Введение к работе
Обязательным этапом разработки современных бортовых радиолокационных станций (РЛС) и радиоэлектронных комплексов (РЭК) являются полунатурные испытания. Это объясняется высокой стоимостью натурных экспериментов, сложностью получения для них повторяющихся условий, а также практической неосуществимостью на ранней стадии разработки.
Полунатурное моделирование представляег собой альтернативу натурному эксперименту. Оно применяется при разработке РЛС, ее программного обеспечения, а также при комплекспровании в состав РЭК. При этом реальные условия работы РЛС (совокупность сигналов и помех на ее входе) моделируют с помощью имитаторов. Современный имитатор радиотехнических сигналов и помех представляет собой аппаратно-программный комплекс. Он осуществляет расчет отсчетов комплексной огибающей имитируемого сигнала, преобразует их в аналоговую форму и переносит в диапазон рабочих частот исследуемой станции. Использование имитации позволяет многократно сократить объем летных испытаний, снизить затраты на проведение работ, повысить их скрытность.
Наибольшее препятствие, сдерживающее применение полунатурного моделирования, представляет проблема формирования отсчетов комплексной огибающей имитируемых сигналов в реальном масштабе времени.
Эта проблема наиболее остра при имитации отражений от распределенных объектов. В первую очередь - от подстилающей поверхности.
В настоящее время известно большое число исследований, посвященных вопросам математического моделирования эхо-сигналов от поверхности Земли. В частности, можно назвать работы Ю. И. Фельдмана, И. А. Мандуровского, П. А. Бакулева, С. Г. Зубковича, коллектива под руководством А. П. Жуковского, а также исследования ряда зарубежных (в первую очередь — американских) ученых.
Вместе с тем, недостаточно рассмотрены теоретические вопросы имитации этих сигналов в реальном масштабе времени. Имеющиеся исследования носят прикладной характер и ограничиваются адаптацией классиче-скігх методов цифрового или аналогового моделирования радпосигаалов к решению рассматриваемой задачи. В связи с этим уместно назвать исследования, проводившиеся НПО «Фазотрон», «Ленинец», Гос. НИИ авиационных систем и Рижским институтом инженеров гражданской авиации, а также многочисленные исследования и разработки зарубежных университетов и фирм. Результаты этих работ неоднократно публиковались в научно-технической литературе и представлялись на научно-технических конференциях.
Принципиальное значение имеет то, что методы цифрового моделирования, традиционно используемые для имитации и моделирования радиосигналов, требуют выполнения больших объемов вычислений. В результате требования к быстродействию средств вычислительной техники, осуществляющих расчет характеристик и отсчетов комплексной огибающей имитируемого эхо-сигнала от поверхности Земли, оказываются чрезвычайно высокими. Работа в реальном масштабе времени оказывается нереализуемой, или реализуемой с привлечением уникальных и недопустимо дорогих технических средств.
Во многом это определяется тем, что условия проведения полунатурного эксперимента достоверно известны лишь для момента времени, соответствующего началу моделирования. Их изменения в его ходе заранее не известны. Они зависят от излучений исследуемой РЛС (используемого ею зондирующего сигнала, направления луча антенны и т.д.) и параметров моделируемой ситуации (например, параметров полета, действий оператора РЭК), которые могут меняться в зависимости от результатов обработки эхо-сигналов и содержащейся в них информации. Это не позволяет заранее подготовить отсчеты имитируемого сигнала. Их необходимо вычислять в ходе проведения полунатурного эксперимента для текущих значений изменяющихся параметров.
Для решения проблемы имитации эхо-сигналов от подстилающей поверхности в диссертационной работе предложена концепция двухэтапной имитации. Она заключается в следующем.
Введено понятие инвариантного сигнала, свойства которого не зависят от параметров, изменения которых заранее неизвестны. Это скорость полета, вид и парамегры зондирующего сигнала РЛС, диаграммы направленности (ДН) и ориентация её антенн и т.д. Его характеристики определяются лишь отражающими свойствами поверхности Земли. Огсчеты комплексной огибающей имитируемого сигнала предлагается формировать из отсчетов инвариантного сигнала. В результате получается двух-этапный алгоритм. Первый этап заключается в формировании отсчетов стационарного инвариантного сигнала, имеющего сложные спектральные характеристики. Он осуществляется заранее. Второй этап заключается в преобразовании инвариантного сигнала в отсчеты комплексной огибающей имитируемых нестационарных эхо-сигналов от подстилающей поверхности. Его выполнение не требует проведения большого объема вычислений и реализуется в реальном масштабе времени при невысоких требованиях к ресурсам вычислительных средств имитатора. Затем, с помощью известных технических решений, полученные отсчеты могут трансформироваться в аналоговую форму и переноситься в требуемый частотный диапазон.
Развіггие предложенной концепции и разработка аспектов ее применения составили основу диссертационной работы.
І Іель работы - развить методы цифрового моделирования радиотехнических сигналов для решения проблемы имитации эхо-сигналов от подстилающей поверхности в реальном масштабе времени при заранее неизвестных изменениях условий полунатурного эксперимента.
Достижение указанной цели потребовало решить следующие задачи.
1. Синтезировать математическую модель инвариантного сигнала,
обеспечивающего адекватное моделирование отражений от поверхности
Земли.
-
Разработать методы преобразования инвариантного сигнала в имитируемый эхо-сигнал.
-
Получить методы синтеза инвариантного сигнала для моделирования как однородной, так и неоднородной земной поверхности.
-
Развить концепцию двухэтапной имитации и полученные на её основе методы до уровня рекомендаций и новых технических решений, предназначенных для проектирования имитационных комплексов эхо-сигналов основных видов бортовых РЛС. Реализовать и экспериментально апробировать теоретические результаты в системах полунатурного моделирования.
Методы исследований.
При теоретических исследованиях использованы теория статистической радиотехники, теория цифровой обработки сигналов, теория импульсных случайных процессов, статистическая теория радиолокации, а также методы математического моделирования. Результаты теоретических исследований подтверждены численным моделированием и экспериментальными данными, полученными при разработке и опытной эксплуатации макетов и опытных образцов имитаторов эхо-сигналов от подстилающей поверхности.
Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается строгостью применяемого математического аппарата, результатами цифрового моделирования и натурных экспериментов, а также положительными результатами апробации и внедрения.
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на десяти международных и всесоюзных конференциях.
Научная новизна работы.
-
Предложена концепция двухэтапной имитации, основанная на использовании сигнала, характеристики которого инвариантны к изменениям условий моделирования.
-
Определены условия, при выполнении которых инвариантный сиг-
-t>-
нал адекватно моделирует характеристики и свойства подстилающей поверхности.
-
Получены преобразования, обеспечивающие трансформацию инвариантного сигнала в отсчеты комплексной огибающей имитируемых эхо-сигналов от поверхности Земли.
-
Получены методы синтеза инвариантного сигнала. При этом предложены и развиты идеи: об использовании фильтров, инвариантных к параметрам сигнала, изменения которых в ходе полунатурного эксперимента заранее не известны; о применении периодических сигналов; о замещении эхо-сигналов от Земли импульсными последовательностями.
-
В целом, получена теоретическая основа для разработки экономичных имитаторов, обеспечивающих моделирование эхо-сигналов от поверхности Земли при заранее неизвестных изменениях условий проведения полунатурного эксперимента. Экспериментально подтверждена правильность и показана целесообразносгь практического использования полученных теоретических результатов.
Практическая значимость.
-
Предложенная концепция позволяет разбить формирование отсчетов комплексной огибающей сигнала, имитирующего отражения от поверхности Земли, на два этапа. При этом вычисление отсчетов инвариантного сигнала, имеющего сложные спектрально-корреляционные характеристики, может осуществляться до начала моделирования. Его преобразования в отсчеты имитируемых отражений не требуют выполнения большого объема расчетов. Это позволяет снизить требования к средствам вычислительной техники, используемой для имитации.
-
Разработаны методы преобразования инвариантного сигнала в отсчеты комплексной огибающей имитируемого эхо-сигнала, обеспечивающие заданігую точность преобразования при низких требованиях к быстродействию и другим ресурсам вычислительных средств.
-
Получены методы формирования инвариантного сигнала с темпом, необходимым для проведения динамического полунатурного моделирования в реальном масштабе времени.
4. Разработаны рекомендации по проектированию имитаторов эхо-
сигналов для распространенных видов бортовых РЛС. На их основе
создан ряд имитационных комплексов, используемых ведущими
предприятиями радиотехнической и авиационной промышленности для
полунатурных испытаний перспективных радиотехнических систем.
На защиту выносятся.
-
Концепция двухэтапной имитации, основанная на использовании инвариантного сигнала.
-
Условия, при выполнении которых инвариантный сигнал обеспечи-
вает адекватное моделирование отражений от подстилающей поверхности.
3. Методы преобразования инвариантного сигнала в отсчеты ком
плексной огибающей имитируемых эхо-сигналов от поверхности Земли.
-
Методы формирования инвариантного сигнала.
-
Рекомендации по практическому использованию концепции двух-этапной имитации и полученных на ее основе методов для разработки программно-аппаратных комплексов моделирования эхо-сигналов от подстилающей поверхности.
Реализация и внедрение результатов исследований.
Диссертационная работа обобщает результаты более чем 10 НИР и ОКР, выполненных при участии и под руководством автора и проводимых в Новосибирском государственном техническом университете по заказам предприятий радиотехнической и авиационной промышленности в соответствии с постановлениями директивных органов. Представленные в диссертации результаты послужили теоретической основой при создании 10 аппаратно-программных комплексов имитации эхо-сигналов от подстилающей поверхности. Эти комплексы внедрены на ведущих предприятиях авиационной (Гос. НИИ авиационных систем, г. Москва) и радиотехнической промышленности (ОЛО "Ленинец"-холдинг", г. Санкт-Петербург). Научные результаты работы также использованы в учебном процессе Новосибирского государственного технического университета при подготовке лекционного материала по курсам: "Радиопомехи и помехоустойчивый прием", "Приемные устройства транспортного радиооборудования гражданской авиации" и "Устройства приема и обработки сигналов".
Внедрение результатов исследований подтверждено соответствующими актами.
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 34 статьях, тезисах двенадцати докладов на международных и всесоюзных конференциях, одиннадцати депонированных рукописях, а также приведены в 7 отчетах по НИР. Новизна полученных решений и их практическая значимость подтверждены 17 авторскими свидетельствами на изобретения.
