автореферат диссертации по транспорту, 05.22.14, диссертация на тему:Методы статистической аттестации радиотехнических систем гражданской авиации

ФЕДЕРАЛЬНАЯ АВИАЦИОННАЯ СЛУЖБА РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

На правах рукописи

Михайлов Борис Владимирович

МЕТОДЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ АТТЕСТАЦИИ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

Специальность: 05.22 14 - Эксплуатация воздушного транспорта

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1998

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете гражданской авиации

Научный руководитель - действительный член Академии

транспорта РФ,

доктор технических наук, профессор Логвин А И

Официальные

оппоненты - Заслуженный деятель науки и техники РФ,

лауреат Государственной премии, доктор технических наук, профессор, Майоров А В.

- Кандидат технических наук, доцент Емельянов В Е

Ведущая организация - указана в решении Совета

9

Зашита диссертации состоится — апреля 1998 г. в 15 ч

на заседании диссертационного Совета Д072.05.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Московском государственном техническом университете гражданской авиации по адресу: 125838, Москва, Кронштадтский б-р, д 20 .

а

Автореферат разослан марта 1998 г

Ученый секретарь диссертационного Совета Д072.05.01

профессор, доктор технических наук С К Камзолов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Акту «льне* тт. работы

На эксплуатацию в предприятия гражданской авиации (ГА) России поступают достаточно сложные радиотехнические системы и комплексы. Качество их функционирования в значительной степени влияет на организацию воздушного движения и на безопасность полетов. Необходимо отметить, что не всегда тактико-технические характеристики радиотехнических систем ( РТС ) и радиотехнических комплексов ( РТК ) , указанные в паспортных данных предприятий-изготовителей будут соответствовать тем, которые реально получаются в условиях эксплуатации. Это связано во-первых, с особенностями конкретного размещения радиотехнического оборудования на местности, во-вторых, со спецификой функционирования РТС и РТК в изменяющихся условиях эксплуатации. Под термином «изменяющиеся условия Зэксплуатации» можно понимать все многообразие факторов, которые влияют на условия функционирования радиотехнического оборудования. Однако здесь будем понимать условия эксплуатации в двух аспектах. Одним из таких факторов является электромагнитная обстановка в зоне действия данной РТС. Эта электромагнитная обстановка может существенно меняться в зависимости от времени года, времени суток и некоторых иных причин. Другим существенным фактором является изменение значений информационных параметров принимаемых сигналов, связанное с изменением помеховой обстановки в зоне действия РТС и РТК. Например, воздействие метеопомех на радиолокационные сигналы, воздействие на эти же сигналы отражений от подстилающей поверхности, свойства которой могут меняться в зависимости от погодной ситуации. Возможны и другие причины изменения помеховой ситуации в зоне действия конкретной РТС.

Отсюда вытекает актуальная и важная научная задача обеспечения требуемого качества функционирования РТС в изменяющихся условиях эксплуатации, обусловленных наличием мешающих отражений, активных и пассивных помех, изменением условий распространения радиоволн и т.д.

Цель работы

Целью работы является разработка методов статистической аттестации различных радиотехнических систем гражданской авиации непосредственно в процессе их эксплуатации, причем статистическая аттестация РТС подразумевает оценку качества функционирования этих систем в конкретных эксплуатационных условиях.

Поставленная цель достигается решением следующих основные задач:

1. Разработка методов оценки качества функционирования радиотехнических систем в процессе эксплуатации.

2. Разработка методов статистической аттестации РТС на основе оценки параметров электромагнитной обстановки и информационных параметров сигналов

3 Применение разработанных методов статистической аттестации для РТС различного назначения, эксплуатируемых в ГА

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

1 Предложены методы оценки качества функционирования РТС в различных условиях эксплуатации

2. Разработаны конкретные методы ст атистической аттестации РТС на основе оценок параметров электромагнитной обстановки

3. Предложены методы статистической аттестации РТС на основе оценок информационных параметров сигналов.

4 Исследованы особенности применения методов статистической аттестации для различных типов РТС ГА .

Практическая значимость работы состоит п том, что полученные результаты позволяют:

1. Количественно оценивать качество функционирования РТС в различных условиях эксплуатации.

2. Выполнять статистическую аттестацию РТС на основе анализа параметров электромагнитной обстановки.

3. Проводить статистическую аттестацию РТС путем получения оценок информационных параметров сигналов

4. Применять методы статистической аттестации для разных типов РТС ГА .

На защиту выносятся методы статистической аттестации РТС ГА в различных условиях эксплуатации для обеспечения требуемою качества их функционирования

Апробация

Результаты работы докладывались на Международном симпозиуме ЯТСА ( США ) в 1994 г., на Международной конференции АТСА ( Гонконг ) в 1994 г., на 3-м Международном авиационном форуме ( Великобритания ) в 1997 г, на Международной НТК « Современные научно-технические проблемы ГА » ( Москва ) в 1996 г , на межкафедральных семинарах МГТУ ГА в 1995-1997 гг.

Внедрение

Результаты работы внедрены в ГосНИИ « Аэронавигация», в НТУ ФАС РФ, на заводе 408 ГА, о чем имеются соответствующие акты о внедрении

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 14 работ. Структура и объем диссертации

Работа состоит из Введения, трех разделов, Заключения и списка цитируемой литературы.

Общин объем диссертации составляет 117 страниц и включает 10 рисунков, -таблиц. Список цитируемой литературы содержит 55 наименований.

КРА ТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Во Введении обосновывается актуальность проводимых исследований, дается общая постановка задачи, решаемой в диссертации и приводится аннотация работы

1.Проблема оценки качества функционирования радиотехнически! систем в процессе эксплуатации

Практически все РТС и РТК, применяемые в ГА являются в той или иной мере измерительными системами Прежде всего это относится к радиолокационным и радионавигационным системам. В таких РТС производится измерение определенных параметров окружающей среды в широком смысле этого слова. Измерения выполняются на основе извлечения информации из электромагнитной волны, приходящей в приемное устройство. Радиолокационные системы дают измерение координат движения летательных аппаратов ( ЛА ) и их скоростей. Кроме того, измерение некоторых параметров электромагнитной волны позволяет в радиолокационных системах классифицировать ( идентифицировать ) ЛА и в определенных случаях определять их конфигурацию. Радионавигационные системы проводят измерения для определения местоположения соответствующего объекта на основе получаемой информации из радиосигналов.

Несколько иначе следует рассматривать радиосвязные системы ГА. В этих системах не проводится измерение параметров электромагнитной волны для получения какой-либо информации, а радиосигнал используется только для переноса необходимой информации. Однако для достоверной передачи информации необходимо проводить оценки, так называемых, сопутствующих параметров, не являющихся информационными, но влияющими на качество приема информации. Проведение таких оценок также является измерительным процессом. Поэтому, в оговоренном смысле, система радиосвязи или система передачи информации, также являются измерительными системами.

Вопросы оценки качества функционирования РТС в изменяющихся условиях эксплуатации приложимы ко всем видам РТС, эксплуатируемым в . ГА. Поэтому все три основные разновидности РТС в ГА, а именно: радиолокационные, радионавигационные и радиосвязные, в рамках поставленной задачи, можно рассматривать с единых позиций, но с учетом их специфических отличий и особенностей.

В процессе взаимодействия излучаемого сигнала с окружающей средой формируется некоторый принимаемый в РТС сигнал При этом принимается, что все РГС, как измерительные системы, осуществляют измерения на некотором конечном временном интервале наблюдения

Прямым назначением приемной системы является формирование, исходя из полученных данных оценок X е Л параметров сигнала X , которые являются полезным выходом измерительной РТС. Для обеспечения адаптации и наилучшего согласования измерительной РТС в изменяющихся условиях эксплуатации целесообразно дополнительно формировать оценки несущественных параметров и оценки качества функционирования РТС а е А. Такая оценка качества функционирования РТС и составляет понятие « статистическая аттестация РТС».

Особенностью данного исследования является то, что в большинстве случаев при теоретическом рассмотрении различных РТС методами синтеза ищутся наилучшие ( в оговоренном смысле ) алгоритмы и структуры обработки принимаемых радиосигналов Здесь же мы имеем дело с конкретными системами ГА, находящимися на эксплуатации, поэтому основной и единственной задачей является задача анализа процесса функционирования этих систем в изменяющихся условиях эксплуатации. Для этого необходимо ввести оценки качества функционирования измерительных РТС

Способность РТС выполнять поставленные перед ней задачи в процессе функционирования должна иметь некоторое количественное выражение, которое следует принять в виде оценки качества функционирования РТС в процессе эксплуатации Максимум ( или минимум ) такого показателя образует критерий оценки качества функционирования Для оценки качества функционирования в большинстве случаев принимают вероятность появления какого-либо события, либо математическое ожидание некоторой выбранной случайной величины

Для количественной оценки качества функционирования РТС введены мгновенные и интервальные показатели, а именно, математическое ожидание качества функционирования системы в некоторый момент времени, либо математическое ожидание выходного эффекта в шгтервале времени; коэффициент снижения качества функционирования для момента времени, либо для временного интервала. В качестве коэффициента снижения качества функционирования системы принимается от ношение математического ожидания качества функционирования данной системы к наибольшему возможному значению качества функционирования некоторой идеализированной системы Соответственно критерием качества функционирования РТС является минимум разности математических ожиданий показателей качества функционирования реальной и некоторой идеализированной РТС при условии сохранения других показателей неизменными. Критерий качества функционирования может быть сформулирован как отношение соответствующих показателей.

Таким образом введенные показатели качества функционирования показывают, насколько данная РТС в данный момент времени или в интервале времени соответствуег эксплуатационно-тактическим характеристикам, заложенным в РТС при изготовлении Можно иначе рассмотреть вопрос о качестве функционирования РТС в процессе эксплуатации. Условия эксплуатации можно классифицировать, как идеализированные, типовые и изменяющиеся. Под идеализированными условиями эксплуатации будем понимать случай, когда полезный сигнал является детерминированной функцией времени и своих параметров, а в качестве шумового воздействия рассматривается белый гауссовский шум. Для типовых условий эксплуатации принимается модель полезного сигнала как для идеализированных условий, а для шумовых воздействий принимается модель

узкополосного шума в сумме с некоторым набором действующих на входе приемннка помех. Изменяющиеся условия эксплуатации предполагают модель полезного сигнала в виде стохастического процесса, в общем случае нестационарного и коррелированного, а для шумовых воздействий принимается аналогичная модель В то же время для изменяющихся условий возможны и более простые модели ( стационарные, некоррелированные ), но в любом случае более сложные, чем для типовых условий эксплуатации. В рамках перечисленных моделей эксплуатации возможны различные модификации

Тогда мгновенные и интервальные показатели качества функционирования РТС представляются в форме отношений математических ожиданий выходных эффектов систем для различных условий эксплуатации, т.е. качество функционирования системы в определенных условиях эксплуатации оценивается по отношению к качеству функционирования этой же системы в других условиях эксплуатации. В результате получения таких оценок можно делать соответствующие выводы о целесообразности проведения определенных действий ( адаптации систем, изменения режимов работы и т.д. ) с целью, например, сведения изменяющихся условий эксплуатации к типовым с точки зрения функционирования приемных устройств РТС. Предлагаемая модифицированная оценка качества функционирования РТС в изменяющихся условиях эксплуатации есть обобщенный показатель, учитывающий не только качество функционирования данной РТС в типовых условиях эксплуатации, но и качество функционирования этой же РТС в нетиповых (изменяющихся, сложных ) условиях эксплуатации.

Следует отметить, что программа эксплуатации сложной системы, каковой является любая РТС ГА , предусматривает учет различных режимов работы, перестройку структуры системы при возникновении нарушений, модернизацию и т.д. Целесообразность учета различных режимов работы оборудования в процессе эксплуатации не получила до настоящего времени обоснованной количественной оценки.

С этой целью вводятся показатели, которые характеризуют качество функционирования данной эксплуатируемой системы по отношению к ней самой, если ее показатели в результате определенных технических и организационных мероприятий превышают показатели известных систем. Такие показатели целесообразно назвать показателями эффективности использования системы. Близость данных показателей к максимальному значению, во-первых, показывает целесообразность проведения тех мероприятий , при которых показатели системы повышаются, во-вторых, дает оцнку степени приближения эксплуатируемой системы к оптимизированной ( по определенным критериям ). Если среди перечисленных выше показателей качества функционирования имеются абсолютные и относительные показатели, то показатели эффективности использования РТС по своему смыслу должны быть только относительными. Поэтому показателями эффективности использования какой-либо системы есть отношение качества функционирования данной системы в определенных условиях эксплуатации к возможно более высокому уровню функционирования, достигаемому при оптимизации режимов ее работы, либо при модернизации рассматриваемой системы в тех же условиях эксплуатации Соответственно, эти показатели могут определяться в типовых условиях эксплуатации и в изменяющихся. При этом предполагается, что эффективность использования идеализированной системы равна единице. Главная задача показателя эффективности использования систем состоит в том, чтобы продемонстрировать уровень возможного совершенствования системы на основе цсрофщищу рзер^тых дрртржерий науки и

техники, если в выпускаемой аппаратуре эти достижения по каким-либо причинам не применяются В результате в работе предложено использовать следующие показатели эффективности использования систем средняя эффективность использования системы, средний коэффициент снижения эффективности использования и среднее квадратическое отклонение эффективности использования

В работе рассмотрен вопрос о выборе показателей, характеризующих качество функционирования РТС или ее выходной эффект. Принято целесообразным применять использование экстремального значения только одного показателя, являющегося определяющим для данного типа РТС, с наложением на остальные (вспомогательные) показатели определенных ограничений.

Предполагается, что исследуются конкретные РТС ГЛ с вполне

определенными алгоритмами обработки принимаемых сигналов и поэтому с точки зрения оценки качества функционирования РТС в определенных условиях эксплуатации рассматриваются только статистические характеристики оценок информационных параметров X и оценок параметров , определяющих

электромагнитную обстановку а. Причем эти оценки рассматриваются для

конкретных условий эксплуатации. Для каждой из трех моделей условий эксплуатации будут разные значения указанных параметров, определяющих эти условия Соответственно, будут разные значения оценок параметров X и а и их статистических характеристик. Для получения этих оценок были выбраны параметры X для каждого типа РТС, применяемых в ГА, а в качестве параметров а были выбраны параметры, характеризующие ослабление сигнала при его распространении, фазовый сдвиг и интенсивности шумовых воздействий.

2.Статистическая аттестация радиотехнических систем

Целью статистической аттестации измерительных радиосистем и комплексов является оценка качества функционирования этих систем в процессе эксплуатации. Оценке подлежат основные качественные показатели системы, в частности, статистические характеристики ошибок измерения информационных параметров (смещения и дисперсии ). Полагая, что алгоритмы обработки принимаемых сигналов для конкретных РТС ГА известны, можно определить основные качественные показатели системы с помощью известных соотношений Однако во все расчетные соотношения, определяющие качество функционирования РТС, входят параметры, характеризующие электромагнитную обстановку. Для практических задач, решаемых с помощью РТС, эти параметры не являются существенными, так как их знание не требуется для формирования оптимальных или квазиоптимальных алгоритмов обработки принимаемых сигналов По в процессе эксплуатации эти параметры могут непрерывно изменяться, так что при оценке качественных показателей системы ( при ее статистической аттестации ) они должны быть измерены в эксплуатационных условиях Следовательно, при статистической аттестации измерительных радиосистем необходимо совместно с оценкой информационных параметров производить также оценку параметров, характеризующих электромагнитную обстановку. Во втором разделе работы рассмотрен ряд задач статистической аттестации измерительных радиосистем на основе анализа оценок параметров электромагнитной обстановки.

Предполагается, что задана модель принимаемых сигналов, позволяющая найти функцию правдоподобия относительно совокупности параметров, характеризующих

электромагнитную обстановку. Относительно алгоритма работы измер1ггелыюй системы принимается, что оценка параметров а производится по методу максимального правдоподобия или по методу максимума некоторого известного выходного эффекта Пусть параметры, характеризующие электромагнитную обстановку, являются неизменными в пределах N интервалов времени наблюдения При этом для оценок величин параметров а можно воспользоваться наблюдениями за уровнем выходного эффекта для информационных параметров. В результате анализа было показано, что относительная точность оценки энергетического отношения сигнал/ помеха улучшается по мере роста величины самого этого отношения и по мере роста числа интервалов времени наблюдения.

Рассмотрены методы статистической аттестации радиотехнических систем на основе оценок информационных параметров принимаемых сигналов. Прн этом принималось, что выходной эффект системы на множестве всех значений информационного параметра имеет некоторое число максимумов, один из которых является сигнальным, а все остальные помеховыми. В этом случае возможны два вида ошибок, одна из которых определяется смещениями сигнального максимума функции правдоподобия относительно истинного значения параметра, а вторая обусловлена возможностью принятия одного из помеховых максимумов за сигнальный. Ошибки второго вида называются аномальными и они приводят к тому, что без учета ошибок, обусловленных условиями эксплуатации, собственно информационные параметры будут иметь значения, не соответствующие сертификационным требованиям Показано, что аномальными ошибками можно пренебречь, если отношение сигнал / помеха превосходит некоторую пороговую величину, определяемую квадратом функции, обратной интегралу вероятности, и пропорциональной логарифму числа разрешимых элементов в пространстве информационных параметров. Учитывая это, можно принять необходимые меры по устранению аномальных ошибок при определении оценок информационных параметров и тем самым статистическую аттестацию системы фактически проводить в типовых условиях эксплуатации по отношению к информационным параметрам" сигнала.

Рассмотрены общие вопросы статистической аттестации РТС при одновременной оценке информационных параметров и параметров электромагнитной обстановки. Мерой качества аттестации измерительной радиосистемы могут служить статистические характеристики матрицы ковариаций ошибок измерения, например смещение относительно истинного значения и соответствующая дисперсия. Показано, что для статистической аттестации радиосистемы путем оценки параметров X необходимо дополнительно оценить параметры £ и N и найти матрицу ковариаций этих параметров. В результате относительная точность статистической аттестации измерительной РТС определяется относительной точностью оценки энергетического отношения сигнал /помеха, причем эта точность улучшается по мере роста отношения сигнал /помеха при фиксированных значениях шумовой полосы пропускания приемника и длительности интервала наблюдения.

Во втором разделе также рассмотрены вопросы особенностей статистической аттестации различных по назначению радиотехнических систем. Эти особенности связаны, прежде всего с тем, что РТС ГА работают в самых разных частотных диапазонах. Для различных частотных диапазонов необходимо предусматривать свои специфические модели полезных сигналов и помех, особенно это относится к математическому описанию комплекса помеховых воздействий на приемные устройства соответствующей радиосистемы . В определенных случаях аддитивная модель смеси сигналов и помех является вполне удовлетворительной, а в

некоторых случаях наиболее реалистической моделью такой смеси является мультипликативная модель. Кроме того, в некоторых частотных диапазонах модель помехового воздействия в виде аддитивного белого гауссовского шума достаточно адекватна реальной ситуации, а в ряде случаев такая модель неприменима и должна заменяться моделью сосредоточенных помех. Аналогичные замечания относятся и к моделям описания полезных сигналов, приходящих в приемные устройства после прохождения трассы распространения радиоволн. Существенным фактором при проведении статистической аттестации различных РТС ГА является также учет стационарности или нестационарности, коррелированное™ или некоррелированности случайных процессов, которыми являются на практике принимаемые сигналы Ряд перечисленных факторов принят во внимание при рассмотрении конкретных радиотехнических систем

3. Вопросы практического применения методов статистической аттестации радиотехнических систем

Рассматриваются системы передачи информации в различных условиях эксплуатации и для дискретных сигналов получено соотношение для коэффициента снижения качества функционирования системы в виде отношения дисперсии ошибки в приеме одного информационного символа для идеализированных условий эксплуатации к дисперсии ошибки для типовых условий эксплуатации Показано, что по мере увеличения отношения сигнал /помеха коэффициент снижения качества функционирования монотонно увеличивается и после значения |А >10 становится практически постоянным. Это говорит о том, что в идеализированных условиях увеличение отношения сигнал /помеха более резко уменьшает ошибку, чем в типовых. Но при определенном значении отношения сигнал /помеха дальнейшее увеличение этого отношения нецелесообразно, так как изменение вероятности ошибки в идеализированных условиях эксплуатации и в типовых стабилизируется Этот результат получен без учета явления замираний сигналов в радиоканале, что характерно для радиосвязных систем коротковолнового диапазона. Для этого случая также получены соответствующие выражения для коэффициентов снижения качества функционирования системы Ксф1 и Ксф2. Коэффициент Ксф1 относится к случаю сравнения функционирования системы в идеализированных условиях эксплуатации и в типовых, а коэффициент Ксф2 относится к случаю сравнения функционирования систем в типовых и в изменяющихся условиях эксплуатации В первом случае по мере увеличения отношения сигнал / шум Ксф1 уменьшается, т.е. вероятность ошибки в идеализированной ситуации намного быстрее уменьшается с ростом отношения сигнал / шум, чем в типовых условиях. Так как при расчетах часто используют именно идеализированные условия, то при этом получается значительное отклонение оценки вероятности ошибки в приеме одного информационного символа от истинных значений. Вследствие этого необходимо знание параметров электромагнитной обстановки для получения более точных оценок вероятности ошибки. В то же время анализ выражения для Ксф2 показывает, что знание или незнание параметров электромагнитной обстановки для этого случая практически не влияет на величину Ксф2. Это свидетельствует о том, что отсутствие сведений о мгновенных значениях параметров электромагнитной обстановки несколько увеличивает вероятность ошибки, но использование в

решающем устройстве нерегулируемо! о порога решения , величина которого определяется средней ( а не мгновенной ) мощностью сигнала и спектральной плотностью помехи, обеспечивает очень малое различие в значениях вероятностей ошибки.

Для систем радиосвязи ультракоротковолнового диапазона с амплитудной модуляцией показано, что при условии постоянства средней мощности передаваемого сигнала, статистическая аттестация канала радиосвязи зависит только от среднего значения корреляционной функции модулирующего сигнала. Поэтому для оценки качества функционирования системы радиосвязи с амплитудной модуляцией необходимо определять среднее значение корреляционной функции модулирующего сигнала и соответственно принимать решение о степени влияния имеющихся искажений сигнала на качество приема радиосообщений.

Для систем передачи информации определена средняя эффективность использования модернизированной системы, в которой производится дополнительная оценка неинформацнонного параметра на основе использования фильтрации этого параметра. При этом эффективность использования существенно увеличивается в зависимости от качества фильтрации, что определяется отношением сигнал / шум , действующим в системе.

Среди радионавигационных систем , в качестве примера, рассматривались радионавигационные системы, использующие эффект Доплера для оценки смешения частоты радиоимпульса с целью определения скорости воздушного судна В случае таких систем в качестве определяющего параметра была выбрана дисперсия оценки выделяемого параметра для нахождения радионавигационного параметра. Для гауссовского радиоимпульса дисперсия оценки смещения частоты будет тем меньше, чем больше отношение сигнал / шум и чем больше длительность радиоимпульса. Если ввести в рассмотрение модель коррелированного полезного сигнала, то дисперсия оценки смещения частоты уменьшается с увеличением отношения сигнал /шум и с увеличением времени корреляции сигнала. Получено соотношение для коэффициента снижения качества функционирования системы Ксф в виде отношения дисперсии оценки смещения частоты для типовых условий эксплуатации к дисперсии оценки смещения частоты в изменяющихся условиях эксплуатации. Анализ полученного соотношения показал, что увеличение отношения сигнал / шум практически не влияет на дисперсию оценки смещения частоты при малом значении времени корреляции сигнала, а при больших значениях времени корреляции дисперсия оценки в изменяющихся условиях эксплуатации с возрастанием отношения сигнал / шум убывает медленнее, чем в типовых условиях эксплуатации. Отсюда вытекает важный практический вывод, что при малом времени корреляции полезного сигнала статистическая аттестация радионавигационной системы доплеровского типа может выполняться в типовых условиях эксплуатации, т е без учета влияния внешних воздействий, обусловленных электромагнитной обстановкой Эффективность использования по назначению радионавигационных систем можно повысить путем использования адаптивных методов приема и введением эффективных методов фильтрации выделяемых параметров. Эффективность использования системы по назначению будет тем выше, чем выше качество фильтрации выделяемого параметра.

Для радиолокационных систем в качестве определяющего параметра для оценки уровня функционирования системы, также как и в случае радионавигационньд систем, была выбрана дисперсия оценки наиболее

1'г

существенных параметров, таких как временное положение радиоимпульса, определяющее дальность до обнаруживаемого объекта и др. Для оценки эффективности использования по назначению радиолокационной системы в качестве определяющего параметра была выбрана вероятность правильного обнаружения. В качестве модели сигнала была принята модель последовательности колокольных видеоимпульсов, а для мешающего воздействия была принята модель коррелированной нормальной помехи. Получено соотношение для коэффициента снижения качества функционирования системы в виде отношения дисперсии оценки временного положения сигнала при априори неизвестных статистических характеристиках помехи к дисперсии оценки временного положения сигнала при известных статистических характеристиках помехи В первом случае имеем изменяющиеся условия эксплуатации, когда мощность помехи меняется от периода к периоду, а во втором случае получаем типовые условия эксплуатации, когда статистические параметры помехи известны и могут быть учтены при проведении статистической аттестации радиолокационной системы Анализ соотношения для Ксф показал, что по мере нарастания мощности помехи дисперсия оценки временного положения сигнала при условии неизвестности статистических характеристик помехи резко возрастает по отношению к случаю, когда эти статистические характеристики помехи известны. Соответственно, сертификационные требования, предъявляемые к данному типу радиолокационных систем учитывают только типовые условия эксплуатации и изменения мощности помехи, обусловленные электромагнитной обстановкой в зоне расположения системы, будут вызывать невыполнение сертификационных требований в изменяющихся условиях эксплуатации

Для повышения качества функционирования радиолокационной системы в такой ситуации возможно введение в систему специальных устройств для непрерывного измерения мощности помехового воздействия. Естественно, это вызывает дополнительное усложнение приемного устройства радиолокационной системы и поэтому была проведена оценка целесообразности введения этих дополнительных устройств. Для этого случая также была получена соответствующая формула для Ксф, выраженная через величину коэффициента ц , характеризующего изменение мощности помехи и лежащего в пределах от нуля до единицы Анализ показал, что изменение я в пределах от О до 0,9 практически не влияет на дисперсию оценки временного положения сигнала при измерении мощности помехи по отношению к случаю, когда эти мощности известны. Относительное увеличение дисперсии оценки временного положения сигнала не превышает для этого случая величины 5 %, в то время, как использование приемника, не определяющего мощность помех приводит к увеличению дисперсии оценки временного положения сигнала в 1,5 раза, начиная со значений q > 0.6 . Отсюда вытекает, что введение специального устройства измерения мощности помех существенно повышает точностные характеристики радиолокационной системы и позволяет изменяющиеся условия эксплуатации свести к случаю типовых условий, что упрощает проведение процесса статистической аттестации радиолокационной системы.

В данном случае соотношение для Ксф одновременно является и соотношением, определяющим эффективность использования радиолокационной системы, если определяющим параметром считать оценку временного положения сигнала, а под модернизацией системы понимать введение в состав ее приемных устройств специального блок» измерения мощности помехи.

Кроме оценки эффективности использования радиолокационной системы с определяющим параметром в виде дисперсии оценки временного положения сигнала была проведена оценка эффективности использования по определяющему параметру - вероятности правильного обнаружения. Рассматривалась ситуация, когда учитываются условия распространения радиоволн в радиоканале и когда эти условия не учитываются, т е в первом случае на приемной стороне производится оценка параметров, характеризующих изменение электромагнитной волны, во втором - такой оценки не производится. Результаты расчетов показали, что при малых отношениях сигнал / шум повышение качества функционирования системы выделения параметров, характеризующих состояние электромагнитной волны, увеличивает эффективность модернизированной системы, так как в ней практически устраняется рассогласование между приходящей электромагнитной волной и антенной системой радиолокатора. При дальнейшем увеличении отношения сигнал / шум повышение качества функционирования системы выделения параметров, характеризующих состояние электромагнитной волны, сказывается в меньшей степени и при определенных значениях отношения сигнал / шум праютчески на эффективность использования системы не влияет. Отсюда следует, что при больших отношениях сигнал / шум модернизированная радиолокационная система, те. имеющая систему оценки параметров, характеризующих состояние электромагнитной волны, не имеет заметных преимуществ по отношению к данной радиолокационной системе

Основные полученные результаты

1 Показано, что любые радиотехнические системы и комплексы могут рассматриваться , как измерительные системы, условия функционирования которых классифицируются на идеализированные, типовые и изменяющиеся. Введены и обоснованы понятия идеализированных, типовых и изменяющихся условий эксплуатации для типовых и модернизированных РТС ГА. Введены показатели качества функционирования РТС в различных условиях эксплуатации и показатели эффективности их использования по назначению Даны соотношения для определения оценок информационных параметров принимаемых сигналов и оценок параметров, характеризующих условия эксплуатации.

2. Произведен выбор набора информационных параметров принимаемых радиосигналов и набора параметров, определяющих условия эксплуатации РТС для проведения их статистической аттестации .

3.Получены аналитические соотношения для функций правдоподобия относительно параметров, определяющих условия эксплуатации РТС и для совместной оценки информационных параметров и параметров электромагнитной обстановки, определены средние условные квадраты ошибок при выделении информационных параметров, рассчитаны вероятности появления аномальных ошибок и сформулированы условия, когда этими ошибками можно пренебречь.

4 Проанализировано влияние наличия коррелированных шумов в радиоканале на процесс статистической аттестации РТС .

5 Определены коэффициенты снижения качества функционирования систем передачи информации ( включая радиосвязные системы ) , радионавигационных и радиолокационных систем для различных условий эксплуатации.

б.Проанализирована эффективность использования различных РТС и РТК в соответствующих условиях эксплуатации и определены направления повышения эффективности.

7.Рассмотрен выбор определяющих параметров для проведения статистической аттестации каждого типа РТС , применяемых в ГА

Полученные результаты дают возможность сформулировать следующие выводы:

1.Так как практически все виды РТС можно рассматривать, как измерительные системы, основополагающим фактором, определяющим качество функционирования РТС , следует рассматривать ошибки оценки выделяемых параметров радиосигналов.

2 В процессе эксплуатации РТС необходимо непрерывно выполнять оценку условий, в которых функционирует данная РТС , тах как изменяющиеся условия могут не соответствовать типовым, что приводит к возможному невыполнению РТС своих заданных функций. При этом условия эксплуатации РТС следует определять с помощью параметров радиосигналов, зависящих от условий распространения радиоволн на данной трассе и от электромагнитной обстановки на этой же трассе.

3. Изменение условий эксплуатации может потребовать изменения режимов работы конкретной РТС или ее модернизации, если изменение условий эксплуатации характерно для местности, где расположена РТС .

4 В конкретных условиях эксплуатации оценка качества функционирования РТС может выполняться по всем информационным параметрам радиосигнала с помощью соответствующей матрицы ковариаций. При этом показатели качества функционирования РТС могут быть абсолютными и относительными, а показатели эффективности использования РТС всегда будут только относительными.

5. При статистической аттестации РТС в качестве параметров электромагнитной обстановки целесообразно выбрать коэффициент, характеризующий затухание радиоволны на трассе распространения и интенсивность шумовых воздействий, а для получения их оценок возможно использование показателя выходного эффекта в виде интеграла от произведения принятого колебания и полезного сигнала.

6 Оценка дисперсии параметра е пропорциональна оценке интенсивности шума и обратно пропорциональна числу интервалов наблюдения, в которых значения параметров е и N постоянны, а оценка дисперсии параметра N пропорциональна квадрату оценки этого же параметра и обратно пропорциональна числу интервалов наблюдения

7. Средний условный квадрат ошибки при оценке информационных параметров определяется вероятностью аномальных ошибок и теоретически предельной дисперсией ошибки, но аномальными ошибками можно пренебречь, если отношение сигнал / помеха превышает некоторую пороговую величину, определяемую числом разрешимых элементов в пространстве информационных параметров.

8. Относительная точность статистической аттестации измерительной РТС определяется относительной точностью оценки энергетического отношения сигнал / шум, а при наличии в радиоканале коррелированного шума статистическая аттестация измерительной радиосистемы требует оценивания параметров электромагнитной обстановки и параметров корреляционной функции. При этом, если модель принимаемого сигнала включает в себя мультипликативную помеху, то

оценка параметров корреляционной функции является основной при статистической аттестации РТС.

9. По мере увеличения отношения сигнал / помеха в системах передачи информации коэффициент Ксф монотонно увеличивается, а при значениях ц >10 становится практически постоянным, что свидетельствует о том, что в идеализированных условиях эксплуатации увеличение отношения сигнал / помеха более резко уменьшает ошибку в приеме информационного символа, чем в типовых условиях эксплуатации. При наличии замираний в каналах передачи информации по мере увеличения отношения сигнал / шум Ксф снижается, т.е. вероятность ошибки в идеализированных условиях намного быстрее уменьшается с ростом отношения сигнал / шум, чем в типовых.

10 Увеличение отношения сигнал / шум практически не влияет на дисперсию оценки доплеровской частоты r радионавигационной системе при малом значении времени корреляции сигнала, поэтому статистическая аттестация для такого случая может выполняться в типовых условиях, т е без учета влияния внешних воздействий, обусловленных электромагнитной обстановкой

11. Для радиолокационных систем по мере нарастания мощности внешней помехи дисперсия оценки временного положения сигнала при условии неизвестности статистических характеристик помехи резко возрастает по отношению к ситуации, когда эти статистические характеристики известны. Если в радиолокационной системе производится оценка интенсивности внешней помехи, то дисперсия оценки временного положения сигнала практически не отличается от такой же оценки при известных параметрах помехи.

Основное содержание диссертации отряжено и следующих работа!

1. Михайлов Б В. Modernization of the АТС system in Russia. ATCA Int. Conf And Exhib "Partership in Inter АТС System Harmonization and Capacity Enhancement in Pacific Rim." June Hong Kong. 1994

2. Михайлов Б.В. Внедрение УВД через сотрудничество правительства и промышленности В кн: Материалы Международного симпозиума RTCA, Вашингтон, США, ноябрь, 1994.

3. Михайлов Б. В Небо у нас одно - М , Воздушный транспорт, N 27(2210), 1994.

4. Михайлов Б.В. Без России невозможно создание глобальной системы УВД - М„ Воздушный транспорт, N 46 ( 2229 ), 1994

5. Михайлов Б В Информация о работе системы ОВД. В кн.. Информационный бюллетень Министерства транспорта, N 3, 1994, с 3-6.

6. Михайлов Б В О ряде проблем радиотехнического обеспечения ОВД в РФ. В кн.. " Теория и практика совершенствования РЭС ГА ".- М.: РИО МГТУ ГА, 1995, с 3-6.

7 Михайлов Б.В. О функциях Росаэронавигации и Генеральной дирекции по модернизации ЕС ОВД при организации работ по Федеральной программе модернизации ЕС ОВД РФ на период до 2005 г. - В кн.: Информационный бюллетень Министерства транспорта, N 1, 1995, с.14-15.

8. Михайлов Б В. О развитии системы ОВД. В кн.: Информационный бюллетень Министерства транспорта, N2,1995, с. 5-12.

9. Михайлов Б.В. , Соломенцев В В. К вопросу оптимизации развития радиотехнических средств систем ОВД В кн.:" Методы и средства дистанционного радиозондирования." - М . РИО МГТУ ГА, 1995, с.90-96

10. Михайлов Б.В. Статистическая аттестация радиотехнических систем В кн : Тезисы докладов МНТК " Современные научно-технические проблемы ГА ".М.: РИО МГТУ ГА, 1996, с. 177.

11. Михайлов Б.В. Контроль параметров радиотехнических сигналов в процессе эксплуатации. В кн.: Тезисы докладов МНТК " Современные научно-технические проблемы ГА. "- М.: РИО МГТУ ГА, 1996, с. 178

12. Логвин А.И., Михайлов Б.В. Методы оценки эффективности функционирования радиотехнических систем и комплексов. В кн.: " Методы и средства систем дистанционного радиозондирования. "-М.: РИО МГТУ ГА, 1997, с.42-44.

13. Михайлов Б.В. For the Benefit of Russian Aviation. The Journal of Air Traffic Control, January - March, Vol. 39, N 1, 1997, p. 36-37.

14. Михайлов Б.В. Further Development and Implementation on the Federal ES OVD 2005 Upgrading Programme in Russia. 3-rd International Aviation Forum. September, London, UK, 1997.