автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Гибридные алгоритмы оценивания координат источника радиоизлучения с применением неподвижного и подвижного пунктов приема

На правах рукописи

Лыонг Чинь Ван

ГИБРИДНЫЕ АЛГОРИТМЫ ОЦЕНИВАНИЯ КООРДИНАТ

ИСТОЧНИКА РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ НЕПОДВИЖНОГО И ПОДВИЖНОГО ПУНКТОВ ПРИЕМА

Специальность 05.12.04 — Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения Специальность 05.12.14 - Радиолокация и радионавигация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

17 АПР 2014

005547157

Рязань 2014

005547157

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет».

Научный руководитель:

- Паршин Юрий Николаевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «РГРТУ», г. Рязань, зав. кафедрой

Официальные оппоненты:

- Костров Виктор Васильевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «МИ ВлГУ», г. Муром

- Давыдочкин Вячеслав Михайлович, кандидат технических наук, начальник отдела ООО «Предприятие Контакт-1», г. Рязань

Ведущая организация: - ОП НИИ «Рассвет» ОАО «Корпорация

Фазотрон - НИИР», г. Рязань

Защита состоится 6 июня 2014 года в 11 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.211.04 в ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет» по адресу: 390005, Рязань, ул. Гагарина, 59/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Рязанского государственного радиотехнического университета.

Автореферат разослан « О ^ » ОЦ- 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

Г.В. Овечкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время широкое распространенное получили радиотехнические устройства, являющиеся источниками радиоизлучения, что создает взаимные помехи. В частности, эти радиотехнические устройства создают мощные помехи для систем радиовещания, телевидения и навигации. Для повышения помехоустойчивости работы необходимо определять местоположение этих источников радиоизлучения, что позволяет обеспечить электромагнитную совместимость путем рационального пространственного размещения радиотехнических систем. Для определения местоположения источников радиоизлучения широко применяются пассивные радиотехнические системы (РТС). Отличием пассивной РТС от активной является отсутствие излучения зондирующих сигналов, что не изменяет электромагнитную обстановку в районе расположения радиосистем и не влияет на работу других радиотехнических средств. Кроме того, приём пассивной РТС радиоволн, отражаемых земной и водной поверхностями, может быть использован для обзора местности в навигационных целях. Таким образом, задача определения местоположения источника радиоизлучения пассивным РТС является актуальной.

Задача определения местоположения источника радиоизлучения является предметом интенсивных исследований многих ученых и научных коллективов. В работах Я.Д. Ширмана, Ю.Г. Сосулина, B.C. Черняка, B.C. Кондратьева, В.И. Меркулова, В.Б. Алмазова, В.Я. Аверьянова, HJ. Du, P.Y. Lee, Li Cong, Weihua Zhuang, Ali Broumandan, Tao Lin, John Nielsen, H.C. Schau и др. исследованы оптимальные алгоритмы определения координат источника радиоизлучения. Однако для реализации этих алгоритмов необходимы большое количество неподвижных пунктов приема, а также априорная информация о параметрах движения источника радиоизлучения.

В настоящее время задачи разработки и исследования алгоритмов определения координат движущегося источника радиоизлучения решены не полностью. Поэтому тема диссертации, посвященная разработке гибридных алгоритмов TDOA-AOA на основе комбинации гиперболического (TDOA — Time Difference of Arrival) и триангуляционного (АОА - Angle of Arrival) алгоритмов с использованием методов статистического оценивания для повышения точности определения координат подвижных источников радиоизлучения при наличии случайных ошибок измерений в результате действия помех в пассивной РТС является актуальной.

Целью работы является разработка гибридных алгоритмов TDOA-AOA, обеспечивающих повышение точности определения пространственных координат источников радиоизлучения пассивной двухпозиционной РТС с неподвижным и подвижным пунктами приема в условиях действия случайных ошибок измерений и неполноты априорных сведений.

Для достижения цели работы поставлены и решены следующие задачи:

1) Обоснование оптимальной пространственной структуры пассивной РТС определения местоположения источника радиоизлучения, в том числе

размещение пунктов приема, а также маневренности пунктов приема с использованием статистических методов обработки данных и определения координат.

2) Разработка модели измерений и алгоритмов определения координат источника радиоизлучения таких, как гиперболический, триангуляционный и гибридный ТБОА-АОА алгоритмы при использовании неподвижного и подвижного пунктов приема.

3) Модификация алгоритмов статистического оценивания для повышения точности определения пространственных координат источника радиоизлучения на основе гибридного алгоритма ТБОА-АОА и статистического оценивания при действии случайных ошибок измерений.

4) Разработка гибридных алгоритмов ТБОА-АОА оптимального оценивания координат и параметров движения маневрирующего источника радиоизлучения при использовании подвижного пункта приема в условиях действия случайных ошибок измерений, возмущений траектории и неточности начальной оценки координат и параметров движения.

5) Разработка варианта технической реализации полученных алгоритмов с использованием программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).

Методы исследования: в диссертационной работе используются методы статистической радиотехники, математической статистики, теории оптимального оценивания, матричного исчисления, методов вычислительной математики, параметрического моделирования случайных процессов. Данные теоретические методы сочетались с анализом полученных алгоритмов методом статистического моделирования.

Основные положения, выносимые на защиту

1) Гибридный алгоритм ТБОА-АОА определения координат подвижного источника радиоизлучения при применении пассивной двухпозиционной РТС с неподвижным и подвижным пунктами приема, что позволяет определять пространственные координаты и параметры движения (скорость, ускорение и др.) на интервале наблюдения траектории с высокой точностью.

2) Алгоритмы статистического оценивания на основе гибридного алгоритма ТБОА-АОА и статистических методов, позволяющие уменьшить погрешность определения пространственных координат источника радиоизлучения на (19,1-г 40,7)% в условиях действия случайных ошибок измерений и неполной априорной информации.

3) Статистический алгоритм квазиоптимального оценивания координат источника радиоизлучения на основе гибридного алгоритма ТБОА-АОА и методов статистического оценивания, позволяющий уменьшить вычислительные затраты на 50 % при действии случайных ошибок измерений и неполной априорной информации о параметрах движения объекта.

4) Комплексированный гибридный алгоритм ТБОА-АОА оптимального оценивания пространственных координат маневрирующего источника радиоизлучения на основе комбинации рекуррентного и нерекуррентного гибридных алгоритмов ТБОА-АОА, динамической модели движения при применении пассивной двухпозиционной РТС с неподвижным и подвижным

пунктами приема, позволяющий уменьшить погрешность определения координат на 28,5% в условиях действия случайных ошибок измерений, возмущений траектории и неточности начальной оценки параметров движения.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1) Предложен гибридный алгоритм ТОО А-АО А измерения координат источника радиоизлучения при применении пассивной двухпозиционной РТС, отличающийся тем, что используется неподвижный и подвижный пункты приема, что позволяет определить пространственные координаты и параметры движения (скорость, ускорение и др.) подвижного источника радиоизлучения при значительно меньшем числе пунктов приема.

2) Обосновано комплексирование рекуррентного и нерекуррентного гибридных алгоритмов ТООА-АОА оценки пространственных координат и параметров движения маневрирующего источника радиоизлучения при применении пассивной двухпозиционной РТС с неподвижным и подвижным пунктами приема, отличающийся тем, что на начальном этапе оценивание производится рекуррентным алгоритмом, а на последующих этапах оценивание производится нерекуррентным алгоритмом, причем результаты оценивания на первом этапе являются начальными условиями для оценивания на последующих этапах.

Научное и практическое значение. Полученные результаты целесообразно использовать в пассивных РТС для повышения точности оценивания координат движущегося источника радиоизлучения с помощью неподвижного и подвижного пунктов приема в условиях действия случайных ошибок измерений и параметрической априорной неопределенности.

Апробация работы. Научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: «42-я научно-техническая конференция» (г. Рязань, РГРТУ, 2012 г.); XVII всероссийская научно-техническая конференция студентов, молодых ученых и специалистов «Новые информационные технологии в научных исследованиях - НИТ-2012» (г. Рязань, РГРТУ, 2012 г.); XVIII всероссийская научно-техническая конференция студентов, молодых ученых и специалистов «Новые информационные технологии в научных исследованиях - НИТ-2013» (г. Рязань, РГРТУ, 2013 г.); VII всероссийская научно-техническая конференция «Радиолокация и радиосвязь» (г. Москва, ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 2013 г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ. Из них 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК, 2 статьи в межвузовском сборнике научных трудов, 4 тезиса докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка литературы из 140 источников, приложения. Диссертация содержит 144 стр., в том числе 122 стр. основного текста, 21 таблица, 45 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, определена цель и сформулированы решаемые в работе задачи. Перечислены новые научные

результаты, полученные при выполнении работы, показаны практическая ценность и результаты апробации работы. Приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе проведен сравнительный анализ достоинств и недостатков пассивных многопозиционных РТС определения местоположения источника радиоизлучения, разработана пространственная структура пассивной двухпозиционной РТС на рисунке 1. Пассивная двухпозиционная РТС состоит из подвижного пункта приема Г,, неподвижного пункта приема Г, и пункта центральной обработки информации, располагающегося на земле. Предполагается, что начало системы координат совмещено с расположением пункта приема Т, =0. Пассивная двухпозиционная РТС располагает техническими средствами для измерения следующих параметров принятых

Источник радиоизлучения

радиосигналов:

- разность расстояния от источника радиоизлучения до пунктов приема Т, и Т2,

- угловая координата -азимут источника радиоизлучения относительно пункта приема Т2,

- угловые координаты -

азимут и угол места источника

Пункт приема Ъ Пункт приема Т1

радиоизлучения относительно 3 * 1

пункта приема Т,. Рисунок 1

Кроме того, полагается, что с помощью приемника синхронизации и навигации определяются текущие координаты подвижного пункта приема Т2 и координаты неподвижного пункта приема Г,.

Во втором разделе рассмотрены алгоритмы измерения координат объекта, несущего источник радиоизлучения, на основе полученных измерений.

Пространственная структура пассивной

двухпозиционной РТС для реализации триангуляционного алгоритма отображена на рисунке 2. В начале координат 0(0,0,0) находится пункт приема , в котором в момент времени Г , г = 1здесь п -число измерений Г,,

измеряются азимут Д„ и угол места еш объекта. Обозначим (х.

М(хм|,ум'„гмл)

'•'V.....-::-......

------V Т2(Х2.5,У2,1,г24

М5.............

Г0(0,0,0)=Т1

хш *м, Рисунок 2

> Угн • г2/() " координаты пункта приема Т2, движущегося относительно пункта приема Т/, (хип,уми,гмп) - координаты

объекта М , движущегося относительно пунктов приема 7] и Г,. На интервале времени наблюдения (0,/я), в некоторые моменты времени t., j = l,...,h, здесь h - число измерений пункта приема Г,, с помощью подвижного пункта приема Тг измеряется азимут Д объекта. Траектория движения объекта М аппроксимируется полиномом К -й степени:

*Л„,=*0+£',Ч' Умп=У» + Ъ?Ь„, zull = zt + í,tl'cf, (1)

я=I />=1 />= I

где -V,,, )'„, z„ - координаты объекта М в начальном моменте времени / = 0, ар,Ьр,ср - параметры (скорость, ускорение и т.д.) движения по осям x,y,z-

При движении объекта М и пункта приема Тг измеряются величины Д,.,

Pus' xiij> Уги' 1 = I,--.,'i и У = 1,...,h. Триангуляционный алгоритм измерения координат объекта определяется объединением координатных уравнений пунктов приема:

tgfa, tge,„ tgfi„t = y""~y"',i=l,...,„, j = l..Ji. (2)

ХМН Г10Н XMlj X2lj

После постановки координаты объекта (1) в уравнение (2) получаем уравнение наблюдений в матричном виде:

m,=g,X,, (3)

где X, = (x0,y0,z0,a,,... ,aK,bt,... ... ,ск)т - неизвестный 3(^ + 1) - вектор,

ш, = (0,0,... ,0,0,тш,... ,тилУ - измеряемый 2n + h - вектор, ш„. = x2,.sm/32n-y2IJcos/32lj,

sin^^.-cos/?,,. О t. sin Д, r..t' sin Д,.-1, cos Д, cos Д„ 0 ... 0 tgem 0 -coSj3ln trg£w ...t?tg£y, О ... 0 -hcosft,,cosД„

g =

' sin - cos Р,ц 0 tjSmfS2ll...t* smfi2IJ-t¡cos./3,,r..-t^cosfi,l¡ 0 ... 0 i = \,...,n; y = l.....Л.

Триангуляционный алгоритм оценивания координат по критерию минимума среднего квадрата ошибки получается путем решения обратной задачи по наблюдениям (3): X," =g,+m1, где g,+ - псевдообратная матрица.

Пространственная структура пассивной двухпозиционной РТС для реализации гиперболического алгоритма отображена на рисунке 3. При движении пункта приема Т2 и объекта М в каждый момент времени г i = 1,...,и, измеряются ci = r2l¡ — ru¡ - разность расстояния от объекта до пунктов приема, (x2ll,y2N,z2ll) - координаты пункта приема Г, и L = д/xf,. + y\r¡ + zln . Из уравнения разности расстояния, следует:

Ц -d, = 1х2пхмп + 2у2пумп + 2zlnzMn +2drUÍ, / = !,..,п. (4)

После постановки координат объекта (1) и приближенного представления

функции Г\ц

1 э "V,,

= Го + Хг/'ар , где

С=1

а =-

Р! „

* ' К 'О - >0. "о)

коэффициенты разложения,

+ , В уравнение (4),

следует:

где

Ш2 =§2Х2

(5)

ЪСхм-угЛ.-,)

' 0(0 Д0)=Т1

Рисунок 3

.. у. 5,ум.!,гм

Х2 ={х0,ув,г0,а1, ...,Ьк,с,, ...,ос5)т - неизвестный

3(К +1) + 5 +1 - вектор, т, = (Ц — с/,2,..., ¿г — </яг)г - измеряемый п - вектор,

хг пУгп *;хгп-**хг „ ' ,Угп-У^.п - К 1гн ^ ¡,с1, ... ё2=2....................................

Гиперболический алгоритм оценивания координат источника радиоизлучения по критерию минимума среднего квадрата ошибки получается путем решения обратной задачи оценивания по наблюдениям (5): Хг* = ^ пъ.

Для достижения более высокой точности

определения координат

источника радиоизлучения используется комбинация двух или более из этих алгоритмов. Гибридный алгоритм ТО О А-АОА позволяет использовать достоинства методов ТБОА и

АОА такие, как высокая /о(одо)ят,

точность измерения Рисунок 4

координат, уменьшение количества пунктов приема. Пространственное расположение объекта и пунктов приема для реализации гибридного алгоритма ТО О А-АО А отображено на рисунке 4. При движении пункта приема Т^ и объекта М в каждый момент времени Л, ( = 1где п - число измерений,

измеряются величины (I. = г1П - г1п, х1п, у2п, г,„, Ц = + у;п + г,2,, . На интервале наблюдения (0,/п), в некоторые моменты Г, ] =\,...,1г<п, с помощью неподвижного пункта приема Т, измеряются угловые координаты Риг£хи объекта.

Гибридный алгоритм ТООЛ-АОА определения координат объекта образуется путем дополнения гиперболического алгоритма (5) уравнениями триангуляционного алгоритма (2):

, ( = 1 ] = \,...,1г,

(6)

После постановки координат объекта М (1) и приближенной функции гш в систему уравнений (6), следует:

(7)

где Х3 =(х0,у0,г0,а1,...,ак,Ь1,...,Ь1,,с1,...,ск,г0,а1,...,а5)т - неизвестный 3(ЙГ + 1) + .У + 1 - вектор, ш, =(Ц-¿[,...,12п -г/п2,0,0,...,0,0)г - измеряемый п + 2/г - вектор,

2х,_„ 2у2„ 2г,„ 2х2„1, ... 2х2„1* 2уг,^ ... 2у2,1* 2z2l,t¡

-сояД,. О тД,.... ^мпД,. -г.сояД;у...-г^сояД,. О

О -созД,, -

-/.С08Д(/

/ = 1,...,и; 7=1,...,Л 2г2/,?; 2</, 2£/.Г ...

...О 0 0

со8д,. о о

0 0

Рассмотрим источники погрешностей измерения координат объекта гибридным алгоритмом 'ГООА+АОА. Измеренные значения получены в виде:

= Д/> + • = £и< + £/; > (8)

где с/,, Д , - точные измерения,

^лп^/ш'^еп ~ случайные погрешности измерений, которые имеют нормальное распределение N(0,6у]), N(0,(7^) и N(0,(71); здесь <7^, с2, о\ - дисперсии ошибки измерений. Для практической реализации алгоритма величины с1:, Дш, предлагается заменить их измеренными значениями г/*,Д*,,£*,, при вычислении матрицы gз и т3.

Оптимальная оценка координат получена методом наименьших квадратов (МНК) в результате модифицированного решения обратной задачи (7) при наблюдении с ошибками:

х;„„,(9)

где .с^г;,«',*,...,«;)7^ - полученная

оценка, ё'3 = Д'„,£Г,'„), т', =ш3(<,Д;,,<;;).

Подставляя измеренные величины со случайными ошибками измерений в асимптотическое уравнение (7), получим матричное уравнение:

ш, «8зХ3+0,, (10)

V

где 0,=

сов £..

- (п + 2/г)-мерный вектор случайных ошибок измерений.

Модифицированный алгоритм оптимального оценивания координат объекта, полученный методом максимального правдоподобия (МП) по наблюдаемым данным (10), имеет вид:

х;ят=к)г(к'Гв;Г(в*з)г(к')"™;. оп

где - полученная оценка; = 1*(х;,ж ) = сПсщ [4ст; (г,;, + с1],...,

о}[r'lu cos<,J\<x;

. c°s К,

г ,-^-

"J cose',.

Подставляя измеренные величины со случайными ошибками в асимптотическое уравнение (7), получим другое матричное уравнение:

(х.

1

(12)

где % = diag[gdli,...,£/llj,J;clj,...,i = \,...,n;j = \,...,li\ - диагональная матрица ошибок измерений разности расстояния и угловых координат, ej = tgsUJ cos J3Uj , 0 0 0 0 ... 0 0 ... 0 0...0 2 2t....2t'2d.

А =

cos/?, sinyS 0 f, cos/Г...i* cos/?, i, sinsin/?; 0 ... 0 0 0 ... 0 0 1 0 e, t, ... tK 0 ... 0

е/г.е/;0 0 ...0 0

I = 1,...,н; у = 1,...,Л

Квазиоптимальный алгоритм оценивания координат объекта, полученный методом максимального правдоподобия по наблюдениям (12), имеет вид:

Кш=к Г (к;) 'Й, Г Г (к; аз>

где r;=R,(X;,„,)=

V*

ЛЛ/7/А'

SA

Y*

I (Hi'

х;„

= <т;В..,а;В..,...,г = 1,...,/г, у = 1,...,/г]; В = АИ; АГ;

кл ^ хи, " полученная

квазиоптимальная оценка.

Видно, что для реализации алгоритмов, полученных методом максимального правдоподобия, необходимо получить априорные сведения для оценивания корреляционной матрицы, например, методом наименьших квадратов (9). Для упрощения алгоритма оценивания и уменьшения вычислительных затрат предлагается статистический алгоритм, в котором при расчете Л, полагается, что измеряемые величины х0, у0, г0, ар, Ьр, ср,

р = 1,...,К являются независимыми случайными числами с известными

вторыми начальными моментами и равномерным распределением на априорно заданном интервале:

— — 1 'г ,, — 1 "Г ■> , Н;т - — — —

•^о =>'о =—— 1 х-0с1х0=-г„ = —: К<&0= —г; = х- + у; + г;, К о -5 п.„ о -э

•> ; 1 •> 1 а; = Ь; = с: - -

а: — Ь: = с: =

1

IV -IV

¡а^с1а[ =

пип 1ШХ

V3 -V3

та* пи а

- К«.)'

Статистический алгоритм оптимального оценивания координат объекта, полученный методом максимального правдоподобия, имеет вид:

=к IV; (14)

где К,=К,(Х,)=

§А1 *

X, X

= сИа8[<т]Ва,...,а\В.л,а; В.,...,/ = 1,...,у = 1,...,/г]; В = АН,Аг;

Кх = Кх(хз) = (Исщ[х,,,>>,;,..., а2,1] - корреляционная матрица вектора (Х3 1)г, получаемая на основе статистических сведений об оцениваемых параметрах.

Статистический алгоритм не требует предварительной оценки координат и параметров движения наблюдаемого объекта. Таким образом, применение статистического алгоритма уменьшает вычислительные затраты на 50% по сравнению с модифицированным и квазиоптимальным алгоритмами.

Для оценивания эффективности полученных оценок X,, найдена граница Крамера-Рао для дисперсии ошибки измерения вектора X, по

наблюдаемым данным (7):

ВХ} (15)

где = О0(1,1); £>" = О0(2,2); О"=Б0(3,3) - границы Крамера-Рао для оценок координат в декартовой системе.

На рисунке 5 приведены зависимости дисперсий погрешности оценивания координаты по оси х от погрешности измерения разности расстояния <7,, полученных методом МНК (9), а также полученных методом максимального правдоподобия (МП) модифицированным (11), квазиоптимальным (13), статистическим (14) алгоритмами и границы Крамера-Рао (15) для варианта движения объекта, определяемые степенью К полинома (1) при криволинейном ускоренном движении объекта, К = 2, 5 = 3, и уравнении движения объекта (1):

хми =30 + 0,7/, + 0,01/,2; у ,,„ =30 + 0,3/. +0,01/2; г„„ =20 + 0,1/,; /,. =1,...,н. Траектория движения пункта приема Тг выражается полиномом:

х1п =0 + 20со5(2/тг/н); угп =0 + 20зт(2/д/н); г2„ =10; /,. =1 (16)

2 'А

Р

МНК: --□-МП: --♦--Модифицированный МП: --*-- Квазиоппшальньш МП: —+— Статистический Гр. Крамера-Рао: —о— ь

; :

/

: : : : / : : й'

\ \ \ ¡/ \

........\........ У ; ^ .а' ..........:.......---V р::-*»«^—Т | "Л

'г1г3*5573э

м

Погрешности измерения угловых координат <тв = 0,2°; сс = 0,1°. Число измерений пункта приема Т[ равно и = 30. На интервале наблюдения (0, ) полагается число измерений пункта приема Т2 с периодом 2(г - Г ,) равно Л=15.

Полагается, что элементы вектора X, имеют равномерное распределение на априорном интервале:

х0,у0е (о,) = (0 -н 400) км; гое(0,Я1п„)=(0-=-30) км;

= (30-330) м/с; а, Л,с2 б (И^.И^) = (-2-нЗ) м/с2.

Видно, что метод МНК дает Рисунок 5

худший результат по точности оценивания координат по сравнению с остальными алгоритмами. При погрешности измерения <т, = 9 м, сг^ = 0,2°, аг = 0,1° получена оценка координат по оси х методом МНК с погрешностью 328,6 м, а модифицированным и квазиоптимальным и статистическим алгоритмами с погрешностью 194,9 м. Таким образом, применение предлагаемых алгоритмов позволяет уменьшить погрешность оценивания координат на 40,7 % по сравнению с методом МНК.

В третьем разделе на основе получения предварительной информации о координатах и параметрах движения маневрирующего объекта рассмотрены гибридные алгоритмы ТБОА-АОА

оптимальной оценки координат 2 " М(хм,,умъг\и)

маневрирующего объекта.

Пространственное расположение объекта и пунктов приема для реализации алгоритма отображено на рисунке 6. При движении пункта приема Г, и объекта М в каждый момент времени / = 1,2,...,

измеряются величины: разность расстояния сГ = г2п — ги., а также угловые координаты Ри.,еи. объекта.

Система уравнений для описания пространственных параметров

0(0,0,0)=!! Хм'

Рисунок б

объекта

маневрирующего прямоугольных координатах выражается в векторном виде:

Х4„=*Х4/м+&1(,/ = 1,2,..., (17)

где Х4/;. = [*„„., >'„„, г„„, «,„, £>„,., с,,,, а2п, Ь1П, с,,,]'' - неизвестный вектор; Ч/ = [г1ап>т1ьн>71сц]Г ' случайный вектор; 7}аП, т]ьп, т]с1. - случайные возмущения

траектории движения объекта, которые имеют нормальное распределение ЛЧ0,сг), Ы(0,а2ь), N(0, сг), здесь сг2, а], ег; - дисперсии возмущений;

Ч» =

"1 0 0 т 0 0 Г2/2 0 0 ~Т2/4 0 0

0 1 0 0 г 0 0 Г2/2 0 0 Г2/4 0

0 0 1 0 0 г 0 0 Г2/2 0 0 Г2/ 4

0 0 0 1 0 0 Г 0 0 Г/2 0 0

0 0 0 0 1 0 0 г 0 ; с = 0 Г/2 0

0 0 0 0 0 1 0 0 г 0 0 Г/2

0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0

0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0

0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1

Связь между координатами объекта ХМИ' У«/,, г и

Г = »,-/,

и измеренными

величинами Д(., выражается системой нелинейных уравнений:

= лД*«»_)2 + (у«/»_ >'2//)2 + (ги„ -г2„ )2 -т]хмн + Ума

Д„ = агс/5

У МП

[1 = 1,2,...,

или в векторном виде:

где У=к, /?,„.,£,„]' измерений

У =^(Х4„), (18)

измеренный вектор. При действии случайных ошибок система уравнений (18) имеет вид:

У^(Х4„) + $„ (19)

где = [£,„, , £,, ]' - случайный вектор ошибки измерений.

Рекуррентный гибридный алгоритм ТБОА-АОА оптимальной оценки пространственных координат и параметров движения маневрирующего объекта представлен системой уравнений:

х;„ = ч'х;„, + к, [у; - ^(х;,,.,)], (20)

V,,, =Ч,Ф.,Г + С5КС,

ф, = У-1 - v_.Hr [н(у,,,н,г + Н, V,.,,

где W — d^ag\(Jl, <72, сг2] - диагональная корреляционная матрица случайного вектора ошибок измерений Т|.; % = (Иа§\а,1,а2ь,и1\ - диагональная корреляционная матрица случайного вектора возмущений траектории

Ф0 = (Х],0 -X4/0Xx¡/0 —Х4/П)г - диагональная корреляционная матрица, которая характеризует начальные случайные значения X*; II. = [ЭК(Х)/ЭХ^_Л>г .

Для получения эффективной оценки координат маневрирующего объекта в условиях неполной априорной информации о параметрах движения объекта применим прямое решение системы нелинейных уравнений (18) в каждой точке измерений i = 1, 2,.... Нерекуррентный гибридный алгоритм TDOA-AOA эффективного оценивания координат маневрирующего объекта имеет вид:

и»5/, =8™Х3„, (21)

где X5/l. = (xM/i,yiul,ztlN)T - неизвестный вектор, m5;, =[(¿; -í/,2)cos£„,, 0, ()f -измеренный вектор,

2(x2I¡ cosf1/¿ + e/ eos ДЛ) 2(y2/¡ cosf];¡ +d. sin /?„.) 2z2/¡ cos£ui sin pm - eos Д, 0

tg£w 0 -cos/3u¡

При действии случайных ошибок измерений, алгоритм (21) выражается в приближенном виде: m5/í ~ g5/¡X5í¡+0,,,, здесь 05í¡ = [r¡Jl.{2rín + 2<^)cos£1(l,

Tlfn(rw cosf,„), JjtlXrw eos Д„/eos £•„,.)]' - случайный вектор ошибок измерений. Тогда, нерекуррентный гибридный алгоритм TDOA-AOA оценивания координат методом МНК по наблюдаемым данным (21) имеет вид:

xL=[(g;„)rg;„r(g;„ Гт;„, (22)

где g;„=g5/,k, а'„, £'иХ mi„=т5„к'. д'„ <„)•

Для достижения более высокой точности оценивания координат маневрирующего объекта предлагается комбинация рекуррентного (20) и нерекуррентного (22) гибридных алгоритмов TDOA-AOA. Совместное использование этих алгоритмов позволяет сочетать их достоинства такие, как уменьшение влияния неточности начальной оценки, высокая устойчивость работы алгоритма фильтрации и в результате более высокая точность определения координат. Комплексированный гибридный алгоритм TDOA-AOA имеет вид:

mí/i =l9x9X4// +04//

■m5„ =[g5„ 0М.]Х.„ +05„ откуда следует m6;¡ = g6/iX4/¡ + в6/,, (23)

.1=0,1,...,

где m4/j. = X]/¿; 04/(- случайный вектор ошибок измерений; m6)j = [m4)¡, m5;¡]r-измеренный вектор; 86;. = [в4„, в5;, ]г; g6/l

9x9

0,.

измеренная матрица.

Структурная схема устройства, реализующего комплексированный гибридный алгоритм ТООА-АОА оптимального оценивания пространственных координат и параметров движения маневрирующего объекта, приведена на рисунке 7.

Рисунок 7

Теоретический алгоритм. Предполагается, что для вычисления матриц преобразования используются точные значения dn Д,. , £и1 и ги,. Тогда, оптимальная оценка координат методом максимального правдоподобия определяется уравнением:

Х4„ =fttf,m6/„ (24)

где Пб„. = R6„■ =в«Х, =^[Ф,.(1Д),.... Ф,(9,9),

4<т2(гш + ^)2, cos2£,/;, о-;(rHi cos£•„,)', <т2 (/•„,. cos Д /f /cos ; )2 ].

Реализуемый алгоритм. Для получения практически реализуемой оценки координат маневрирующего объекта с использованием наблюдений (23) при вычислении g6/l., g6;i и R6/j заменим точные величины d„ ДЛ, £ш и гш полученными на первом этапе оценками Д*,, а также вычисленным на их основе значением г,". Тогда можно использовать алгоритм квазиоптимальной оценки координат, полученный модифицированным методом максимального правдоподобия:

х:„=«;„ч„- (25)

где n;„ = n6„ (d*, д;„, «;„, г,;.)=[(g;„. у (r;„. )"' g;„. ]"' (g;„. у (r;„ Г; r;„. = diag

Ф,_, (1,1),..., Ф,_, (9,9), 4 ст] (r,"_, + d' )2, cos2 e'w, а] (г,"., cos e'm f, cr;( r,"_, SSIAl .

I COSf„J

На рисунке 8 приведены зависимости от времени измерения i среднеквадратических отклонений оценок координат, полученных рекуррентным (20), нерекуррентным (22), комплексированными гибридными алгоритмами TDOA-AOA - теоретическим алгоритмом (24) и реализуемым алгоритмом (25). Движение пункта приема Г, задано уравнением (16).

Погрешность измерений ad = 9 м, <Jf = 0,3°, <У£ = 0,1°. Координаты объекта М определяются уравнением (17) с параметрами: Х4/0 = [70км; 70км; 20км;

0,7 км/с; 0,3 км/с; 0,01 км/с; 0,03 км/с2; 0,03 км/с2; 0,01 км/с2 ]. Погрешность

возмущений траектории оо = 2м/с2, аь = 2м/с2, ос = 1м/с2, Г = 0,2 с.

Из полученных результатов моделирования на рисунке 8 видно, что при начальном расстоянии = 100 км отклонение начальной

оценки д0 =^/гио = 0,5. В момент времени ?|0=ЮГ получим оценку координат рекуррентного гибридного алгоритма TDOA-AOA с относительной ошибкой оценивания координат 8Ю =^Dw/rU0 =0,047, а реализуемым алгоритмом с ошибкой Sw = 0,0336. Таким образом, применение реализуемого комплексированного гибридного алгоритма TDOA-AOA уменьшает относительную ошибку оценивания координат в 1,4 раза (28,5%) по сравнению с рекуррентным гибридным алгоритмом TDOA-AOA.

В диссертации разработан вариант технической реализации комплексированного гибридного алгоритма TDOA-AOA на отладочной плате микросхемы Virtex-lI Pro XC2VP30-4FF1152С, реализующий параллельную организацию процесса вычисления для уменьшения вычислительных затрат.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результатом исследований, проведенных в диссертационной работе, является разработка и исследование гибридных алгоритмов TDOA-AOA при применении пассивной двухпозиционной РТС с неподвижным и подвижным пунктами приема для повышения точности оценивания координат источников радиоизлучения при действии случайных ошибок измерений. В результате выполнения диссертационного исследования получены следующие результаты:

1. Предложена эффективная пространственная структура пассивной двухпозиционной РТС определения местоположения источников радиоизлучения при применении одного подвижного и одного неподвижного пунктов приема, когда подвижный пункт приема движется по траектории окружности, а другой пункт приема с пунктом центральной обработки информации неподвижен. Пассивная подвижная двухпозиционная РТС значительно проще в технической реализации, сохраняет преимущества пассивной многопозиционной РТС, обладает более высокой маневренностью, помехозащищенностью, что позволяет устранить недостатки пассивной многопозиционной РТС с фиксированной базой.

2. Обоснован триангуляционный алгоритм (АОА) определения координат источника радиоизлучения в условиях измерения только угловых координатах

С

О

Нерекуррентный: Рекуррентный: —»--Реализуемый: — ♦Теоретический: -о-

°lt

'"TV""'

»•Si

О 1 2 3 *

б 7 в 9 10 11 12 13 U 15 1в 17 И

Рисунок 8

I, раз

объекта. Проведен анализ триангуляционного алгоритма относительно различных вариантов движения объекта, показавший, что результат определения координат подвижного объекта триангуляционным алгоритмом зависит только от характера движения подвижного пункта приема и не зависит от вида движения объекта.

3. Обоснован гиперболический алгоритм (ТООА) определения координат источника радиоизлучения в условиях измерения только разностей расстояния от объекта до пунктов приема. Проведен анализ гиперболического алгоритма относительно различных вариантов движения объекта, показавший, что результат определения координат подвижного объекта гиперболическим алгоритмом зависит только от характера движения подвижного пункта приема, не зависит от вида движения объекта.

4. Разработан гибридный алгоритм ТООА-АОА определения координат источника радиоизлучения в условиях, когда измеряются разности расстояния от объекта до пунктов приема, а также на этом же интервале времени в другие моменты времени с помощью неподвижного пункта приема на земле измеряются угловые координаты объекта. Проведен анализ гибридного алгоритма ТООА-АОА относительно различных вариантов движения объекта, показавший, что результат определения координат подвижного объекта гибридным алгоритмом ТООА-АОА зависит только от характера движения подвижного пункта приема, не зависит от вида движения объекта.

5. Предложены алгоритмы статистического оценивания, обеспечивающие уменьшение погрешности определения координат источника радиоизлучения на (19,1 -г 40,7)%, на основе гибридного алгоритма ТООА-АОА и методов статистического оценивания наименьших квадратов, максимального правдоподобия при действии случайных ошибок измерений.

6. Разработан статистический алгоритм квазиоптимальной оценки координат источника радиоизлучения в предположении, что статистические параметры движения объекта известны, обеспечивающий уменьшение вычислительных затрат на 50% в условиях минимально необходимых априорных сведений.

7. Предложен рекуррентный гибридный алгоритм ТООА-АОА оптимальной оценки пространственных координат и сопровождения траектории маневрирующего источника радиоизлучения на основе расширенного фильтра Калмана при использовании модели измерений координат объекта одним подвижным и неподвижным пунктами приема в сферической системе координат.

8. Разработан нерекуррентный гибридный алгоритм ТООА-АОА эффективной оценки координат источника радиоизлучения в условиях неполной априорной информации о параметрах движения объекта.

9. Разработан комплексированный гибридный алгоритм ТООА-АОА оптимальной оценки пространственных координат и сопровождения траектории маневрирующего источника радиоизлучения на основе комбинации рекуррентного и нерекуррентного гибридных алгоритмов ТООА-АОА, обеспечивающий уменьшение погрешности оценивания координат на 28,5% в

условиях действия случайных ошибок измерений, возмущений траектории объекта и неточности начальной оценки параметров движения объекта.

10. Предложен вариант технической реализации комплексированного гибридного алгоритма TDOA-AOA на отладочной плате микросхемы Virtex-H Pro XC2VP30-4FF1152С фирмы Xilinx, реализующий параллельную организацию процесса вычисления для уменьшения вычислительных затрат.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах

1. Лыонг, Ч. В. Оценка точности местоположения источника излучения методом пассивной радиолокации / Ч. В. Лыонг // 42-я научно-техническая конференция. Тез. докл. - Рязань: РГРТУ, 2012. - С. 5-5.

2. Лыонг, Ч. В. Анализ точности определения местоположения подвижного источника радиоизлучения / Ч. В. Лыонг П Новые информационные технологии в научных исследованиях - НИТ-2012: Сб. тез. докл. - XVII всероссийская научно-техническая конференция студентов, молодых ученых и специалистов. -Рязань: РГРТУ, 2012. - С. 62-62.

3. Лыонг, Ч. В. Моделирование гиперболического алгоритма измерения координат источников излучения в пассивной радиолокации / Ч. В. Лыонг, Ю. Н. Паршин // Методы и устройства обработки сигналов в радиотехнических системах. Межвузовский сборник научных трудов. Выпуск 6. - Рязань: РГРТУ,

2012. - С. 66-73.

4. Лыонг, Ч. В. Повышение точности оценивания координат маневрирующего источника радиоизлучения / Ч. В. Лыонг // Новые информационные технологии в научных исследованиях - НИТ-2013: Сб. тез. докл. - XVIII всероссийская научно-техническая конференция студентов, молодых ученых и специалистов. -Рязань: РГРТУ, 2013. - С. 46-47.

5. Лыонг, Ч. В. Моделирование триангуляционного алгоритма определения координат источника радиоизлучения / Ч. В. Лыонг // Методы и устройства формирования и обработки сигналов в информационных системах: межвуз. сб. науч. тр. / под ред. Ю. Н. Паршина. - Рязань: РГРТУ, 2013. - С. 104-108.

6. Паршин, Ю. Н. Разработка гиперболического алгоритма определения координат источника радиоизлучения / Ю.Н. Паршин, Ч. В. Лыонг // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. - Рязань: РГРТУ, 2013, №1, вып.43. - С. 32-38.

7. Паршин, Ю. Н. Статистический синтез и анализ гибридного алгоритма определения координат источника радиоизлучения / Ю. Н. Паршин, Ч. В. Лыонг // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. - Муром: ВлГУ,

2013, №1 (вып. 9). - С. 16-27.

8. Лыонг, Ч. В. Применение статистических оценок повышение точности оценивания координат источника радиоизлучения / Ч. В. Лыонг // Радиолокация и радиосвязь: Сб. тез. докл. - VII всероссийская научно-техническая конференция. ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 2013. - М.: ИРЭ, 2013.-С. 8-12.

9. Паршин, Ю. Н. Разработка комплексированного гибридного алгоритма TDOA+AOA оптимальной оценки координат маневрирующего источника радиоизлучения / Ю. Н. Паршин, Ч. В. Лыонг // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. - Муром: ВлГУ, 2014, №2 (вып. 14). - С. 5-12.

Лыонг Чияь Ван

ГИБРИДНЫЕ АЛГОРИТМЫ ОЦЕНИВАНИЯ КООРДИНАТ

ИСТОЧНИКА РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ НЕПОДВИЖНОГО И ПОДВИЖНОГО ПУНКТОВ ПРИЕМА

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Отпечатано ГНУ ВНИМС,

Рязань, Щорса 38/11 Формат бумаги 60x84 1/16. Печатных листов 1. Заказ № Тираж 100 экз.

31 марта 2014 г.

РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

Лыонг Чинь Ван ГИБРИДНЫЕ АЛГОРИТМЫ ОЦЕНИВАНИЯ КООРДИНАТ

ИСТОЧНИКА РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ НЕПОДВИЖНОГО И ПОДВИЖНОГО ПУНКТОВ ПРИЕМА

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальностям 05.12.04 - «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения», 05.12.14 - «Радиолокация и радионавигация»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Паршин Юрий Николаевич

Рязань 2014

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ 2

ВВЕДЕНИЕ 5

1. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ИСТОЧНИКА РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 11

1.1. Определение местоположения источника радиоизлучения 11

1.2. Структура пассивной РТС определения местоположения источника радиоизлучения 28

1.3. Постановка задачи исследования 31

1.4. Выводы 33

2. РАЗРАБОТКА И АНАЛИЗ АЛГОРИТМОВ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ ИСТОЧНИКА РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ 35

2.1. Триангуляционный алгоритм измерения координат источников радиоизлучения 35

2.1.1. Пространственная структура пассивной двухпозиционной РТС

для реализации триангуляционного алгоритма 35

2.1.2. Разработка триангуляционного алгоритма измерения координат источника радиоизлучения 36

2.1.3. Анализ триангуляционного алгоритма измерения координат источника радиоизлучения 38

2.2. Гиперболический алгоритм измерения координат источника радиоизлучения 45

2.2.1. Пространственная структура пассивной двухпозиционной РТС

для реализации гиперболического алгоритма 45

2.2.2. Разработка гиперболического алгоритма измерения координат источника радиоизлучения 46

2.2.3. Анализ гиперболического алгоритма измерения координат источника радиоизлучения 48

2.3. Гибридный алгоритм ТБОА-АОА измерения координат источника радиоизлучения 53

2.3.1. Пространственная структура пассивной двухпозиционной РТС

для реализации гибридного алгоритма ТООА-АОА 53

2.3.2. Разработка гибридного алгоритма ТООА-АОА измерения координат источника радиоизлучения 54

2.3.3. Анализ гибридного алгоритма ТООА-АОА измерения координат источника радиоизлучения 56

2.4. Статистические методы оптимальной оценки координат источника радиоизлучения 61

2.4.1. Влияние ошибок на измерение координат источника радиоизлучения гибридным алгоритмом ТООА-АОА 61

2.4.2. Метод наименьших квадратов оптимальной оценки координат источника радиоизлучения 61

2.4.3. Алгоритмы метода максимального правдоподобия оптимальной оценки координат источника радиоизлучения 62

2.4.4. Анализ эффективности предлагаемых алгоритмов измерения координат источника радиоизлучения 68

2.5. Выводы 78

3. ГИБРИДНЫЕ АЛГОРИТМЫ ТООА-АОА ОПТИМАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ КООРДИНАТ

МАНЕВРИРУЮЩЕГО ИСТОЧНИКА РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ 81

3.1. Постановка задачи 81

3.1.1. Пространственная структура пассивной двухпозиционной РТС

для реализации гибридного алгоритма ТООА-АОА 81

3.1.2. Математическая модель параметров движения маневрирующего источника радиоизлучения и модель измерения 82

3.2. Гибридные алгоритмы ТООА-АОА оптимальной оценки координат маневрирующего источника радиоизлучения 84

3.2.1. Рекуррентный гибридный алгоритм ТООА-АОА оптимальной оценки координат маневрирующего источника радиоизлучения 84

3.2.2. Нерекуррентный гибридный алгоритм ТООА-АОА эффективной оценки координат маневрирующего источника радиоизлучения 89

3.2.3. Комплексированный гибридный алгоритм TDOA-AOA оптимальной оценки координат маневрирующего источника радиоизлучения 92

3.3. Разработка варианта технической реализации комплексированного гибридного алгоритма TDOA-AOA на ПЛИС 105

3.3.1. Краткая характеристика ПЛИС серии Virtex фирмы Xilinx 105

3.3.2. Предложение отладочной платы микросхемы Virtex-II Pro ХС2 VP30-4FF1152 С 109

3.3.3. Техническая реализация комплексированного гибридного алгоритма TDOA-AOA на отладочной плате микросхеме Virtex-II Pro ХС2 VP30-4FF1152 С 112

3.4. Выводы 122 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 124 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 127 ПРИЛОЖЕНИЕ I. СПИСОК АББРЕВИАТУР И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 141 ПРИЛОЖЕНИЕ II. АКТ О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ 144

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

В настоящее время широкое распространенное получили радиотехнические устройства, являющиеся источниками радиоизлучения, что создает взаимные помехи. В частности, эти радиотехнические устройства создают мощные помехи для систем радиовещания, телевидения и навигации. Для повышения помехоустойчивости работы необходимо определять местоположение этих источников радиоизлучения, что позволяет обеспечить электромагнитную совместимость путем рационального пространственного размещения радиотехнических систем. Для определения местоположения источников радиоизлучения широко применяются пассивные радиотехнические системы (РТС). Отличием пассивной РТС от активной является отсутствие излучения зондирующих сигналов, что не изменяет электромагнитную обстановку в районе расположения радиосистем и не влияет на работу других радиотехнических средств. Кроме того, приём пассивной РТС радиоволн, отражаемых земной и водной поверхностями, может быть использован для обзора местности в навигационных целях. Таким образом, задача определения местоположения источника радиоизлучения пассивным РТС является актуальной.

Задача определения местоположения источника радиоизлучения является предметом интенсивных исследований многих ученых и научных коллективов. В работах Я.Д. Ширмана, Ю.Г. Сосулина, B.C. Черняка, B.C. Кондратьева, В.И. Меркулова, В.Б. Алмазова, В.Я. Аверьянова, HJ. Du, P.Y. Lee, Li Cong, Weihua Zhuang, Ali Broumandan, Tao Lin, John Nielsen, H.C. Schau и др. исследованы оптимальные алгоритмы определения координат источника радиоизлучения. Однако для реализации этих алгоритмов необходимы большое количество неподвижных пунктов приема, а также априорная информация о параметрах движения источника радиоизлучения.

В работах HJ. Du и P.Y. Lee исследован гибридный алгоритм TDOA-AOA определения координат неподвижного объекта с применением только двух подвижных пункта приема. Однако эти алгоритмы не позволяют производить определения координат подвижных объектов в любой точке траектории движения, так

как результатом их работы являются координаты неподвижного объекта в дискретных точках траектории.

В настоящее время задачи разработки и исследования алгоритмов определения координат движущегося источника радиоизлучения решены не полностью. Поэтому тема диссертации, посвященная разработке гибридных алгоритмов TDOA-AOA на основе комбинации гиперболического (TDOA - Time Difference of Arrival) и триангуляционного (АОА - Angle of Arrival) алгоритмов с использованием методов статистического оценивания для повышения точности определения координат подвижных источников радиоизлучения при наличии случайных ошибок измерений в результате действия помех в пассивной РТС является актуальной.

Цель работы

Основной целью работы является разработка гибридных алгоритмов TDOA-AOA, обеспечивающих повышение точности определения пространственных координат источников радиоизлучения пассивной двухпозиционной РТС с неподвижным и подвижным пунктами приема в условиях действия случайных ошибок измерений и неполноты априорных сведений.

Для достижения цели работы поставлены и решены следующие задачи:

1) Обоснование оптимальной пространственной структуры пассивной РТС определения местоположения источника радиоизлучения, в том числе размещение пунктов приема, а также маневренности пунктов приема с использованием статистических методов обработки данных и определения координат.

2) Разработка модели измерений и алгоритмов определения координат источника радиоизлучения таких, как гиперболический, триангуляционный и гибридный TDOA-AOA алгоритмы при использовании неподвижного и подвижного пунктов приема.

3) Модификация алгоритмов статистического оценивания для повышения точности определения пространственных координат источника радиоизлучения на основе гибридного алгоритма TDOA-AOA и статистического оценивания при действии случайных ошибок измерений.

4) Разработка гибридных алгоритмов ТООА-АОА оптимального оценивания координат и параметров движения маневрирующего источника радиоизлучения при использовании подвижного пункта приема в условиях действия случайных ошибок измерений, случайных возмущений траектории и неточности начальной оценки координат и параметров движения.

5) Разработка варианта технической реализации полученных алгоритмов с использованием программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).

Методы исследования

Для решения поставленных в диссертации задач использовались методы статистической радиотехники, математической статистики, теории оптимального статистического оценивания, матричного исчисления, методов вычислительной математики, параметрического моделирования случайных процессов. Данные теоретические методы сочетались с анализом полученных алгоритмов методом статистического моделирования.

Обоснованность научных положений и достоверность результатов исследований подтверждается согласованностью результатов теоретических исследований и компьютерного моделирования, а также согласованием полученных результатов с известными результатами в частных случаях.

Основные положения, выносимые на защиту

1) Гибридный алгоритм ТООА-АОА определения координат подвижного источника радиоизлучения при применении пассивной двухпозиционной РТС с неподвижным и подвижным пунктами приема, что позволяет определять пространственные координаты и параметры движения (скорость, ускорение и др.) на интервале наблюдения траектории с высокой точностью.

2) Алгоритмы статистического оценивания на основе гибридного алгоритма ТООА-АОА и статистических методов, позволяющие уменьшить погрешность определения пространственных координат источника радиоизлучения на (19,1-г 40,7)% в условиях действия случайных ошибок измерений и неполной априорной информации.

3) Статистический алгоритм квазиоптимального оценивания координат источника радиоизлучения на основе гибридного алгоритма ТООА-АОА и методов статистического оценивания, позволяющий уменьшить вычислительные затраты на 50% при действии случайных ошибок измерений и неполной априорной информации о параметрах движения объекта.

4) Комплексированный гибридный алгоритм ТООА-АОА оптимального оценивания пространственных координат маневрирующего источника радиоизлучения на основе комбинации рекуррентного и нерекуррентного гибридных алгоритмов ТООА-АОА, динамической модели движения при применении пассивной двухпозиционной РТС с неподвижным и подвижным пунктами приема, позволяющий уменьшить погрешность определения координат на 28,5% в условиях действия случайных ошибок измерений, возмущений траектории и неточности начальной оценки параметров движения.

Научная новизна

В рамках данной диссертационной работы получены следующие новые научные результаты:

1) Предложен гибридный алгоритм ТООА-АОА измерения координат источника радиоизлучения при применении пассивной двухпозиционной РТС, отличающийся тем, что используется неподвижный и подвижный пункты приема, что позволяет определить пространственные координаты и параметры движения (скорость, ускорение и др.) подвижного источника радиоизлучения при значительно меньшем числе пунктов приема.

2) Обосновано комплексирование рекуррентного и нерекуррентного гибридных алгоритмов ТООА-АОА оценки пространственных координат и параметров движения маневрирующего источника радиоизлучения при применении пассивной двухпозиционной РТС с неподвижным и подвижным пунктами приема, отличающийся тем, что на начальном этапе оценивание производится рекуррентным алгоритмом, а на последующих этапах оценивание производится нерекуррентным алгоритмом, причем результаты оценивания на первом этапе являются начальными условиями для оценивания на последующих этапах.

Научное и практическое значение

Полученные результаты целесообразно использовать в пассивных РТС для повышения точности оценивания координат движущегося источника радиоизлучения с помощью подвижного пункта приема в условиях действии случайных ошибок измерений и параметрической априорной неопределенности.

Апробация работы

Научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях:

1) Научный семинар кафедры радиотехнических устройств Рязанского государственного радиотехнического университета в 2012 - 2014 г.г.

2) 42-я научно-техническая конференция преподавателе и сотрудников РГРТУ, Рязань, РГРТУ, 2012 г.

3) XVII всероссийская научно-техническая конференция студентов, молодых и специалистов «Новые информационные технологии в научных исследованиях -НИТ-2012», Рязань, РГРТУ, 2012 г.

4) XVIII всероссийская научно-техническая конференция студентов, молодых и специалистов «Новые информационные технологии в научных исследованиях - НИТ-2013», Рязань, РГРТУ, 2013 г.

5) VII всероссийская научно-техническая конференция «Радиолокация и радиосвязь», Москва, ИРЭ РАН, 2013 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 9 работ. Из них 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК, 2 статьи в межвузовских сборниках научных трудов, 4 тезиса докладов на конференциях.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех раздела, заключения, списка литературы из 140 источников, приложения. Диссертация содержит 144 стр., в том числе 122 стр. основного текста, 21 таблица, 45 рисунков.

Благодарность. Автор выражает искреннюю признательность своему научному руководителю д.т.н., проф. Паршину Ю.Н. за неоценимую помощь и огром-

ную моральную поддержку, оказанную в процессе работы над диссертацией. Выражаю особую благодарность РГРТУ и компании ХИТАКО за представление возможности заниматься научной деятельностью в России, а также коллегам по научной работе в РГРТУ за полезные научные дискуссии.

1. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ИСТОЧНИКА РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1. Определение местоположения источника радиоизлучения

Первые в истории попытки разработки методов пассивного определения координат источников радиоизлучения сводились к пеленгации источников радиоизлучения с помощью нескольких пунктов приема с последующей обработкой данных в центральном пункте обработки сигналов. Данный метод получил название триангуляционного метода [1,2] и основан на измерении угловых координат источника радиоизлучения с помощью нескольких пунктов приема с известными коорлинатами, расположенных в различных точках пространства, и использовании тригонометрических соотношений для определения положения источника ра-диоизлуения в пространстве. В 1969 г. в Англии была создана однобазовая триангуляционная система с базой порядка 100 км. Двухбазовая триангуляционная система с базой порядка 40 км разрабатывалась в 1970-е г.г. в США. Однако широкого распространения триангуляционный метод не получил из-за невозможности обеспечить необходимые точность и разрешение по пространственным координатам вследствие недостаточного углового разрешения.

Вместе с тем другие преимущества пассивных систем по сравнению с активными стимулировали исследования в области пассивного обнаружения и определения координат источника радиоизлучения [1,2]. Наибольшее внимание привлек гиперболический метод, основанный на измерении разности времени прихода сигналов до каждого из пунктов приема [2,3]. Этот метод позволяет использовать как по импульсные, так и непрерывные радиосигналы, в том числе шумовые и шумоподобные. Особенно эффективен он в случаях, когда для вычисления разности времени прихода применяется корреляционная обработка, при которой вид принимаемых сигналов не имеет значения [3]. В Чехии был создан первый опытный образец для отработки технологии реализации корреляционного метода обработки сигналов в 1963 году [4,5], на основе которого появился серийный образец пассивной системы РИР-1 "Корас" (Ргевпу Каё^есЬтску РаСгас - точный радиотехнический обнаружитель). Система состояла из четырех кабин,

размещавшихся на полуприцепах, буксируемых среднетоннажными грузовыми автомобилями Praga. Время развертывания PRP-1 "Корас" составляло несколько дней. В системе использовались аналоговые комплексы обработки сигналов, волноводы и коаксиальные технологии. Комплекс PRP-1 "Корас" был способен обнаруживать радиолокаторы, работавшие в диапазонах длин волн L, S и X, бортовые ответчики и ответчики навигационной системы TACAN (Tactical Air Navigation). Комплекс был способен сопровождать от одной до шести целей [4,5].

Вместе с тем, все используемые в настоящее время пассивные РТС реализуют один из принципов многопозиционной радиотехнической системы (МП РТС) [6]. Существенный вклад в развитие теории и принципов построения МП РТС внесли Черняк B.C., Аверьянов В.Я., Ширман Я.Д., Алмазов В.Б., Манжос В.Н., А. Фарина, Ф.А. Студер и др. [6-16]. Анализ соде