Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ принципов построения, особенностей функционирования и обоснование направлений повышения показателей качества радиопелен гаторов станций радиомониторинга 25
1.1. Назначение и основные показатели качества станций радиомониторинга 25
1.2. Анализ факторов, влияющих на эффективность станций радиомониторинга 27
1.2.1. Анализ внешних условий и факторов, определяющих необходимость совершенствования станций радиомониторинга в современных условиях 27
1.2.2. Анализ внутренних факторов, определяющих эффективность и принципы построения современной аппаратуры станций радиомониторинга 34
1.3. Анализ принципов построения и основных характеристик радиопеленгаторов станций радиомониторинга 38
1.4. Анализ известных способов пеленгования, основанных на использовании трехэлементных антенных решеток 50
1.5. Методологическая основа проведения исследования 72
Выводы 74
2. Разработка способов пеленгования и оценивания достоверности результатов пеленгования с использованием трехэлементных эквидистантных кольцевых антенных решеток
2.1. Синтез широкополосного фазочувствительного способа пеленгования, основанного на использовании трехэлементной эквидистантной кольцевой антенной решетки 78
2.2. Синтез быстродействующего способа выявления одно- и многосигнального режимов пеленгования, основанного на использовании трехэлементной эквидистантной кольцевой антенной решетки 108
2.3. Общий алгоритм и основные показатели качества синтезированных способов пеленгования и оценивания результатов пеленгования 113
Выводы 118
3. Обоснование структурно-функциональной организации и алгоритмов функционирования быстродействующих радиопеленгаторов станций радиомониторинга со сверхвысокой производительностью 121
3.1. Принципы построения, обобщенная структура и основные характеристики каналов пеленгационных измерителей с цифровой обработкой сигналов 121
3.1.1. Общее описание и методики расчета характеристик каналов пе-ленгационного измерителя 121
3.1.2. Структуры и характеристики антенн фазочувствительных радиопеленгаторов 127
3.1.3. Структуры и характеристики каналов радиоприемных устройств с цифровой обработкой сигналов 132
3.2. Обоснование структур трех- и двухканальных пеленгационных измерителей с цифровой обработкой сигналов, реализующих компенсацию неидентичностей аналоговых и цифровых трактов.. 138
3.2.1. Структуры пеленгационного измерителя с трехканальным прие-моиндикатором 138
3.2.2. Структуры пеленгационного измерителя с двухканальным прие-моиндикатором 148
3.3. Разработка общей структуры, обоснование технической реализуемости и исследование характеристик широкополосных радиопеленгаторов станций радиомониторинга со сверхвысокой производительностью 153
3.3.1. Обобщенная структура широкополосного быстродействующего радиопеленгатора 153
3.3.2. Принципы построения, структура и алгоритм функционирования быстродействующего устройства спектральной обработки и оценки параметров сигналов 155
3.3.3. Результаты экспериментальных исследований основных технических характеристик и оценка эффективности применения разработанных вариантов построения радиопеленгаторов станций радиомониторинга со сверхвысокой производительностью 163
Выводы 181
Заключение 186
Список использованной литературы 190
- Анализ внешних условий и факторов, определяющих необходимость совершенствования станций радиомониторинга в современных условиях
- Синтез быстродействующего способа выявления одно- и многосигнального режимов пеленгования, основанного на использовании трехэлементной эквидистантной кольцевой антенной решетки
- Структуры и характеристики каналов радиоприемных устройств с цифровой обработкой сигналов
- Принципы построения, структура и алгоритм функционирования быстродействующего устройства спектральной обработки и оценки параметров сигналов
Введение к работе
Быстрые темпы распространения радиоэлектронных средств (РЭС) во всех сферах человеческой деятельности и продолжающийся технический прогресс в области создания быстродействующих помехозащищенных средств и систем радиосвязи, функционирующих на основе принципов коллективного использования частот и широкой унификации сигналов различных РЭС, приводят к существенному усложнению радиоэлектронной обстановки (РЭО) с большой загрузкой рабочих диапазонов и высокой динамикой ее изменения в пространстве и времени. В этих условиях эффективность решения задач радиомониторинга, выполняемых гражданскими федеральными службами с целью регулирования использования радиочастотного спектра (контроль излучений на соответствие разрешениям по присвоению частот, наблюдение за использованием полосы частот и измерение занятости частотных каналов, выявление источников радиопомех, пресечение деятельности несанкционированных источников радиоизлучения (ИРИ) [1,2]) зависит как от точности пространственной локализации ИРИ, так и от временем, требуемого для ее осуществления, что определяет необходимость постоянного совершенствования станций радиомониторинга (СРМ) в направлении повышения их производительности на основе разработки широкополосных быстродействующих радиопеленгаторов (РП), обеспечивающих высокие точность и чувствительность пеленгования.
Наиболее важными принципами построения РП, входящих в состав современных станций радиомониторинга, являются использование цифровой обработки сигналов, применение многоканальных широкобазовых пеленга-ционных антенно-фидерных систем (ПАФС) и малоканальных (как правило -двухканальных) радиоприемных устройств (РПУ), что при приемлемой стоимости аппаратуры радиомониторинга, определяемой главным образом количеством каналов РПУ, обеспечивает в широком диапазоне частот высокие точность и чувствительность пеленгования, однако, приводит к ухудше-
нию быстродействия РП, пропорциональному отношению количества его антенных и радиоприемных каналов.
Построение РП на основе принципа равного количества его антенных и радиоприемных каналов, обеспечивающего максимальное быстродействие радиопеленгования, и, соответственно, наиболее высокую производительность СРМ, приводит к усложнению и удорожанию аппаратуры СРМ и по критерию «эффективность - стоимость» может быть целесообразным только при минимально возможном для однозначного радиопеленгования количестве антенных каналов, которое, как известно [3,4], равно трем, то есть при использовании малобазовых ПАФС. Однако, для существующих способов пеленгования, основанных на использовании малоэлементных ПАФС, и известных принципов построения малобазовых РП характерно наличие ряда методических и структурных составляющих ошибок пеленгования, приводящих к ограничению потенциальной, снижению инструментальной и ухудшению в конечном итоге эксплуатационной точности и чувствительности пеленгования, что непосредственно следует из анализа базовых принципов радиопеленгации и современного состояния исследований в области разработки малобазовых РП.
В работах И.С. Кукеса, В.К. Мезина, Р. Ватсона-Ватта, Д.Р. Родса и других отечественных и зарубежных ученых [2 - 6] в общем виде сформирован основной принцип радиопеленгации, заключающийся в определении направления распространения электромагнитных волн (ЭМВ) путем сравнения сигналов, принятых ПАФС, имеющей две и более несовпадающие, в общем случае, комплексные диаграммы направленности (ДН). Кроме того, Д.Р. Род-сом сформулированы частные принципы пеленгования, на которых базируется основной принцип и которые составляют основу различных способов пеленгования и определяют структуры ПАФС: принцип симметрии формируемых ДН, принцип требуемой формы сравниваемых ДН и принцип нечетности функциональной зависимости пеленгационных характеристик (ПХ) от угловых координат ИРИ [4]. При этом в указанных работах также отмечено,
7 что базовые принципы радиопеленгации с требуемым для обеспечения высокой точности пеленгования качеством наиболее сложно реализовать в случае использования малобазовых ПАФС, обеспечивающих по сравнению с широкобазовыми ПАФС пеленгационные характеристики с меньшей крутизной и, соответственно, в большей степени подверженных воздействию различного рода дестабилизирующих факторов.
Методические составляющие инструментальных ошибок пеленгования, обусловленные частотной зависимостью и связанными с взаимным влиянием антенн искажениями ДН ПАФС, не позволяющими с высоким качеством реализовать принцип требуемой формы ДН, являются одними из главных причин ограничения точности пеленгования широкополосных РП, предназначенных для функционирования с круговой зоной действия в условиях ограничений на структуры и массо-габаритные характеристики малобазовых ПАФС. Различные способы уменьшения методических составляющих инструментальных ошибок пеленгования с использованием малобазовых трехка-нальных ПАФС, предложенные в работах Д.Н. Траверса, А.Д. Виноградова, В.Г. Радзиевского, А.А. Сироты, В.А. Уфаева, М.Л. Артемова и ряда других авторов[7-26], обеспечивают возможность достижения высокой инструментальной точности малобазовых РП, характеризуемой систематической средней квадратической ошибкой (СКО), не превышающей (0,5 - 1), только в ограниченном рабочем диапазоне длин волн, что ограничивает возможности использования указанных способов при построении широкополосных малобазовых РП для станций радиомониторинга с требуемой чувствительностью пеленгования.
Существенное уменьшение структурных составляющих инструментальных ошибок, связанных с возможностями реализации принципа симметрии формируемых в пеленгационном измерителе ДН, и субъективных ошибок пеленгования, определяемых конструкцией и возможностями индикаторов РП, в современных условиях достигается широкомасштабным использованием цифровой обработки сигналов (ЦОС). Проведение синхронного в пе-
8 ленгационных каналах спектрального анализа методом дискретного преобразования Фурье с формированием ПХ для каждой спектральной составляющей сигналов, впервые предложенное в 1976 году X. Хайсеном и Г. Коселом [27] и получившее развитие в работах Д.Х. Джонсона и С.Л. Марпла [28, 29] позволило принципиально решить вопрос возможности создания РП, не уступающих по быстродействию высокоскоростным средствам радиосвязи. Решение ряда задач разработки быстродействующих РП на основе использования ЦОС в интересах решения СРМ задач радиомониторинга нашло отражение в результатах исследований В.Н. Кондращенко, A.M. Рембовского, А.В. Ашихмина, В.А Козьмина и других авторов [1,30-39], где достаточно полно проработаны вопросы, касающиеся общих принципов построения обнаружителей-пеленгаторов в части обоснования требований к аналоговым приемным трактам, аналого-цифровым преобразователям (АЦП), процессорам дискретного, в частности, быстрого преобразования Фурье (БПФ). Вместе с тем авторами указанных работ при проведении синтеза цифровых быстродействующих РП, направленного в первую очередь на обеспечение отслеживания РЭО практически в «реальном масштабе времени», использовались традиционные способы пеленгования, опирающиеся на базовые принципы пеленгования с известными ограничениями на формы первичных ДН ПАФС и параметры сравниваемых ДН, что, в случае использования малобазовых ПАФС, ограничивает возможность повышения точности и чувствительности пеленгования в широком рабочем диапазоне частот из-за наличия, в первую очередь, методических составляющих ошибок пеленгования.
При насыщенной РЭО пеленгование радиосигналов в ряде случаев осуществляется в условиях близости или перекрытия частотных спектров сигналов разных ИРИ, что приводит к возникновению внешних ошибок пеленгования, обусловленных искажениями форм ДН ПАФС из-за влияния естественных и преднамеренных помех. Для малобазовых РП, основанных на сравнении тороидальных (синусоидальных) ДН, известна возможность пеленгования двух сигналов с перекрывающимися спектрами, называемая
9 свойством «визуальной избирательности» [3,5]. Указанное свойство «визуальной избирательности» основано на усреднении результатов пеленгования за промежуток времени, в течение которого изменяются фазовые соотношения между пеленгуемыми сигналами, что ограничивает эффективность его применения при пеленговании быстродействующих РЭС. Кроме того, свойство «визуальной избирательности» малобазовых РП может быть реализовано в пределах крайне малого динамического диапазона пеленгуемых сигналов. Поэтому, с учетом ограничений на апертуры малобазовых ПАФС, количество антенных и радиоприемных каналов и время пеленгования сигналов решение указанной проблемы повышения качества функционирования малобазовых РП в сложной РЭО целесообразно рассматривать в рамках обоснования способов выявления односигнального и многосигнального режимов функционирования РП и формирования на этой основе правила оценивания достоверности результатов пеленгования.
Известные способы уменьшения ошибок пеленгования, обусловленных влиянием на точность пеленгования рельефа и предметов, непосредственно окружающих место установки РП, основаны на увеличении апертур ПАФС и высоты размещения ПАФС над подстилающей поверхностью [2,3,5]. В связи с этим научное обоснование возможности получения требуемых апертур ПАФС при сокращении количества антенных элементов (АЭ) и, соответственно, массы ПАФС с учетом известных зависимостей грузоподъемности от допустимой высоты развертывания мачтовых устройств является актуальным с целью уменьшения ошибок среды окружения РП.
Различные назначение и условия эксплуатации станций радиомониторинга с соответствующими ограничениями на массо-габаритные характеристики и энергопотребление аппаратуры, входящей в их состав, определяют необходимость использования РП как с наиболее быстродействующими многоканальными, так и с двухканальными и одноканальными приемоиндикато-рами. Анализ известных принципов построения различных типов приемоин-дикаторов, ориентированных в основном на аналоговую обработку сигналов
10 [3,5,6], а также - технических решений, использующих возможности ЦОС [30,36,38,40-42], показывает на наличие у каждого из них ограничений, не позволяющих произвести формирование ПХ малобазовых РП с требуемой совокупностью характеристик по качеству реализации принципа симметрии сравниваемых ДН, широкополосности и быстродействию, главными из которых являются:
для многоканальных приемоиндикаторов - низкая оперативность проведения калибровки каналов РП, включающих антенные каналы; наличие погрешностей калибровки, достигающих (l + З) из-за различного согласования
каналов РПУ в режимах калибровки и пеленгования; большой объем запоминаемой информации, необходимой для повышения точности калибровки каналов РП, приводящий к усложнению технической реализации, и, в случае ограничения вычислительного ресурса, - к снижению быстродействия РП;
для двухканальных приемоиндикаторов - низкое быстродействие формирования ПХ и наличие ограничений на исходную неидентичность коэффициентов передачи каналов РПУ;
для одноканальных приемоиндикаторов - крайне низкое быстродействие формирования ПХ, низкая помехозащищенность, сложность необходимых аналоговых преобразований сигналов, сопровождающихся появлением погрешностей формирования ДН, и жесткие требования к формам сравниваемых ДН.
Обобщая вышеизложенное можно сказать, что известные способы пеленгования, принципы построения и структуры быстродействующих малобазовых пеленгационных измерителей, основанные на использовании минимально возможного для пеленгования количества антенных и радиоприемных каналов, позволяют реализовать быстродействующие РП, которые потенциально обладают возможностью контроля РЭО практически «в реальном масштабе времени», но из-за наличия ряда методических и структурных составляющих ошибок пеленгования, характерных для малобазовых РП, обеспечивают в ограниченном рабочем диапазоне инструментальную точность
пеленгования порядка (1,5 - 3), имеют низкую помехоустойчивость, ухудшающую эксплуатационную точность пеленгования, что, согласно [16], приводит к снижению вероятности правильной идентификации ИРИ в среднем до 0,3 и, соответственно, недопустимо низкому качеству контроля современной РЭО.
Таким образом, в настоящее время имеется существенное противоречие между требуемой для обеспечения эффективного контроля современной РЭО совокупностью характеристик радиопеленгаторов по точности, чувствительности и быстродействию с одной стороны и существующими принципами построения и вариантами технической реализации радиопеленгаторов станций радиомониторинга с другой стороны, которые при необходимости широкополосного сканирования в условиях физических ограничений на апертуру ПАФС, на количество антенных и радиоприемных каналов, на время приема сигналов и большой совокупности дестабилизирующих факторов с априорно неизвестными параметрами, связанных с внутренними (взаимное влияние между антеннами, частотная зависимость ДН) и внешними (многолучевой и многосигнальный прием) условиями функционирования РП, искажающих ДН ПАФС, не обеспечивают требуемой точности локализации ИРИ и, соответственно, снижают производительность станций радиомониторинга.
Это определяет необходимость разработки, теоретического и экспериментального обоснования принципов построения быстродействующих радиопеленгаторов, предназначенных для функционирования в составе станций радиомониторинга со сверхвысокой производительностью, обеспечивающих возможность пространственной локализации ИРИ с повышенной точностью за минимальное возможное время в широком диапазоне частот при широкоугольном сканировании и наличии ограничений на массо-габаритные характеристики аппаратуры на основе совершенствования способов пеленгования, использующих минимально необходимое для пеленгования количество антенных каналов, в направлении уменьшения в широком диапазоне частот характерных для них методических и структурных составляющих ошибок пе-
12 ленгования и структурной оптимизации быстродействующих пеленгацион-ных измерителей параметров сигналов, учитывающей современные достижения в области цифровой обработки сигналов.
При этом теоретическая часть разработки принципов построения быстродействующих малобазовых радиопеленгаторов со сверхвысокой производительностью заключается в научном обосновании возможности уменьшения методических и структурных составляющих ошибок пеленгования, возникающих из-за наличия большого количества источников искажений форм ДН ПАФС с априорно неизвестными параметрами, учет которых приводит к частичной определенности структуры пеленгационного измерителя, невыполнению условий физической реализуемости многомерных измерений и, соответственно, невозможности синтеза статистически оптимальных пелен-гационных характеристик [43]. В этих условиях уменьшение методических и структурных составляющих ошибок пеленгования связано с необходимостью повышения устойчивости ПХ к изменениям и искажениям форм первичных ДН ПАФС, что для частично определенных структур малобазовых пеленга-ционных измерителей может быть достигнуто путем выявления и использования взаимосвязей между ПХ и симметричными структурами ДН ПАФС, то есть на основе использования свойств преобразований симметрии для формирования по первичным ДН ПАФС вторичных ДН, не зависящих или имеющих слабую зависимость от дестабилизирующих факторов, и построения на их основе ПХ с использованием известных статистически оптимальных алгоритмов оценок угловых координат.
Прикладная часть разработки принципов построения быстродействующих станций радиомониторинга с использованием малобазовых радиопеленгаторов станций радиомониторинга со сверхвысокой производительностью включает научное обоснование структурно-функциональной организации и алгоритмического обеспечения построения широкополосных малобазовых РП, основанных на широкомасштабном использовании цифровой обработки сигналов и обеспечивающих при наличии ограничений на массо-
13 габаритные характеристики аппаратуры и время приема радиосигналов реализацию способов уменьшения как методических, так и структурных составляющих ошибок пеленгования ИРИ. Кроме того, прикладная часть работы заключается также в проведении сравнительной оценки характеристик различных вариантов построения быстродействующих РП, основанных на предложенных принципах, и реализации результатов исследований в опытных образцах различного назначения.
В связи с этим целью исследования является разработка метода построения станций радиомониторинга со сверхвысокой производительностью на основе совершенствования способов пеленгования, использующих минимально необходимое количество антенных каналов, и структурной оптимизации быстродействующих пеленгационных измерителей параметров сигналов.
Поставленная цель определяет следующие задачи исследования.
Первая задача связана с анализом принципов построения, особенностей функционирования и потенциальных возможностей радиопеленгаторов, предназначенных для решения задач радиомониторинга, выбором и обоснованием направлений повышения основных показателей качества быстродействующих радиопеленгаторов станций радиомониторинга со сверхвысокой производительностью, и включает в себя:
анализ особенностей современной радиоэлектронной обстановки, влияющих на качество решения задач радиомониторинга;
анализ принципов построения, используемых способов пеленгования и основных характеристик быстродействующих радиопеленгаторов станций радиомониторинга с различной производительностью;
обоснование путей повышения характеристик радиопеленгаторов, предназначенных для функционирования в составе станций радиомониторинга со сверхвысокой производительностью, по точности пеленгования и быстродействию при наличии ограничений на массо-габаритные характеристики и стоимость аппаратуры.
Вторая задача направлена на научное обоснование возможности уменьшения методических и структурных составляющих ошибок пеленгования, возникающих при использовании минимально необходимого количества антенных каналов и обусловленных частотной зависимостью комплексных диаграмм направленности пеленгационных пар антенн, электродинамическим взаимодействием между антеннами, влиянием мачтового устройства, воздействием внутренних шумов каналов пеленгационного измерителя, и включает в себя:
синтез фазочувствительного способа радиопеленгования, основанного на использовании малобазовых трехэлементных эквидистантных кольцевых антенных решеток, обеспечивающего повышение устойчивости пеленгационных характеристик к частотным изменениям форм комплексных ДН пеленгационных пар антенн и к искажениям форм комплексных ДН антенн и пеленгационных пар антенн, обусловленных воздействием дестабилизирующих факторов с априорно неизвестными параметрами;
исследование частотных зависимостей инструментальной и потенциальной точностей пеленгования, обеспечиваемых синтезированным способом пеленгования.
Третья задача заключается в разработке быстродействующего способа выявления одно- и многосигнального режимов пеленгования, основанного на использовании малобазовых трехэлементных эквидистантных кольцевых антенных решеток.
Четвертая задача заключается в разработке общей структурной схемы и алгоритмов функционирования быстродействующих радиопеленгаторов станций радиомониторинга со сверхвысокой производительностью, основанных на использовании цифровой обработки сигналов и обеспечивающих при наличии ограничений на количество и массо-габаритные характеристики антенных и радиоприемных каналов реализацию способов уменьшения как методических так и структурных составляющих ошибок пеленгования и включает в себя:
разработку способов компенсации неидентичностей аналоговых и цифровых трактов малобазовых пеленгационных измерителей параметров сигналов, учитывающих условия их функционирования в сложной РЭО и особенности цифровой обработки сигналов;
разработку общей структуры, вариантов построения и алгоритмов функционирования широкополосных радиопеленгаторов станций радиомониторинга со сверхвысокой производительностью, учитывающих современные достижения в области цифровой обработки сигналов;
проведение теоретических и экспериментальных оценок основных технических характеристик разработанных вариантов построения радиопеленгаторов станций радиомониторинга со сверхвысокой производительностью.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались положения теории антенн и распространения радиоволн, методы теории радиотехнических цепей и сигналов, методы статистической радиотехники и цифровой обработки сигналов, методы математического и статистического моделирования и методы теории эксперимента.
Научная новизна работы
1. Впервые на основе выявления и учета взаимосвязей между ком
плексными диаграммами направленности электродинамически взаимосвя
занных антенн и сформированными путем преобразований симметрии ком
плексными диаграммами направленности пар антенн трехэлементной экви
дистантной КАР показана возможность уменьшения в расширенном диапа
зоне частот как методических так и структурных составляющих ошибок пе
ленгования с получением оценок достоверности результатов пеленгования,
что совместно с использованием цифровой обработки сигналов и литерным
построением антенных каналов при наличии ограничений на массо-
габаритные характеристики и стоимость аппаратуры обеспечивает разработ
ку широкополосных высокоточных быстродействующих радиопеленгаторов
станций радиомониторинга со сверхвысокой производительностью.
2. Разработан фазочувствительный способ радиопеленгования, исполь-
зующий антенную решетку с группой симметрии третьего порядка, основанный на формировании как однозначных амплитудных, так и, в отличие от известного, фазовых разностных ДН пар антенн, что обеспечивает уменьшение частотной зависимости и повышение устойчивости пеленгационной характеристики к сигналам внешних и внутренних источников шума и к составляющим сигнала пеленгуемого ИРИ, обусловленным электродинамическим взаимодействием антенн решетки и влиянием мачтового устройства. Кроме того, для обеспечения однозначности формирования как амплитудных, так и фазовых разностных ДН пар антенн в разработанном способе пеленгования, в отличие от известного, используется выявленная закономерность взаимосвязей между амплитудными и фазовыми искажениями ДН антенн трехэлементной КАР, возникающими при электродинамическом взаимодействии между антеннами и влиянии мачтового устройства. Выявленная закономерность взаимосвязей между указанными искажениями ДН позволяет не только увеличить расстояние между антеннами решетки, в отличие от известного, до двух третьих минимальной длины волны радиосигнала с сохранением однозначности и повышением угловой чувствительности пеленгования, но и уменьшить аномальные ошибки пеленгования, связанные с искажением фазовых ДН антенн и случайными ошибками измерения разностей фаз между сигналами, принятыми антеннами с существенно различающимися амплитудными ДН.
3. Синтезирован быстродействующий способ выявления одно- и многосигнального режимов пеленгования, использующий антенную решетку с группой симметрии третьего порядка, основанный на совместном использовании свойства замкнутости группы симметрии однозначных амплитудных разностных ДН пар антенн и впервые выявленной различной функциональной зависимости искажений групп однозначных амплитудных и фазовых разностных ДН пар антенн, обусловленных воздействием помехового сигнала. Предложенный способ при любых уровнях электродинамического взаимодействия между антеннами и влияния мачтового устройства позволяет
17 проводить оценку достоверности результатов пеленгования в круговом азимутальном секторе, в отличие от известного, при произвольных фазовых соотношениях пеленгуемого и помехового сигналов и без необходимости статистической обработки результатов измерений в течение увеличенного относительно времени пеленгования промежутка времени.
4. Разработаны общая структурная схема и алгоритмы функционирования быстродействующих станций радиомониторинга со сверхвысокой производительностью, основанные на выявлении и широком использовании возможностей преобразования сигналов из временной в частотную область для получения оценок пеленгационных параметров сигналов, обеспечивающие при наличии ограничений на количество и массо-габаритные характеристики антенных и радиоприемных каналов, в отличие от известного, оптимальное сочетание высокой скорости обзора частотного диапазона и высокой точности пространственной локализации ИРИ.
Практическая ценность работы
Разработанные научные положения и новые технические решения построения быстродействующих СРМ со сверхвысокой производительностью, позволяющие при наличии ограничений на массо-габаритные характеристики и стоимость аппаратуры реализовать как увеличенную на порядок скорость обзора частотного диапазона так и высокую точность пространственной локализации источников радиоизлучения, обеспечивают в современной радиоэлектронной обстановке повышение не менее чем в 2 раза вероятности обнаружения и правильной идентификации широкой номенклатуры радиоэлектронных средств различного назначения, что имеет важное практическое значение для повышения качества решения задач радиомониторинга в самых различных областях от управления использованием радиочастотного спектра до контроля радиоэлектронной обстановки при проведении контртеррористических операций.
Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается:
корректным применением современных методов исследования и положений, используемых в статистической радиотехнике, радиопеленгации, теории радиоприемных устройств и цифровой обработки сигналов;
совпадением результатов, полученных различными методами и другими авторами;
результатами математического и имитационного моделирования совпадающими с результатами аналитических расчетов и экспериментальных исследований в натурных условиях;
совпадением расчетных и экспериментальных значений основных показателей качества радиопеленгаторов, полученных на основе экспериментальных исследований макетов, экспериментальных и опытных образцов ра-диопеленгационной аппаратуры в лабораторных и натурных условиях, а также при проведении полигонных испытаний образцов радиопеленгаторов, входящих в состав станций радиомониторинга.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Построение станций радиомониторинга со сверхвысокой производительностью, обеспечивающих в современных условиях возможность эффективного контроля радиоэлектронной обстановки при одновременном снижении стоимости решения задач радиомониторинга, необходимо осуществлять на основе использования:
минимально необходимого для однозначного пеленгования количества антенных каналов, равного трем, обладающих свойствами симметрии в плоскости пеленгования;
фазочувствительных способов пеленгования с повышенной устойчивостью пеленгационных характеристик к изменениям и искажениям форм комплексных диаграмм направленности антенн;
быстродействующих способов оценивания достоверности результатов пеленгования;
цифровой обработки сигналов и литерного построения антенных каналов.
2. Фазочувствительный способ радиопеленгования в азимутальной и
угломестной плоскостях, основанный на формировании комплексных диа
грамм направленности антенн с использованием трехэлементной эквиди
стантной кольцевой антенной решетки и построении пеленгационных харак
теристик с совместным использованием однозначных комплексных разност
ных ДН пар антенн, обеспечивающий:
во-первых, исключение методических составляющих ошибок пеленгования, обусловленных электродинамическим взаимодействием между антеннами и влиянием мачтового устройства, что позволяет повысить точность и чувствительность пеленгования;
во-вторых, уменьшение в 2 раза методических составляющих ошибок пеленгования, обусловленных частотной зависимостью форм амплитудных разностных ДН пар антенн;
в-третьих, увеличение частотной области однозначного пеленгования в круговом азимутальном секторе, высокочастотная граница которой определяется расстоянием между антеннами решетки, увеличенным до двух третьих минимальной длины волны радиосигнала.
3. Быстродействующий способ выявления одно- и многосигнального
режимов пеленгования, основанный на совместном оценивании уровня квад
ратурной составляющей помехового сигнала и степени совпадения пеленга
ционных характеристик, использующих однозначные амплитудные и фазо
вые разностные ДН пар антенн трехэлементной эквидистантной кольцевой
антенной решетки, обеспечивающий проведение оценки достоверности ре
зультатов пеленгования:
во-первых, при произвольных фазовых соотношениях пеленгуемого и помехового радиосигналов;
во-вторых, без необходимости статистической обработки результатов измерений в течение увеличенного относительно времени пеленгования промежутка времени.
20 4. Общая структурная схема и алгоритмы функционирования быстродействующих широкополосных станций радиомониторинга со сверхвысокой производительностью, основанные на использовании цифровой обработки сигналов совместно с двух- или трехканальным построением радиоприемного устройства и обеспечивающие при литерном построении трехканальной антенной решетки с коэффициентом перекрытия каждой литеры до четырех раз реализацию способов уменьшения как методических так и структурных составляющих ошибок пеленгования с требуемыми в современных условиях динамическим диапазоном и разрешающей способности по частоте контролируемых сигналов и достижением при сканировании в широком диапазоне частот со скоростью не менее (4-10) ГГц/сек инструментальной точности пеленгования, характеризуемой средней квадратической ошибкой, не превышающей 1.
Реализация и внедрение результатов работы
Основные положения и результаты диссертационной работы реализованы в ОАО «Владимирское конструкторское бюро радиосвязи» при разработке трех типов образцов аппаратуры подсистем радиоконтроля, входящих в состав модернизированных автоматизированных станций Р-934Б, серийно изготовленных в ОАО «Владимирский завод «Электроприбор» в рамках государственного заказа. Результаты диссертационной работы также внедрены в учебный процесс по курсу «Устройства формирования сигналов» и широко используются в послевузовской подготовке научных кадров во Владимирском государственном университете.
Личное участие. Основные идеи и технические решения по построению широкополосных станций радиомониторинга со сверхвысокой производительностью, использующих трехэлементные эквидистантные КАР, предложены автором, который являлся главным конструктором трех типов модернизированных на этой основе автоматизированных станций Р-934Б. Все результаты математического и натурного моделирования и эксперименталь-
21 ных исследований аппаратуры в полигонных условиях, изложенные в работе, получены под руководством и при личном участии автора. Ему же принадлежат выводы и рекомендации, сформулированные в настоящей работе.
Апробация работы Диссертационная работа выполнена в рамках научно - исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию быстродействующих широкополосных радиопеленгаторов для станций радиомониторинга со сверхвысокой производительностью, проведенных в ОАО «Владимирское конструкторское бюро радиосвязи» в период с 2000г. по 2006г. Эффективность разработанных принципов и технических решений построения быстродействующих широкополосных радиопеленгаторов подтверждается положительными результатами полигонных испытаний модернизированных станций Р-934Б.
Основные результаты работы докладывались на четырех Международных научно-технических конференциях: «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии ФРЭМЭ"2004» (Владимир, 2004г.), «TELECOM» (София, Болгария, 2004г.), «Intermatic - 2004», (Москва, 2004г.), и «Перспективные технологии в средствах передачи информации» (Владимир, 2005г.). Результаты работы также докладывались на научно-технических советах ОАО «Владимирское конструкторское бюро радиосвязи» и ряде других предприятий отрасли.
Публикации по работе Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 8 научных работах [45-52], в том числе - в патенте Российской Федерации на изобретение [51] и трех научно-технических статьях [45,46,52], из которых одна статья [52] опубликована в ведущем рецензируемом журнале, входящем в перечень журналов ВАК.
Структура и содержание работы Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложения, изложенных на 189 страницах основного текста, включающих 37 иллюстраций и
22 6 таблиц, 10 страницах списка использованной литературы и 5 страницах приложения. Библиография содержит 113 наименований.
Результаты работы изложены в следующей последовательности.
Во введении кроме ранее рассмотренных вопросов актуальности, цели и задач исследований, содержится краткое содержание разделов, представлены с указанием новизны основные научные результаты и положения, выносимые на защиту, приведены сведения, подтверждающие достоверность результатов и их практическую значимость, а так же - сведения о публикациях и реализации основных научных результатов.
В первой главе рассмотрены общие, наиболее характерные особенности современной РЭО, существенные для решения задач радиомониторинга и определяющие необходимость совершенствования станций радиомониторинга в направлении повышения их производительности на основе разработки широкополосных быстродействующих радиопеленгаторов, обеспечивающих высокие точность и чувствительность пеленгования. Приводятся результаты анализа базовых принципов радиопеленгования и особенностей построения радиопеленгаторов, входящих в состав современных станций радиомониторинга, с определением факторов, препятствующих разрешению противоречия между требуемыми точностными характеристиками и быстродействием радиопеленгаторов, имеющих приемлемые массо-габаритные и стоимостные характеристики. На основе разработанной структуры ошибок пеленгования и анализа известных современных способов пеленгования, использующих минимально необходимое количество антенных каналов, формулируются основные направления повышения показателей качества РП, предназначенных для функционирования в составе станций радиомониторинга со сверхвысокой производительностью, и выбирается методологическая основа проведения исследования.
Во второй главе проведен синтез фазочувствительного способа радиопеленгования в азимутальной и угломестной плоскостях, основанного на использовании малобазовых трехэлементных эквидистантных кольцевых антенных решеток, обеспечивающего повышение устойчивости пеленгацион-
23 ных характеристик как к частотным изменениям форм ДН пеленгационных пар антенн, так и к искажениям форм ДН антенн и пеленгационных пар антенн, обусловленных воздействием дестабилизирующих факторов с априорно неизвестными параметрами: электродинамическим взаимодействием между антеннами, влиянием мачтового устройства и воздействием внутренних шумов каналов пеленгационного измерителя. Проведен синтез быстродействующего способа выявления одно- и многосигнального режимов пеленгования, основанного на использовании малобазовых трехэлементных эквидистантных кольцевых антенных решеток и оценивании искажений форм комплексных ДН пеленгационных пар антенн. Определены возможности оценивания достоверности результатов пеленгования разработанным способом при произвольных фазовых соотношениях пеленгуемого и помехового радиосигналов. Разработан общий алгоритм синтезированных способов пеленгования и оценивания результатов пеленгования. Приведены результаты исследования частотных зависимостей инструментальной и потенциальной точностей пеленгования, обеспечиваемых синтезированным способом пеленгования.
В третьей главе разработаны общие структуры и алгоритмы функционирования быстродействующих радиопеленгаторов станций радиомониторинга со сверхвысокой производительностью, основанные на использовании литерного построения трехканальнои эквидистантной кольцевой антенной решетки, двух- и трехканального построения радиоприемного устройства и цифровой обработке сигналов. Обоснованы способы компенсации структурных составляющих ошибок пеленгования, обусловленных неидентичностями аналоговых и цифровых трактов малобазовых пеленгационных измерителей параметров сигналов, с двух- и трехканальным построением радиоприемного устройства, учитывающие как особенности цифровой обработки сигналов, так и условия функционирования радиопеленгаторов в сложной РЭО и при наличии локальной неоднородности структуры электромагнитного поля радиосигналов, возникающей из-за взаимного влияния антенн и мачтового устройства. Приведены результаты теоретических и экспериментальных оценок
24 основных технических характеристик разработанных вариантов построения радиопеленгаторов станций радиомониторинга со сверхвысокой производительностью.
В заключении приведены основные научные результаты, полученные при разработке принципов построения радиопеленгаторов станций радиомониторинга со сверхвысокой производительностью на основе совершенствования способов пеленгования, использующих минимально необходимое для пеленгования количество антенных каналов, и структурной оптимизации быстродействующих пеленгационных измерителей параметров сигналов, учитывающей современные достижения в области цифровой обработки сигналов, отмечены вопросы, которые могут быть предметом дальнейших исследований, направленных на повышение эффективности применения радиопеленгаторов в интересах решения задач радиомониторинга.
В приложении содержатся акты внедрения результатов диссертационной работы.
Автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю признательность научному руководителю доктору технических наук Виноградову А.Д. за постоянное внимание и поддержку при проведении исследований, многочисленные беседы с которым стимулировали данную работу и привели к ее завершению, доктору технических наук профессору Самойлову А.Г., сделавшему много ценных замечаний и рекомендаций, способствовавших повышению качества представления результатов исследований, а также коллегам по работе кандидату технических наук Богданову А.Е., Бурлачко В.П. и Векслеру Ф.И. за плодотворное сотрудничество в части математического и натурного моделирования, обработки статистического материала и помощь при проведении экспериментальных исследований.
Анализ внешних условий и факторов, определяющих необходимость совершенствования станций радиомониторинга в современных условиях
Основным назначением станций радиомониторинга (СРМ) является постоянный или периодический контроль загрузки эфира в широком диапазоне частот, обнаружение и анализ новых излучений, локализация (определение местоположения) их источников, оценка их опасности или ценности, выявление непреднамеренных или специально организованных радиоканалов утечки информации [1]. Вышеперечисленные функции СРМ необходимы для решения задач радиомониторинга, выполняемых гражданскими федеральными службами с целью регулирования использования радиочастотного спектра [2]: контроль излучений на соответствие разрешениям по присвоению частот, наблюдение за использованием полосы частот и измерение занятости частотных каналов, выявление источников радиопомех, пресечение деятельности несанкционированных источников радиоизлучения (ИРИ). При этом к общим наиболее важным задачам измерений, обеспечиваемых СРМ, относятся [1,2]: измерение частоты, измерение ширины полосы, определение вида и измерение параметров модуляции, определение направления распространения и напряженности поля электромагнитных волн, излучаемых ИРИ. Проведение полной оптимизации характеристик СРМ для всех задач радиомониторинга из-за большого числа параметров вряд ли возможна. Вместе с тем, для большинства выполняемых задач имеется общий подход, заключающийся в том, что оценка проектируемых средств радиомониторинга осуществляется по критерию «эффективность - стоимость».
В ряде случаев в качестве основного показателя эффективности СРМ может быть использована вероятность выполнения соответствующей задачи радиомониторинга за интервал времени, не превышающий заданное значение, при этом существенные параметры СРМ должны быть не хуже необхо 26 димых и лучшим считается средство радиомониторинга, которое обеспечивает большую вероятность выполнения задачи за одинаковое время [1]. Вместе с тем, при выборе потребителем конкретного средства определяющими могут быть другие показатели, например точность измерений несущей частоты радиосигнала или точность пеленгования, а также непосредственно его стоимость. Однако важнейшим показателем качества современных СРМ принято считать их производительность [1, 2], характеризуемую скоростью панорамного спектрального анализа сигналов (скоростью обзора рабочего диапазона частот (СОРДЧ)) при заданных точностях определения вышеупомянутых пространственно-частотных характеристик электромагнитных волн, излучаемых ИРИ, и динамическом диапазоне, определяемым в первую очередь предельной чувствительностью по полю. В работе [1] предложена следующая классификация СРМ по их производительности: с низкой производительностью, обеспечивающие СОРДЧ 10... 100 МГц/сек; со средней производительностью, обеспечивающие СОРДЧ 100... 1000 МГц/сек; с высокой производительностью, обеспечивающие СОРДЧ 1...10 ГГц/сек; со сверхвысокой производительностью, обеспечивающие СОРДЧ, превышающую 10 ГГц/сек. Естественно, отнесение СРМ к одному из вышеупомянутых классов должно осуществляться при выполнении минимально необходимых показателей качества измерений параметров сигналов. В частности, согласно [1] для средств радиомониторинга в настоящее время считаются достаточными динамический диапазон контролируемых сигналов 70...80 дБ и разрешающая способность по частоте 6...8 кГц, что соответствует дискретности отсчета спектра радиосигналов около 3 кГц. При этом типовые значения систематических средних квадратических ошибок (СКО) определения направления распространения радиосигналов (инструментальная точность пеленгования) в зависимости от условий функционирования СРМ должны быть не хуже 1...3 градусов.
Стоимость средств радиомониторинга определяется составом и сложностью их аппаратуры. Базовый состав современных СРМ включает много 27 канальную приемо-пеленгационную антенно-фидерную систему и многоканальное радиоприемное устройство, обеспечивающих прием и преобразование электромагнитных волн радиосигналов в широком рабочем диапазоне частот, блок измерений параметров сигналов, блок отображения и документирования результатов измерений, блок определения собственного положения, блок электропитания и устройство связи для обеспечения работы СРМ в составе комплексов и систем радиомониторинга [2]. Наиболее сложным и дорогостоящим блоком современных СРМ, в основном определяющим стоимость СРМ, является многоканальное радиоприемное устройство, стоимость которого практически пропорциональна количеству его каналов. В связи с этим при разработке СРМ традиционным является стремление минимизировать количество каналов радиоприемного устройства при одновременном обеспечении решения вышеупомянутых задач радиомониторинга с требуемым качеством, что наилучшим образом может быть достигнуто при наибольшей производительности СРМ.
Продолжающийся технический прогресс средств радиосвязи определяет необходимость постоянного совершенствования средств радиомониторинга в направлении повышения их производительности. При этом для выбора целесообразных путей построения СРМ с повышенной производительностью требуется проведение анализа внешних и внутренних факторов, определяющих особенности функционирования и влияющих на основные характеристики современных СРМ.
Синтез быстродействующего способа выявления одно- и многосигнального режимов пеленгования, основанного на использовании трехэлементной эквидистантной кольцевой антенной решетки
Структурные ошибки РП существенным образом зависят от принципов построения приемоиндикаторов, основным функциональным назначением которых является сравнение ДН. При этом в приемоиндикаторе производится селекция, усиление и преобразование сигналов в каналах, соответствующих ДН антенн ПАФС, содержащих информацию об углах прихода ЭМВ, и выделение этой информации для оценки направления на ИРИ.
Идеальное сравнение ДН может быть осуществлено в случае если каналы приемоиндикатора РП не имеют внутренних шумов, настраиваются синхронно на одну и ту же частоту, сохраняют постоянные параметры в течение времени контакта с радиосигналом, линейны и имеют абсолютно одинаковые ККП на всех рабочих частотах и во всем динамическом диапазоне амплитуд сигналов. В этом случае представляется возможным измерение амплитудных и фазовых соотношений сравниваемых сигналов путем оценки этих величин в выходных напряжениях каналов РПУ с последующим формированием в выходном преобразователе соответствующих ПХ. Вместе с тем в действительности реальные каналы имеют некоррелированные внутренние шумы, отклонения от линейности, неидеально сопряжены при перестройке частоты с общими гетеродинами, что в конечном итоге приводит к неидентичности ККП каналов приемоиндикатора, которая совместно с неидентичностью сравниваемых ДН приводит к погрешности формирования ПХ РП.
Как было отмечено в подразделе 1.2 для контроля РЭО в современных условиях РПУ должны обеспечивать широкие РДЧ и полосу одновременного обзора (ПОО), высокую скорость перестройки по частоте и чувствительность, а также - большой динамический диапазон одновременно принимаемых сигналов. Указанные противоречивые требования в наилучшей степени реализуются при построении приемоиндикаторов на основе цифровой обработки сигналов (ЦОС), а РПУ - по схеме супергетеродинного приемника с многократным преобразованием частот, достоинством которого по сравнению с другими видами РПУ являются высокая чувствительность и избирательность при одновременном обеспечении требуемых для ЦОС равномерности коэффициента усиления и постоянства уровня собственных шумов по частотному диапазону[ 1,33,65,69]. Вместе с тем обеспечение высокой степени идентичности ККП каналов РПУ в ПОО и, тем более, во всем РДЧ, является трудно реализуемой технической задачей. Способы устранения влияния неидентичности ККП каналов РПУ и приемоиндикатора на точность формирования ПХ существенно различаются для различных типов РП.
При использовании наиболее быстродействующих многоканальных РП, в которых количества антенных и радиоприемных каналов совпадают, производится оценивание и последующая корректировка неидентичностей ККП каналов путем применения вспомогательного (тестового) сигнала, одновременно поступающего на входы каналов РП. Основными недостатками данного способа являются неодинаковые условия функционирования входных контуров каналов РПУ при режимах пеленгования и оценивания неидентичностей ККП, приводящие к погрешностям измерения ККП и появлению структурных составляющих ошибок пеленгования, достигающих (1 - 3), и большой требуемый объем запоминания информации, приводящий к усложнению его технической реализации, и, в случае ограничения вычислительного ресурса, - к снижению быстродействия РП. В связи с этим в РП станций радиомониторинга до настоящего времени широко используются двухка-нальные радиоприемные устройства РП, которые лишены вышеупомянутых недостатков многоканальных (моноимпульсных) РП [1], однако, при большом количестве антенных каналов, подключаемых последовательно во времени к его двум входам, приводят к существенному снижению быстродействия РП и, следовательно, к снижению производительности станций радиомониторинга.
Уменьшение структурных составляющих ошибок пеленгования, обусловленных внутренними шумами РП и изотропными внешними шумами, принимаемыми ПАФС, имеющими согласно общепринятым положениям га 46 уссовские законы распределения, основано на использовании при построении ПХ известных [3,43,70-73] статистически оптимальных алгоритмов оценок угловых координат ИРИ, которые разработаны применительно к различным способам пеленгования для следующих условий: во-первых, физической реализуемости многомерных измерений (т.е. когда количество формируемых ДН не меньше количества неизвестных параметров); во-вторых, использования традиционных, априорно известных (не искаженных под воздействием дестабилизирующих факторов) форм сравниваемых ДН. В этом случае представляется целесообразным построение ПХ на основе рационального сочетания вышеуказанных способов уменьшения методических составляющих ошибок и статистически оптимальных алгоритмов пеленгования.
Существенное уменьшение структурных составляющих инструментальных ошибок, связанных с реализацией принципа симметрии ДН, и субъективных ошибок пеленгования, определяемых конструкцией и возможностями индикаторов РП, в современных условиях достигается широкомасштабным использованием способов ЦОС, позволяющей заменить сложные аналоговые схемы с большими разбросами параметров и подверженные старению, на высокостабильные цифровые устройства [1, 2].
Традиционный способ улучшения чувствительности РП, заключающийся в уменьшении случайной составляющей СКО пеленгования путем усреднения результатов пеленгования за большие промежутки времени, является неприемлемым при контроле современной РЭО с высокой скоростью и определяет необходимость поиска путей повышения крутизны ПХ, формируемых в приемоиндикаторах РП.
Известные способы уменьшения ошибок пеленгования, обусловленных влиянием рельефа и предметов, непосредственно окружающих место установки ПАФС РП, основаны на увеличении апертур ПАФС и высоты размещения ПАФС над подстилающей поверхностью[3,70], что с учетом известных зависимостей грузоподъемности от допустимой высоты развертывания мачтовых устройств определяет актуальность научного обоснования воз 47 можности получения требуемых апертур ПАФС при уменьшении массы ПАФС.
В условиях современной насыщенной РЭО возникает необходимость пространственной селекции ИРИ с близкими или перекрывающимися спектрами сигналов или их частотных составляющих. Несмотря на небольшую вероятность перекрытия спектров контролируемых сигналов на временных интервалах наблюдения при функционировании РП в односигнальном режиме и высокой скорости циклического обзора РДЧ, необходимого для эффективного контроля РЭО, возникают аномальные неповторяющихся от цикла к циклу ошибки пеленгования, которые приводят к появлению большого количества ложных целей и ухудшают качество контроля РЭО [16,74]. С учетом ограничений на апертуру ПАФС, количество антенных и радиоприемных каналов и время пеленгования сигналов указанную проблему целесообразно решать путем выявления многосигнального режима приема и исключение результатов пеленгования ИРИ в выявленном режиме приема. При этом указанная процедура выявления многосигнального режима функционирования РП не должна приводить к ухудшению точности и быстродействия пеленгования в основном, наиболее вероятном односигнальном режиме при большом динамическом диапазоне и малом времени излучения сигналов. Наиболее надежным признаком выявления многосигнального режима функционирования РП является нарушение симметрии первичных ДН пеленгационного измерителя, которое может быть определено на основе использования априорной информации о свойствах симметрии первичных ДН ПАФС.
Структуры и характеристики каналов радиоприемных устройств с цифровой обработкой сигналов
Быстрые темпы распространения радиоэлектронных средств во всех сферах человеческой деятельности и продолжающийся технический прогресс в области создания быстродействующих помехозащищенных средств и систем радиосвязи, функционирующих на основе принципов коллективного использования частот и широкой унификации сигналов различных радиоэлектронных средств, приводят к существенному усложнению радиоэлектронной обстановки с большой загрузкой рабочих диапазонов и высокой динамикой ее изменения в пространстве и времени. В этих условиях эффективность контроля РЭО определяется как точностью пространственной локализации ИРИ, так и минимальным временем, требуемым для ее осуществления, что определяет необходимость постоянного совершенствования станций радиомониторинга в направлении повышения их производительности на основе разработки широкополосных быстродействующих радиопеленгаторов, обеспечивающих высокие точность и чувствительность пеленгования.
. Наиболее важными отличительными особенностями построения РП, входящих в состав современных станций радиомониторинга, является использование цифровой обработки сигналов, многоэлементных (многоканальных) широкобазовых пеленгационных антенно-фидерных систем с количеством антенных элементов пять и более и двухканальных радиоприемных устройств, что при приемлемой стоимости аппаратуры радиомониторинга, определяемой главным образом количеством каналов радиоприемных устройств, обеспечивает в широком диапазоне частот высокие точность и чувствительность пеленгования, однако, приводит к ухудшению быстродействия РП, пропорциональному отношению количества антенных каналов к количеству каналов радиоприемных устройств. Увеличение с целью повышения быстродействия РП количества каналов РПУ до количества антенных каналов приводит к усложнению и удорожанию аппаратуры и может быть оправданно только при минимально возможном для радиопеленгования количестве антенных каналов, которое как известно равно трем.
Известные способы пеленгования, принципы построения и структуры моноимпульсных (быстродействующих) малобазовых пеленгационных измерителей, основанные использовании минимально возможного для пеленгования количества антенных и радиоприемных каналов, позволяют реализовать быстродействующие РП, которые потенциально обладают возможностью контроля РЭО практически «в реальном масштабе времени», но из-за наличия ряда методических и структурных составляющих ошибок пеленгования, характерных для малобазовых РП, обеспечивают в ограниченном рабочем диапазоне инструментальную точность пеленгования порядка (1,5 -3), имеют низкую помехоустойчивость, ухудшающую эксплуатационную точность пеленгования, что приводит к снижению вероятности правильной идентификации ИРИ в среднем до 0,3 и, соответственно, недопустимо низкому качеству контроля современной сложной РЭО.
Потребность создания станций радиомониторинга с повышенной производительностью, содержащих РП с минимально возможным для пеленгования количеством антенных и радиоприемных каналов, определяющих в конечном итоге возможности по достижению требуемых технических характеристик станций радиомониторинга по основному назначению при одновременном уменьшении их массо-габаритных характеристик и стоимости, определяет необходимость решения следующих задач: а) разработка способа пеленгования, основанного на использовании малобазовых трехэлементных эквидистантных КАР, обеспечивающего повышение точности и чувствительности однозначного пеленгования при одновременном расширении рабочего диапазона за счет уменьшения методических составляющих систематических ошибок пеленгования, случайных составляющих ошибок пеленгования и исключения аномальных ошибок пеленгования, обусловленных искажением пространственно-временной структуры электромагнитных волн пеленгуемых радиосигналов из-за электродинамического взаимодействия между антеннами пеленгационного измерителя и влияния мачтового устройства; б) обоснование быстродействующего способа оценки качества резуль татов пеленгования с использованием малобазовых трехэлементных эквиди стантных КАР; в) разработка структурно-функциональной организации построения широкополосного быстродействующего РП, основанного на использовании цифровой обработки сигналов и обеспечивающего при наличии ограничений на количество антенных и радиоприемных каналов реализацию способов уменьшения как методических так и структурных составляющих ошибок пе ленгования. 5. Для обоснования возможности уменьшения методических и структурных составляющих ошибок малобазовых радиопеленгаторов с трехэлементными эквидистантными кольцевыми антенными решетками, являющихся пеленгационными измерителями с частично определенными структурами, целесообразно использовать метод исследования, заключающийся в представлении первичных ДН антенн пеленгационных измерителей в виде составляющих, образующих различные группы симметрии, формировании с учетом свойств преобразований симметрии вторичных ДН и построении на их основе канонических пеленгационных характеристик.
Принципы построения, структура и алгоритм функционирования быстродействующего устройства спектральной обработки и оценки параметров сигналов
Необходимо также отметить, что при наличии составляющих радиосигналов, обусловленных внутренним шумом каналов пеленгационного измерителя, которыми по сравнению с уровнем пеленгуемого радиосигнала нельзя пренебречь (то есть, при низких отношениях сигнал/шум q) значения параметра /л могут изменяться в пределах от 0 до 1 при изменении от q »1 до q = qmin «(і -г-1) соответственно.
Таким образом, определение по трем однозначным амплитудным значениям разностных сигналов R{ (/ = 1,2,3) параметра ju в соответствии с выражением (2.2.2) позволяет выявить наличие квадратурной составляющей помехового сигнала (некоррелированных помех) и качественно оценить отношение сигнал/шум. При этом достоверность результатов пеленгования обратно пропорциональна величине параметра ц.
Для обеспечения возможности оценивания достоверности результатов пеленгования в условиях воздействия коррелированных помех с синфазной составляющей помехового сигнала целесообразно использовать величину погрешности Ав однозначной оценки азимута, определяемую по формуле (2.1.50). Это обусловлено следующими факторами.
Каждая из совокупностей трех однозначных амплитудных разностных ДН i?,, R2, R} и трех однозначных фазовых разностных ДН (ркх, рК2, срю образуют две разнородные группы симметрии третьего порядка, с использованием которых формируются две различные по функциональной зависимости от измеряемых разнородных параметров (амплитуд и фаз сигналов) пеленгационные характеристики соответственно вк и в , описываемые выражениями, приведенными в подразделе 2.1, что обуславливает их различную функциональную зависимость от искажений соответствующих групп разностных ДН, связанных с воздействием как квадратурной, так и синфазной составляющих помеховых радиосигналов. При этом величина погрешности Л# однозначной оценки азимута, определяемая по формуле (2.1.50), в случае одновременного приема пеленгуемого и помехового радиосигналов характеризуется обратно пропорциональной зависимостью от отношения напряженности поля пеленгуемого к напряженности поля помехового радиосигналов, то есть, обратно пропорциональна достоверности результатов пеленгования.
Необходимо отметить, что в абсолютном большинстве практически важных случаев при одновременном приеме пеленгуемого и некоррелированного с ним по фазе и направлению распространения помехового радиосигналов выполняется условие (2.1.44), что приводит к определению 9 и /? по формулам (2.1.55) и (2.1.58) соответственно, а по значению величины Ав можно оценить достоверность полученных результатов пеленгования.
Таким образом, предложено два правила оценивания достоверности результатов пеленгования, первое из которых основано на сравнении однозначных амплитудных разностных диаграмм направленности пар антенн и позволяет в условиях взаимного влияния антенн и мачтового устройства определять уровень квадратурной составляющей помехового радиосигнала в круговом азимутальном секторе пеленгуемого радиосигнала в случае несовпадения проекций на плоскость пеленгования направлений распространения электромагнитных волн пеленгуемого и помехового радиосигналов, а второе - основано на сравнении амплитудной азимутальной пеленгационной характеристики вк, полученной с использованием однозначных амплитудных диаграмм направленности пар антенн, и фазовой азимутальной пеленгационной характеристики 0р, полученной с использованием однозначных фазовых разностных диаграмм направленности пар антенн, различия между которы 112 ми, не зависящие от взаимного влияния антенн и мачтового устройства, при приеме одного пеленгуемого радиосигнала не превышают ошибок «разноса», максимальное значение которых (для наибольшего расстояния между антеннами, равного двум третьим длины волны радиосигнала) не превышает 1, за исключением случаев приема одного пеленгуемого радиосигнала, распространяющегося в виде пространственной электромагнитной волны — с азимутальными направлениями, близкими к азимутальным на правлениям, проходящим через центр антенной решетки и любой из трех антенн, а при одновременном приеме на одной длине волны пеленгуемого и помехового радиосигналов - зависят от соотношения комплексных амплитуд пеленгуемого и помехового сигналов, приводящего к формированию суммарной пространственно-временной структуры интерференционного ПОЛЯ в фазовых центрах трехэлементной антенной решетки, которая различным образом искажает амплитудную вк и фазовую #„ азимутальные пеленгацион ные характеристики; совместное использование предложенных двух признаков наличия в момент измерений помехового радиосигнала позволяет проводить оценку достоверности результатов пеленгования в круговом азимутальном секторе при произвольных фазовых соотношениях пеленгуемого и помехового радиосигналов.
Совокупность полученных значений погрешности Ав оценки азимута и вышеупомянутого параметра /л, обратно пропорциональных качеству результатов пеленгования, позволяет при любых уровнях электродинамического взаимодействия между антеннами и влияния мачтового устройства: во-первых, повысить вероятность правильного суждения о достоверности результатов определения азимута в и угла /3 наклона фронта волны источника радиосигнала; во-вторых, проводить оценку достоверности результатов пеленгования в круговом азимутальном секторе, в отличие от известного [3,5,85], при произвольных фазовых соотношениях пеленгуемого и помехового сигналов; в-третьих, выявлять одно- и многосигнальный режимы пеленгования, в отличие от известного [3,5], без необходимости статистической обработки результатов измерений в течение увеличенного относительно времени пеленгования промежутка времени, что не снижает быстродействие осуществления способа пеленгования радиосигналов.
