент времени дается вектором входных воздействий X = AjV, где V =[1 ,ехр{/ J, exp\j pA ... exp{j pn\ тором волнового фронта, (р - набег фазы на элементах АР, определяемый соотношением ср = —— cos вск, Яо - длина волны ИРИ, А - межэлементное рас К, стояние, АЦ - комплексная амплитуда m-го ИРИ. Эффектами, связанными с конечным временем распространения радиоволн пренебрегаем, считая, что прием ведется в узкой полосе. Оптимальная обработка при известном числе сигналов М сводится к задаче минимизации выражения: N - число элементов ААР, S - ортонормированный набор векторов, ортогональный М искомым векторам V. Набор полученных векторов V, при котором достигается минимум, дает максимально правдоподобную оценку искомых пеленгов ИРИ. Поиск указанного минимума сводится к решению многопараметрической, многоэкстремальной задаче и существующими в настоящее время вычислительными средствами не решается. Поэтому различные эвристические упрощения, делающие возможными решение задачи на ЭВМ, сводятся к замене условной оптимизации на безусловную.
В проекционном методе MUSIC [80] упрощение достигается ценой отказа ортогональности вектора S всем V. В этом случае минимум достигается, если S совпадает с набором собственных векторов Ё, соответствующих N-M наименьшим шумовым собственным числам KM Rxx. Пеленги 0, находятся как соответствующие собственным числам, принадлежащим шумовому подпространству, то есть N-M наименьшим собственным числам КМ. Пеленги 0 находятся путем сканирования, специально формируемым вектором С(0) (вектором сканирования) по шумовому или сигнальному подпространству. Направлением на ИРИ считается то, в котором сканирующий вектор С ортогонален П.
Требования к радиоприемным устройствам системы МО ИРИ
Разработанные в предыдущих разделах модель и алгоритмы АПОС, а также анализ их характеристик, позволили сформулировать ряд рекомендаций и предложений по аппаратной реализации разработанных алгоритмов в комплексах пеленгации существующих и перспективных ССПО, провести анализ их вычислительной сложности и разработать предложения по организации вычислительных процессов в устройствах управления ААР.
Несмотря на большое количество работ по вопросам анализа и синтеза алгоритмов управления ААС их внедрение затруднено рядом причин. Во-первых, практически отсутствуют подробные технические описания серийных ААС и их макетов. Во-вторых, практически не разработаны методики проектирования ААС для пеленгования ИРИ и разделения сигналов. В-третьих, разрозненность сведений о современной элементной базе, что определяется использованием в ААР устройств и элементов, разрабатываемых в рамках целого ряда достаточно изолированных друг от друга предметных областей.
В настоящее время считается общепризнанной [1,32,70,72,96,134] структурная схема адаптивной антенной решетки, представленная на рис. 4.4.
Функционально все узлы схемы могут быть отнесены к четырем блокам: антенной решетке (АР), приемному модулю, диаграммообразующей схеме (ДОС) и устройству управления. АР принимает поступающие на нее элек 160 тромагнитные волны, содержащие сигналы, помехи и шумы. В приемном модуле осуществляется преобразование воздействий, поступающих с выхода АЭ, к виду, пригодному для последующей обработки. Совокупность входных воздействий поступает на ДОС, которая выполняет две функции - изменение амплитуд и фаз сигналов в канале каждого элемента АР и сложение всех сигналов, формирующих результирующий выходной сигнал антенной решетки. Обработку входных и выходных сигналов и формирование команд (сигналов) управления в соответствии с заданным алгоритмом осуществляет процессор. Кроме того, в процессоре осуществляется расчет вектора сканирования, моделирующего значения разности фаз сигналов соответствующего антенного элемента для каждого дискретного значения угла в заданном угловом секторе. Таким образом, ААР является многоканальной системой обработки сигналов, снимаемых с антенных элементов, и, следовательно, обладает свойствами как антенны, так и системы обработки сигналов.
Регистрация амплитудно-фазового распределения поля на антенных элементах может осуществляться тремя основными способами: с использованием приемников в канале каждого антенного элемента (рис. 4.5а); с включением одного приемника в канал опорного элемента (рис. 4.56) и последовательного подключения второго приемника в каналы остальных антенных элементов; последовательное подключение одного приемника к каждому антенному элементу (рис.4.5в).
Второй и третий способы предполагают снятие амплитудно-фазовых параметров сигналов в разные моменты времени, что приводит к необходимости экстраполяции этих параметров, и, как следствие, к появлению трудно устранимых ошибок.
Недостатком первого способа является сравнительно высокая стоимость и наличие дополнительных неидентичностей, вносимых каждым из приемных трактов. В тоже время использование современной элементной базы позволяет реализовать тракт регистрации амплитудно-фазового распределения поля в виде приемных модулей, подключаемых непосредственно к выходу каждого из антенных элементов. Поэтому наиболее приемлемым является первый вариант.
Характеристики алгоритма АПОС и возможности по его технической реализации во многом определяются частотой, на которой происходит обработка сигналов. В зависимости от условий функционирования, реализация алгоритмов возможна или непосредственно на несущей частоте, или на некоторой промежуточной частоте. Учитывая жесткие требования по фазочастот-ным характеристикам элементов ААР и достаточно высокую рабочую частоту ССПО, а также необходимость работы комплекса пеленгования в широком диапазоне частот предпочтительной является обработка на промежуточной частоте. При этом значительно снижаются требования к многим элементам контуров управления и диаграммообразующей схеме.
