автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Обработка измерительной информации в системах координатометрии радиоэлектронных средств

На правах рукописи

□озоез134

Хомсков Антон Евгеньевич ^-у.

ОБРАБОТКА ИЗМЕРИТЕЛЬНОМ ИНФОРМАЦИИ В СИСТЕМАХ КООРДИНАТОМЕТРИИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

Специальность 05 13 01 «Системный анализ, управление и обработка информации (в технике и техночогиях)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 МАЙ 2007

Санкт-Петербург 2007

003063134

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» (ГУЛП)

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Мироновский Леонид Алексеевич

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор ШепетаА П

кандидат технических наук Митянин Александр Геннадьевич

Ведущая организация -

ФГУП «Радиочастотный ценгр СевероЗападного Федерального Округа»

Защита состоится «¿у » мая 2007 г в /> часов на заседании диссертационного совета Д 212 233 02 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» по адресу г Санкт-Петербург, ул Б Морская, д 67, ГУАП

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУАП

Автореферат разослан « гз » 2007 г

~ 7

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

/¡Осипов Л А

Общая характеристика работы Актуальность работы Анализ современного состояния и тенденций развития телекоммуникационных технологий свидетельствует об обострении проблемы обеспечения эксплуатационной готовности радиочастотного ресурса к безотказному и корректному обслуживанию пользователей Особую значимость при этом имеет диапазон частот до 30 МГц, где пересекаются не только межрегиональные, но и межгосударственные интересы

На фоне активного внедрения цифровых способов передачи информации и адаптивных методов использования радиочастот, существующие, как правило, автономно действующие региональные системы радиоконтроля высокочастотного (ВЧ) диапазона не в полной мере соответствуют современным требованиям Особую актуальность в связи с этим приобрели проблемы идентификации радиоизлучений множества однотипных унифицированных радиоэлектронных средств (РЭС) Наиболее информативными среди измеряемых параметров в процессе радио контроля в современных условиях являются географические координаты источника радиоизлучений (ИРИ) Однако существующие системы координатометрии ИРИ и реализованные в них алгоритмы обработки измерительной информации часто не соответствуют современным требованиям по точности определения местоположения передатчиков при решении задач радиоконтроля Известные теоретические решения данной проблемы, как правило, ориентированы на применение пеленгаторных антенн с большими пространственными размерами и на длительный электромагнитный конгакт с сигналом контролируемого ИРИ

Поэтому выбор рациональной структуры и алгоритмов обработки координатной информации в системах координатометрии РЭС является важной и актуальной задачей Особую научную и практическую значимость приобретает проблема обеспечения точности определения координат радиоизчучатслей и их идентификации в процессе измерений при ограниченных пространственно-временных ресурсах системы радиоконтроля

Целью работы является повышение точности радиопеленгования при обработке информации в условиях многолучевого электромагнитного воздействия на систему координагометрии и обеспечение идентификации близкорасположенных источников радиоизлучений в диапазоне частот ниже 30 МГц в условиях ограничений на пространственно-временной ресурс

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие основные задачи

• анализ условий функционирования средств координатометрии источников радиоизлучений и их возможностей на примере типичной радиоэлектронной обстановки в Северо-Западном федеральном округе,

• усовершенствование модели системы координатометрии радиоэлектронных средств ВЧ диапазона,

• выбор математического метода обработки координатной информации в условиях сложной сигнально-помеховой обстановки и ограниченных пространственно-временных ресурсов системы радиоконтроля,

• разработка алгоритма обработки пеленговой информации с повышенной точностью в условиях многолучевого и многосигнального воздействия с использованием малоэлементной антенной системы и алгоритма обработки координатной информации о близкорасположенных источниках радиоизлучений, работающих на одной частоте,

• исследование возможностей разработанных алгоритмов путем математического моделирования и натурных испытаний

Методы исследования Исследования, проводимые в диссертационной работе, соответствуют классической схеме исследований в рамках системного подхода

В диссертационной работе использовались методы теории линейной алгебры, математического анализа и теории координатометрии источников радиоизлучений

При выполнении математического моделирования в работе использовались методы статистического моделирования и методы обработки данных

Реализация алгоритмов и компьютерное моделирование осуществлялось с помощью пакета графического программирования Lab View

Основные положения, выносимые на защиту:

• динамическая модель системы координатометрии источников радиоизлучений ВЧ диапазона,

• алгоритм обработки пеленговой информации в условиях многолучевого воздействия при ограничениях на пространственно-временной ресурс,

• алгоритм обработки координатной информации о двух близкорасположенных радиоизяучателях, работающих на одной частоте

Научная новизпа работы. К научным результатам, составляющим новизну диссертации, относятся

• усовершенствованная модель системы координатометрии ИРИ в ВЧ диапазоне, особенностью которой является включение в ее состав модулей динамических описаний радиоэлектронной обстановки, радиоканала, ионосферы, блока обработки и интерпретации результатов координатометрии;

• алгоритм и программа обработки пеленговой информации в условиях многолучевого воздействия в сложной электромагнитной обстановке при ограниченном пространственно-временном ресурсе с применением малоэлементной антенной системы

• алгоритм и программа обработки координатной информации о двух близкорасположенных радиоизлучатетях, работающих на одной частоте

Практическая ценность полученных в диссертации результатов

Практическая значимость полученных результатов, заключающаяся в повышении точности пеленгования и определения местоположения источников радиоизлучений в условиях сложной электромагнитной обстановки, подтверждена актами об использовании предлагаемых алгоритмов и модели системы координатометрии РЭС в опытно-конструкторской работе «Натиск- 1П» НИИ «Вектор» при разработке перспективного комплекса координатометрии источников радиоизлучения в ВЧ диапаюне и в автоматизированной системе управления радиоконтролем Радиочастотного центра Северо-Западного федерального округа

Апробация результатов работы. Публикации

Основные положения диссертационной работы докладывались на 59-ой международной научно-технической конференции, посвященной Дню радио (Санкт-Петербург, 2004г ), международной конференции "Нормативно-правовое регулирование использования радиочастотного спектра «СПЕКТР-2005»" (Сочи, 2005г) и четырех российских конференциях пятая студенческая научно-техническая конференция ГУАП (СПб, 2001 г), седьмая российская научно-техническая конференция по электромагнитной совместимости ЭМС-2002 (СПб, 2002г), восьмая российская научно-техническая конференция по электромагнитной совместимости ЭМС-2004 (СПб, 2004г), восьмая научная сессия ГУАП (СПб, 2005г ) Результаты студе!гческой работы в рамках данной тематики на открытом конкурсе 2002 года на лучшую научную работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в высших учебных заведениях РФ отмечены медалью Министерства Образования РФ

Алгоритмы, выносимые на защиту, апробированы на тематическом семинаре лаборатории компьютерного моделирования кафедры «Вычислительных систем и сетей» СПбГУАП

По теме диссертационных исследований опубликовано 9 печатных работ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и приложений. Работа изложена на 114 страницах машинописного текста и содержит 94 рисунок. Приложения насчитывают 46 страниц. Список литературы содержит 77 наименований.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, определена цель и сформулированы решаемые н работе задачи. Перечислены (голые научные результаты, полученные при выполнении работы, показаны практическая ценность и результаты апробации работы. Приведены основные положения, выносимые па защиту.

К первом разделе анализируются современные возможности и состояние системы координатометрии радиоизлучателей на фоне радиоэлектронной обстановки в СевероЗападном федеральном окру!'« РФ с учетом перспектив ее развития.

Приводятся результаты оценивания частотно - пространственных характеристик радиоэлектронной обстановки и электромагнитного поли, воздействующего на измеритель параметров положения источников радиоизлучения, учитывается международный опыт эксплуатации средств и комплексов определения местоположения источников радиоизлучения. Вскрываются научно-технические проблемы повышения точности КООрдинатометрии источников радиоизлучения и формулируются основные направления исследований:

• разработка алгоритмов обработки пеленговой информации с повышенной точностью в условиях многолучевого и многосигнального воздействия при пространственных и временных ограничениях условий функционирования системы координатометрии;

■ разработка алгоритма обработки координатной информации для разделения близкорасположенных ИРИ, работающих на одной частоте.

Результаты оценивания частотно-пространственных характеристик радиоэлектронной обстановки (рис. 1).

Рис. I Частотной и территориальное распределение РЭС

доказывают, что средствам координатометрии радиоизлучателей приходится функционировать в сложной электромагнитной обстановке. При згом требуемые точности координатометрии ИРИ и разрешающей способности системы в пространственной области не должны быть хуже нескольких километров. Это следуст из анализа распределения минимальных расстояний между источниками радиоизлучения (рис. I), которые являются ограничивающим фактором при идентификации радиоизлучений в процессе ведения радиокоитроля.

Траекторный анализ на основных трассах радиоконгроля показывает, что многолучевое распространение имеет место при приходе в точку приема от одного

источника нескольких электромагнитных волн (лучей), приводящих к интерференционным замираниям сигнала и флуктуациям измеряемого пеленга Амплитуды и фазы поля отдельных лучей определяются условиями среды, в которой они распространяются, а их различие приводит к появлению интерференционной структуры поля, влияющей на условия функционирования измерительных средств

Подтверждено, что для ионосферного канала, являющегося характерным для основных трасс радиоконтроля в диапазоне частот до 30 МГц, важным мешающим фактором является многолучевое распространение радиоволн Исследование условий функционирования системы координатометрии ИРИ произведено на основе ее усовершенствованной модели, обобщенная схема которой приведена на рисунке 2

Рис 2 Обобщенная структура системы координатометрии

С учетом основных параметров частотно-пространственного распределения источников радиоизлучения на территории Северо-Западного федерального округа РФ показано, что на трассах до 1500 км в основном имеет место одно- и двухлучевое распространение волн при преимущественном отражении от слоев Р1 и Р2 (рис 3)

Данные условия распространения радиоволн оказывают существенное влияние на корректность функционирования угломерно-дальномерных измерителей, составляющих основу системы координатометрии РЭС радиочастотной службы РФ

Представленные в работе результаты расчетов показывают, что условия функционирования систем координатометрии РЭС весьма динамичны и зависят от целого ряда факторов уровня солнечной активности, времени суток, частоты сигнала и других физико-географических условий Важным здесь является наличие как крутопадающих, так

и пологих траекторий, а также возможность появления интерференционных явлений, решающим образом сказывающихся на точности измерения параметров положения ИРИ.

F2

иода

Рис. 3 Вероятности появления одно, двух и трех лучевых волн и отражения от слоев ионосферы в точке приема (!)< 1500 км)

Чктчтэ ÍT^ii}

Рис, 4 [ [отечцишп.иая и эксплуатационная погрешности пеленгования н диапазоне частот

Приведенные в работе результаты эксперимента, а так же опыт эксплуатации угломерно-далъномерное комплекса в Центре радиомоииторинга (г. Санкт-11етербург) н период диссертационных исследований показывает, что точность определения координат ИРИ часто не удовлетворяет практическим потребностям системы радии контроля. Это проявляется, чаще всего, к режиме координатометри» РЭС углрмерно-дальномер!¡мм методом из одного пункта, когда результаты далыюмеЕрии в условиях миогосигнадыюго (мпо! о.чученш о) воздействия отличаются от истинных до 50 100%.

Подтверждением влияния условий функционировании пеленгаторов на их точность может служить тот факт, что потенциальные возможности измерительных средств по пеленгованию ИРИ (рис. 4) существенно выше результатов их эксплуатационных по] решшхггей.

ш.....

При этом потенциальная точность определения координат ИРИ с учетом только Инструментальных ошибок пеленге »а пня составляет; для угломерных систем из двух радиопеленгаторов 3.5...4% от дальности; для одного УДК 5...7% от дальности.

Значительная разница между ожидаемыми и реальными результатами чаще всего определяется влиянием помех {мешающих ИРИ) и многолучевостью распространения радиоволн.

Оценка эффективности функционирования существующей пространственно: разнесенной системы коорди i гатометрии (С КМ) про »едена с помощью ее усовершенствованной модели путем сравнения результатов расчета с экспериментальным и данными. В качестве критерия использовано отношение радиуса среднеквадратической ошибки определения моею положения ИРИ к расстояний до излучателя oí точки приема [> (RCÍ/1J). Анализ проведен для различных конфигураций

СКМ четыре и шесть угломерных станций (УС), один УДК, два и три УДК, объединенных в одну сеть Для оценки точности всех анализируемых структур СКМ выбраны единые исходные данные топология размещения пеленгаторных пунктов на местности - линейная, эквидистантная с базой пеленгования В = 700 км, глубина зоны пеленгования D = 150 1400 км

Результаты сравнительного анализа показали, что ошибки определения местоположения на практике в 1,5-2 раза выше, чем расчетные Это свидетельствует о том, что алгоритмы пеленгования и обработки координатной информации, используемые в настоящее время, в значитечьной степени неадекватны реальным условиям

Таким образом, очевидно, что при эксплуатации систем координатометрии ИРИ в ВЧ диапазоне существуют две важные проблемы, требующие своего разрешения

1) возможности алгоритмов обработки измерительной информации в существующих комплексах координатометрии ВЧ диапазона не удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям по точностным показателям, особенно в условиях многосигнального (многолучевого) воздействия, особенно при ограничениях на размеры антенных площадок и длительности электромагнитного контакта с сигналами контролируемых РЭС,

2) характеристики существующих систем координатометрии ИРИ не обеспечивают однозначную идентификацию близкорасположенных источников радиоизлучения

Во втором разделе приводится краткая характеристика основных мегодов оценивания пространственных параметров радиоволн, классифицируются методы измерения параметров положения источников радиоизлучения (рис 5),

Методы оценивания пространственных параметров

Обращение ковариационной матрицы

MLM

AAR

TNA

Параметрические

Авторег- Mjkc ГТрони

рессия энтропии

Собственно структурные

ESPRIT

MUSIC

Рис 5 Классификация методов оценивания пространственных параметров

анализируются их потенциальные возможности и осуществляется выбор метода для решения поставленных задач

При этом, анализ классических методов и алгоритмов пеленгования показал ограничения их применения в условиях моносигнально! о (однолучевого) воздействия, а сравнение возможностей современных методов обработки координатной информации в условиях сложной сигнально-помеховой обстановки и ограниченных ресурсах системы координатометрии РЭС позволило выбрать в качестве базового метода - собственно структурный метод сверхразрешения MUSIC

В третьем разделе развиваются классические методы обработки координатной информации с применением собственно-структурных алгоритмов в условиях ограниченного пространственно-временного ресурса В частности решаются две задачи пеленгование многолучевого сигнала и координатометрия двух близкорасположенных источников

Алгоритм обработ к и пеленговой информации при многолучевом воздействии Современные концепции получения оценок пространственных параметров основаны на использовании корреляционных связей между сигналами, принятыми пространственно разнесенными антенными элементами Они описываются ковариационной матрицей, формируемой в соответствии с выражением

1!хх =Е{хх'}, (1)

где х — [Х[Х2 Хп ]' - вектор отсчетов оцениваемых сигналов в п элементах АС, * - знак эрмитова сопряжения, Е - оператор математического ожидания Для отдельной плоской волны справедливо выражение

где V- амплитуда сигнала, г - вектор пространственных координат, к - волновое число (2пIЛ), у/ - случайная фаза, а>0- круювая частота

При применении классических методов оценки пространственных параметров в этом случае потребуется использование эквидистантной линейной антенной системы (АС) с расстоянием между элементами не превышающим половины длины волны ( с1м < Я/2) Известно, что для разделения N лучей необходимо п=МИ антенных элементов (АЭ) В частности для разделения компонент двухлучевой вотны требуется применение линейной эквидистантной решетки с тремя АЭ

В таком ктассическом представлении не обеспечивается однозначное определение прихода радиоволны в пространстве Для решения данной проблемы обычно используется дополнительная ортогонально размещенная трехэлементная АС Фактически это приводит к применению АС с количеством элементов 2(ЛГ +1) Уменьшение количества АЭ на единицу возможно при совмещении опорных элементов данных гюдрешеток

В работе с целью уменьшения количества пеленгаторных антенн предюжено применение трех элементной АС с ортогональным размещением по сторонам квадрата (рис 6) для пеленгования в условиях воздействия двухлучевой волны с определением, как азимута, так и угла места каждого луча Такая конфигурация АС является типичной во многих существующих пеленгаторах с однолучевым алгоритмом обработки координатной информации

А1 О

О о

АО А2

Рис 6 Трехэлементная АС В этом случае сигнальный вектор 51(1,х,у) описывается выражением

т т

/=-1 1=1

где со - круговая частота сигнала, х, у - расстояние между АЭ (А1 и АО, А2 и АО), и,-амплитуда /-го сигнала,^ - азимут 1-го сигнала, Д - угол места г-го сигнала, у/,(/) - фаза г-го сигнала, I -\,т ,т — количество воздействующих на пеленгатор сигналов

ие

.|(<*+!С, (0)

не

не

1 («-ь — соь^сояД 0)

/ ( со1 б т соэ Д (7)) Л

(2)

Тогда ковариационная матрица (1) примет вид-.

Л = у)-(3)

После разложения ковариационной матрицы на собственные значения и собственные вектора осуществляется выделение шумового и ортогональное*) ему сигнального £,. подпространств.

Опираясь на свойства известного алгоритма Писаренко, можно ошетить, что шумовые собственные векторы матрицы А ортогональны направлениям прихода интерферирующих сигналов. С учетом этого для определения пространственных параметров сигналов ст роится спектр 0(0,/!) {рис. 1) на основе обращенной эрмитовой формы [3|:

¡=ЛГ+1 У;

(4)

где: Р(в,Р) =

I е

Рис. 7 Пространственный спектр 0{в,Р)

Решением задачи пеленгования является нахождение координат экстремумов пространственного спектра С(0, /1)

Таким образом, предлагаемый алгоритм с использованием трехэлементной АС позволяет решать задачу пеленгований лпя основных условий функционирования измерителей (до 90% случаев одно- и двух- лучевого распространения радиоволн).

Функциональная схема алгоритма работ ы пеленгатора представлена на рисунке К.

Л1

О

БПФ =

I1

СОсО е0К1 сосг С1с0 с1с1 СГс2 С2с0 с£с1 с2с2

! >

V I! 1 -/

1 2 3 V

«I |Ш*Л|

Рис. 8 Функциональная схема алгоритма

Во всех предыдущих рассуждения* подразумевалось, что расстояние между антенными элементами (с!) не превышает половины длины волны принимаемого сигнала, т, е. ЛС является узкобазисной; В то же время известно, что размеры АС непосредственно влияют на инструментальную точность пеленгатора. По этой причине необходимо выбирать величину с! достаточной с точки зрение т ребуемых погрешности и разрешающей способности измерителя. При этом возникает проблема устранения неоднозначности измерений разностей фат. Выход, как правило, находится в применении многоэлементной неэквидистантной АС. Для решения этой проблемы предложена 8-ми элементная АС (рис. Ч),

«о ©

А7

у О

Л1 в

© в О О

А" 11 Л2 А)

Рис 9 Конфигурация АС

Данная АС обеспечивает однозначное пеленгование за счет использования антенн А1,А2,А4,А5 для разрешения неоднозначности и восстановления полных разностей фаз измеренных между элементами АС АЗ-АО, АЗ-А7, А6-А0 и А6-А7 Особенностью данной структуры является максимально возможное удаление узкобазисных подрешеток А1, А2 и А4, А5 от основных элементов АС (АО, АЗ, А6, А7) для уменьшения взаимного влияния антенн на точность пеленгования

Пространственное сглаживание ковариационной матрицы при разделении прямых и отраженных лучей или сигнала и помехи при кратковременном электромагнитном контакте с контролируемом РЭС и при жесткой пространственной корреляции обрабатываемых выборок сигналов осуществляется с помощью формирования двух антенных подрешеток (Л0,АЗ,А6 и А7,АЗ,А6)

Обобщенный алгоритм обработки пеленговой информации при многолучевом воздействии приведен на рисунке 10

Рис 10 Обобщенный алгоритм обработки пеленговой информации

Разработанный алгоритм обеспечивает пеленгование многолучевого сигнала в условиях ограниченного пространственного и временного ресурсов.

Однако при использовании данного алгоритма на практике необходимо учитывать, что существуют различные эффекты, связанные с неиденгичностью элементов АС, взаимовлияние между ними, влияние местных предметов и т. д. 'Эти эффекты оказывают наибольшее влияние па точность измерения параметров амплитудно-фазового распределения поля, что приводит к смещению получаемых результатов пеленгования,

В связи с этим приходится отказаться от использования амплитудного распределения при формировании ковариационной матрицы. Предлагается в целях уменьшения этого нежелательного явления применить искусственный прием по приведению ковариационной матрицы к виду, который она имеет при накоплении бесконечной выборки некоррелированных сигналов. При этом энергетические множители элементов ковариационной матрицы выравниваются и мшу г быть вынесены из матрицы.

Алгоритм обработки координатной информации о двух близкорасно;южеиных

р ади ои зл учател я х

Точность существующих и перспективных СКМ, не обеспечивает разделения близкорасположенных объектов, размещенных в пределах эллипса ошибок системы. Это приводит к тому, что они воспринимаются как один объект с соответствующей чрезмерной погрешностью, исключающей правильную идентификацию источников излучений. Очевидно, 410 дли решения данной проблемы необходима разработка алгоритмов обработки координатной информации, основанных на новых методах и свободных от недостатков традиционных подходов.

По результатам работы СКМ за определённый период времени в районе сбора информации можно выделить ряд зон, или, иначе говоря, районов неопределенности, в которых произошла локализация оценок координат ИР И, как показано па рисунке 11.

Обработка координат засечек в каждом из локализованных районов позволяет получить уточненную оценку и характеристику ее точности в виде эллипса ошибок. Однако, подобный подход имеет смысл только в том случае, когда известно, что поле т засечек получено по одному объекту, то есть е ; = \ ..т . В противном случае,

когда выборка координат получена по двум и более объектам Я,} е А',,Х2. -Хг,

[ = 1 ,.т, оценка координат будет произведена неправильно. Очевидно, что обработке координат засечек в районе неопределённости должна предшествовать процедура оценки выборки и Принятия решения о наличии одного или более объектов в данном районе.

Рис. 11 Результаты измерений двух близкорасположенных ИРИ

Предложено рассмотреть систему координат, в которой оси абсцисс соответствует географическая долгота Л, а оси ординат - широта <р Начало координат помещается в опорную точку, соответствующей центру масс Точка наблюдения фиксируется на высоте Я по оси z, как показано на рисунке 12 Тогда вектор , определяемый координатами точек (р0Д0) и (<р,,Л,), будет равен

r,=tftgР

Разложение вектора г( в ортогональном базисе можно представить в виде Г, ~

где = f l tg fJ Sltl a, ri = f i tg ft COS а Очевидно, что любой вектор rt при

Н — const будет однозначно определяться углами а и /? (рис 12)

Ч> 0.^0

о ° О

Рис 12 Иллюстрация выбора системы координат для формирования вектора г1

В этом случае ковариационная матрица для поля засечек будет иметь вид

, гл е

А=1 т

<2л

е '■т е '-'

■1л

е'-' е" т

где м - число засечек

Оценка количества ИРИ в районе и координат их местоположения осуществляется с помощью обращенной эрмитовои формы

б(<м) = ^\а,р)ЕфЬ^{а, /?)}"', (5)

для которой свойственна ортогональность между шумовым подпространством и вектором сканирования (!) при его совпапении с координатами отдельных ИРИ

Таким образом, выражение (5) позволяет определить оценки координат ИРИ путем вычислительной процедуры сканирования моделируемым вектором

£(«,/?) = [1 е1"- с'г"-]' по области решений размером к1хк2, где к\ - размер по а , к2 - размер по Р (рис 12) Обозначим

M (rf ¿=1 Ё"—I rn i t

Тогда для ковариационной матрицы размера 3x3 переход к пространственному спектру имеет следующий вид:

САу>Л) =

Ssirr Лг„я sin3

.V. Л/

[sii^Ar, )- sm(Ar^ ) - sin(Arfc - Лг^ )]

.(6)

На рисунках 13 и 14 показаны двумерные спектры 0((р,Л) для случая моделировании одного и двух ИРИ. При этом разнос между ПРИ составил 13 км. Анализ рисунков показывает, что в первом случае имео место один, а во втором случае два отклика С (1)1, Л), соответствующие местоположению радио излучателей на плоскости. Положения максимумов спектра соответствую! оценкам координат ИРИ,

Рис. 13 Изображение двумерного спектра G(tp, Л) для случая одного ИРИ в районе

Рис. IА Изображение двумерного спектра G(<p,A) дня случая двух ИРИ в районе

Структурная схема алгоритма обработки координатной информации о двух близкорасположенных радиоизлучателях представлена на рисуике 15. Алгоритм включает в себя следующие элементы:

• формирование вектора г. и его разложение в ортогональном базисе;

• вычисление ковариационной матрицы и её разложение в собственном базисе на собственные значения и собственные вектора;

• определение количества ИРИ в районе;

• формирование направляющего вектора

• сканирование вектором Д,)и построение двумерного пространственного спектра;

• определение координат ИРИ;

• сечение спектра и вычисление параметров эллипса ошибок.

Рис 15 Алгоритм обработки координатной информации о двух близкорасположенных

радиоизлучателях

В четвертом разделе проведены исследования возможностей разработанных алюритмов в различных условиях с использованием модели системы координатометрии и натурных испытаний макета пеленгатора

В качестве модели использована усовершенствованная модель системы координатометрии источников радиоизлучений Она позволяет проверить качественные и количественные показатели алгоритмов при различных условиях их функционирования

Достоверность полученных при моделировании результатов проверена с помощью реальной (действующей) системы координатометрии РЭС и комплекса пеленгования, эксплуатирующихся в Радиочастотном центре Северо-Западного федерального округа

Натурные испытания алгоритмов, наряду с проверкой адекватности модели системы, позволяют оценить эксплуатационные погрешности предложенных алгоритмов и влияние неучтенных при исследованиях различных дополнительных факторов

Для исследования возможностей алгоритмов разработаны следующие программные модули в среде Lab View

• модель сигаалыю-помеховой обстановки в диапазоне до 30 МГц с учетом региональной радиоэлектронной обстановкой,

• модель ионосферного распространения радиоволны,

• модель корреляционного радиопеленгатора,

• программа-клиент пеленгования многолучевого сигнала по реальным сигналам с помощью комплекса «Радар-ВЧ»,

• модель обработки информации в пеленгаторной сети

Проведенные исследования на базе модели показали, что разработанный алгоритм пеленгования многолучевого сигнала при максимальных размерах антенной системы 50x50 метров и длительности электромагнитного контакта с сигналом 3-5 секунд позволяет повысить точность пеленгования по сравнению с классическим алгоритмом во всех исследуемых условиях, при этом

• при двухлучевом воздействии условия функционирования для классического алгоритма являются нестандартными и по этой причине среднеквадратические отклонения по азимуту составляют 10о-20°, а по углу места - 6°-8с Наибольшие ошибки (до 80°) наблюдаются в условиях интерференционного замирания сигнала, когда компоненты многолучевой волны находятся в противофазе При пеленговании в данных условиях с использованием разработанного алгоритма ошибки пеленгования компонент многосигнального воздействия составили по азимуту 0,4°-3°, по углу места - 0,5°-3,5°

• при двухлучевом распространении радиоволны и наличии помехи в виде третьего луча иди сигнала посторонней станции с относительно небольшим уровнем (до 5% от уровня пеленгуемого сигнала) установлено, что предлагаемый алгоритм сохраняет свою работоспособность, а возникающие смещения в результатах пеленгования сопоставимы со среднеквадратическими погрешностями пеленгования в условиях двухлучевого воздействия и близки к потенциально достижимым величинам

Одним из практически значимых свойств алгоритма обработки пеленговой информации в условиях сложной электромагнитной обстановки являются его селектирующие возможности, позволяющие выделять из результатов пеленгования существующими средствами данные с минимальными погрешностями Результаты проведенных экспериментов показывают, что использование алгоритма обработки пеленговой информации в условиях многолучевого воздействия для определения количества компонент пеленгуемой радиоволны имеет достаточную эффективность (таблица 1) и позволяет оценивать достоверность результатов пеленгования, как классическим фазовым способом, так и другими алгоритмами Кроме того, он может быть применен для селективного выбора алгоритма пеленгования (без разделения или с разделением лучей) при необходимости оптимизировать пропускную способность комплекса

_Таблица 1

Частота (МГц) 5,93 6,08 9,996

Азимут расчетный 7° 188° 130°

Азимут без селекции / СКО 5,3° / 13,267° 190 5°/18,387° 133,9°/ 15,485°

Азимут с селекцией / СКО 6,8°/0,523° 189,3° /0,935° 132,7°/0,8°

Угол места по прогнозу 13° и 26° 14° и 25° 25° и 40°

Угол места без селекции / СКО 20,2°/9,345° 21,1° /8,563° 34,3°/ 11,342°

Угол места с селекцией / СКО 24,3° / 1,623° 24,8° /1,272° 38,6° /1,924°

Ниже представлены экспериментальные результаты исследований предлагаемого алгоритма при пеленговании передатчиков на частотах 6,12 МГц, 9,996 МГц и 10,1008 МГц (Таблица 2) с использованием поста координатометрии ИРИ с максимальным размером АС - 50м при времени контакта с сигналом не более 2 секунд

_Таблица 2

Частота (МГц) 6,12 9,996 10,1008

Расчетный азимут 289° 130° 246°

Измеренный азимут 289° 129° 245°

Расчетные углы места 55° /68° 14°/38°/64° 18,7°/35°

Измеренный угол места 1-го луча 57° 12° 19°

Измеренный угол места 2-го луча 66° 35° 33°

При пеленговании ИРИ на частоте 6,12 МГц определено, что волна содержит два луча с углами падения 57 и 66 градусов, приходящих с азимута 289 градусов Моделирование данной трассы свидетельствует о наличии 2-х лучевой ситуации с модами РРВ 1Р (150 мкВ/м), 2Г (25 мкВ/м) с углами прихода 55,68 градусов соответственно

При измерениях на частоте 9,996 МГц определено, что волна содержит два луча с углами падения 12 и 35 градусов, приходящих с азимута 129 градусов По расчетам в этот момент должны присутствовать моды 1Е (85 мкВ/м, угол места 14 градусов), 1Г (124 мкВ/м, угол места 38 градусов) и 2Г (7 мкВ/м, угол места 64 градуса)

При измерениях на частоте 10,1008 МГц определено, что волна содержит два луча с углами падения 19 и 33 градусов, приходящих с азимута 245 градусов По расчетам в этот момент должны присутствовать моды 1Г (94 мкВ/м, угол места 18,7 градусов) и 21-' (35 мкВ/м, угол места 35 градуса)

Полученные результаты подтверждают работоспособность алгоритма в реальных условиях при двух- и трех- лучевом распространении радиоволны, при условии незначительного уровня третьего луча (пример на частоте 9,996 МГц) Полученные в ходе эксперимента погрешности близки к потенциально достижимым величинам

Таким образом, результаты экспериментальных исследований показывают реальную возможность построения пеленгатора, способного функционировать в условиях многолучевого распросгранения радиоволн при пространственных ограничениях на размеры площадки для развертывания АС и кратковременном электромагнитном контакте с сигналом контролируемого РЭС

В ходе исследований алгоритма обработки координатной информации о близкорасположенных источниках с помощью модели системы координатометрии установлено, что существенное влияние на ею эффективность оказывают такие факторы, как размер выборки, соотношение объемов выборок, полученных по каждому источнику, угловое разнесение радиоизлучателей, близость закона распределения ошибок измерения координат к нормальному закону, точность системы координатометрии, по результатам работы которой получена выборка {<р,,А,}, 1 = 1,т Все эти факторы взаимосвязаны и оказывают значительное влияние друг на друга

Так, для обеспечения разделения ИРИ с угловым разносом 8в = 0,5° 1,5° в СКМ с точностью 5 10% от удаления ИРИ минимально необходимый объем выборки должен составлять в среднем 20 измерений

Также установлено, что неравномерность объемов выборок, полученных по двум

ИРИ (ти, и т2), слабо сказывается на результатах оценок, а при > 0,4 практически

не оказывает влияния на величину ошибки При этом угловые ошибки определения

координат засечек составили величину 0,2-0,5 градусов, что соответствует линейной ошибке равной 2 5-6 км на дальности 600-700 км

Экспериментальные исследования осуществлялись путем обработки данных, полученных от одного угломерно-дальномерного комплекса при неоднократном измерении координат двух ИРИ разнесенных на 35 км Результаты исследований подтвердили, что уже при 15-20 выборках алгоритм позволяет разделить источники

В заключении приводятся основные результаты, полученные в диссертационной

работе

В приложения вынесены описание модели системы координатометрии источников радиоизлучений, описание модели обработки информации в пеленгаторной сети и описание экспериментального комплекса координатометрии ВЧ диапазона

Основные результаты работы

1 Усовершенствована модель системы координатометрии источников радиоизлучений в диапазоне частот до 30 МГц Ее особенностью является наличие динамических описаний радиоэлектронной обстановки в виде базы данных частотных назначений и зарегистрированных радиоэлектронных средств, многолучевого механизма ионосферного распространения радиовотн, модуля расчета трае]сторных и энергетических характеристик компонент многолучевой радиоволны, модуля измерения пространственных параметров ИРИ и модуля оценивания погрешности измерений Разработаны программные модули модели системы координатометрии источников радиоизлучения

2 Произведен анализ условий функционирования системы координатометрии РЭС в ВЧ диапазоне на трассах радиоконтроля Определено, что до 90% времени измерители координатной информации функционируют при воздействии одно- и двухлучевых сигналов Выявлены причины возникновения погрешностей координатометрии источников радиоизлучении, превышающих допустимые значения, с учетом щраничений на размеры антенных площадок и время электромагнитного контакта с контролируемым РЭС Выбраны основные методы и пути достижения поставленной в диссертационной работе цели

3 Разработан алгоритм обработки пеленговой информации в условиях многолучевого воздействия при ограничениях на пространственно-временной ресурс Его особенностями являются

а применение двумерной антенной системы с минимальным количеством

элементов (и=3) при пеленговании двухлучевой волны, б. объединение в алгоритме методов пространственного и временного сглаживания ковариационной матрицы при пеленговании кратковременных или коррелированных сигналов, в использование модифицированной фазовой ковариационной матрицы, обеспечивающей обработку координатной информации в условиях повышенных погрешностей амплитудных измерений

4 Разработан алгоритм обработки координатной информации о двух близкорасположенных радиоизлучателях, обеспечивающий их локализацию при недостаточной точности пеленгования

5 Проведены имитационное моделирование и экспериментальные исследования разработанных алгоритмов Результаты испытаний подтверждают их работоспособность и повышение точности обработки координатной информации с ее приближением к потенциально достижимой

Публикации по теме диссертации

1 Мироновский J1 А, Хомсков А Е Компьютерная модель радиопеленгации // Пятая студенческая научно-техническая конференция ГУАП Сб тез докл - СПб, 2001 СПбГУАП С 68

2 Мироновский Л А, Хомсков А Е Повышение точности пелеш ования многотучевых сигналов // Сборник докладов седьмой российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости ЭМС-2002 -СПб, 2002 583с БИТУ С 371-374

3 Царик И В , Царик О В, Хомсков А Е Алгоритмы обработки радиосигналов в системах радиомониторинга // Сборник докладов седьмой российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости ЭМС-2002 - СПб, 2002 583с БИТУ С 374-376

4 Хомсков А Е Студенческая работа на открытый конкурс 2002 года на лучшую научную работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в высших учебных заведениях РФ 18с

5 Хомсков А Е Компьютерное моделирование угломерно-далыюмерной системы координатометрии радиоизлучателей // 59-я Научно-техническая конференция, посвященная Дшорадио С-Пб,2004 303с СПбГЭТУ «ЛЭТИ» С 125-127

6 Мироновский J1 А, Хомсков А Е Диагностика параметров модели системы координатомегрни радиоизлучателей в разтичных условиях се функционирования // Сборник докладов восьмой российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости ЭМС-2004 СПб , 2004 642с БИТУ, 2004 С 291-293

7 Хомсков А Е Испочьзование фильтрации в системах координатометрии для повышения точности пеленгования // Восьмая научная сессия ГУАП Сб докладов В 2ч Ч 1 Технические науки/ГУАП СПб, 2005 524с С 123-125

8 Алексеев С М, Абрамов А Ю, Хомсков А Е , Хомсков Е В Автоматизированная система радиоконтроля на базе пеленг аторной сети ВЧ диапазона на больших расстояниях // Электронный сборник докладов конференции «СПЕКТР-2005» 111с Сочи 2005 С 100-106

9 Хомсков А Е Алгоритм пеленгования многолучевого сигнала при ограниченном пространственно-временном ресурсе // Электросвязь №2-2007, - М 2007 С 52-53

Формат 60x84 1\16 Бумага офсетная Печать офсетная Тираж 100 экз Заказ №У2Ь

Редакционно-издательский центр ГУАП 190000, Санкт-Петербург, Б Морская ул , 67

Список сокращений

ВВЕДЕНИЕ

1. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ УСЛОВИЙ И ПРОЦЕДУР ОБРАБОТКИ КООРДИНАТНОЙ ИНФОРМАЦИИ О МЕСТОПОЛОЖЕНИИ ИСТОЧНИКОВ РАДИОИЗЛУЧЕНИЙ В ДЕКАМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ ВОЛН

1.1 Структура системы координатометрии в Радиочастотной службе РФ

1.2 Модель системы координатомтерии

1.3 Анализ условий функционирования системы координатометрии радиоизлучателей

1.4 Возможности существующих средств координатометрии радиоизлучателей

ВЫВОДЫ

2. АНАЛИЗ И ВЫБОР МЕТОДА ОЦЕНИВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ

2.1 Методы оценивания пространственных параметров

2.1.1 Методы с обращением ковариационной матрицы

2.1.2 Параметрические методы

2.1.3 Собственно структурные методы

2.2 Сравнительный анализ методов

2.2.1 Точность оценивания пространственных параметров

2.2.2 Сравнение и выбор метода оценивания пространственных параметров

ВЫВОДЫ

3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ ПРИ ПЕЛЕНГОВАНИИ МНОГОЛУЧЕВОГО СИГНАЛА И КООРДИНАТОМЕТРИИ БЛИЗКОРАСПОЛОЖЕННЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ

3.1 Разработка алгоритма обработки пеленговой информации в условиях многолучевого воздействия

3.2 Задача определения координат близкорасположенных радиоизлучателей

3.2.1 Постановка задачи

3.2.2 Анализ существующих методов пространственного разрешения источников в условиях малой выборки

3.2.3 Особенности применения методов собственных структур в задаче обработки координат засечек

3.2.4 Собственноструктурный алгоритм разделения источников радиоизлучений

3.2.5 Разработка алгоритма обработки координатной информации о двух близко расположенных радиоизлучателей

ВЫВОДЫ

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ РАЗРАБОТАННЫХ АЛГОРИТМОВ

4.1 Исследование алгоритма обработки пеленговой информации в условиях мно голучевого воздействия с помощью моделирования входного воздействия

4.1.1 Исследование возможностей алгоритма при однолучевом воздействии

4.1.2 Исследование возможностей алгоритма при некогерентном воздействии

4.1.3 Исследование возможностей алгоритма при когерентном воздействии

4.2 Экспериментальное исследование алгоритма обработки пеленговой информации в условиях многолучевого воздействия

4.2.1 Анализ результатов функционирования существующего пеленгатора в различных условиях

4.2.2 Экспериментальная проверка возможности использования алгоритма обработки пеленговой информации

4.3 Анализ эффективности алгоритмов обработки координатной информации о близкорасположенных источников радиоизлучения

4.3.1 Оценка минимального объёма выборки измерений координат ИРИ

4.3.2 Оценка влияния объёма и состава выборки на точность определения местоположения ИРИ

4.3.3 Оценка влияния точностных характеристик системы и закона распределения ошибок измерений на разрешающую способность алгоритма

4.3.4 Результаты экспериментальных исследований собственноструктурного ал горитма разделения ИРИ

Анализ современного состояния и тенденций развития телекоммуникационных технологий, базирующихся на использовании радиочастотного ресурса, свидетельствует об обострении проблем обеспечения эксплуатационной готовности радиочастот и радиочастотных диапазонов к безотказному и корректному обслуживанию общества на различных уровнях и масштабах его жизнедеятельности. Решение подобных проблем является основной функциональной задачей Радиочастотной службы РФ, имеющую разветвленную сеть радиоконтрольных органов и подразделений [1].

Состав и структура национальной системы радиоконтроля той или иной развитой страны зависит от целого ряда факторов: размеров территории и протяженности границ с сопредельными странами, от соблюдения этими странами международных соглашений в области использования радиочастотного ресурса, от плотности населения и количества радиоэлектронных средств (РЭС).

В связи с этим, высокая плотность и неоднородность информационного потока, обрабатываемого современной системой радиоконтроля предопределяют необходимость применения системного подхода (анализа) при исследованиях ее свойств и разработках алгоритмов ее функционирования.

Проведенный анализ условий функционирования радиочастотных органов показывает, что наиболее быстрый и эффективный путь при решении задач радиоконтроля базируется на процессах определения местоположения радиоизлучателя в виде его пространственных (географических) координат.

Особую значимость при этом имеет диапазон частот до 30 МГц, где пересекаются не только межрегиональные, но и межгосударственные интересы. В то же время, успешное решение этих задач применительно к данному диапазону частот сопряжено с преодолением множества проблем, связанных с вопросами распространения радиоволн на больших расстояниях, повышением точности измерений и адекватности обработки измерительной информации в системах координатометрии РЭС.

Выбор рациональной структуры и алгоритмов обработки координатной информации в системах координатометрии в конкретных условиях является важной и актуальной задачей. Сложность структуры системы координатометрии РЭС и взаимосвязей ее элементов обуславливают необходимость применения классической схемы исследований:

• системный анализ;

• разработка комплексной модели;

• выявление слабых мест;

• усовершенствование известных и разработка новых методов и алгоритмов;

• проведение комплексных экспериментов и натурных испытаний.

В настоящее время в радиочастотной службе РФ формируется федеральная автоматизированная система радиоконтроля в диапазоне частот до 30 МГц, которая па первом этапе ее становления должна базироваться на элементах региональных пеленгаторных пунктов, оснащенных разнотипным пеленгаторным оборудованием, как правило, не отвечающим требованиям по точности и пропускной способности.

Большие размеры территории, подлежащей радиоконтролю, обуславливают наличие сложной сигналыю-помеховой ситуации при проведении измерений и возникновению соответствующих недопустимо больших погрешностей.

С учетом сложившейся обстановки с сожалением приходится говорить о необходимости принятия действенных мер по совершенствованию средств определения местоположения источников радиоизлучений особенно в KB диапазоне. Находящиеся на эксплуатации радиопеленгаторы и комплексы определения местоположения (Р - 359, «Томсон», «Эсмеральда», «Радар-ВЧ») морально и физически устарели, не рассчитаны для работы в сложной электромагнитной обстановке, характеризуемой многолучевостью, а их алгоритмы не полностью учитывают траекторные особенности ионосферных волн [7,9]. Так по опыту эксплуатации угломерно-дальномерных комплексов в различных регионах страны (Северо-Западный федеральный округ, Центральный федеральный округ, Сибирский федеральный округ, Уральский федеральный округ) линейная ошибка определения координат ИРИ колеблется от 5 % до 30. 40 % от дальности [9]. Указанная проблема давно привлекает внимание специалистов. По мере развития теории и практики определения координат радиоизлучающих объектов предлагались различные научно -технические решения [22,24,27,30,61,67,75]. Но для KB диапазона следует отметить общую тенденцию этих работ - они, как правило, находятся в рамках теории радиопеленгования без учета искажений траектории волны в ионосфере [62-65,68] в угломерных системах [28,30,66], или в рамках плоско волнового приближения модели электромагнитных волн (ЭМВ) и сферически-слоистой ионосферы в угломерно-дальномерных однопозиционных системах [53,76].

В связи с этим поставленная цель диссертационных исследований: повышение точности радиопеленгования при обработке информации в условиях многолучевого электромагнитного воздействия на систему коордииатометрии и обеспечение идентификации близкорасположенных источников радиоизлучений в диапазоне частот ниже 30 МГц в условиях ограничений на пространственно-временной ресурс может быть признана актуальной и имеющей практическую значимость.

Предметом исследований является модель системы координатометрии, включающая источник радиоизлучений, среду распространения радиоволн (РРВ), интерференционное электромагнитное поле (ЭМП), измеритель пространственных параметров волны и систему обработки результатов измерений.

Научные положения, выносимые на защиту:

• динамическая модель системы координатометрии источников радиоизлучений ВЧ диапазона;

• алгоритм обработки пеленговой информации в условиях многолучевого воздействия, при ограничениях на пространственно-временной ресурс;

• алгоритм обработки координатной информации о двух близкорасположенных радиоизлучателях, работающих на одной частоте.

Разработанные алгоритмы обработки информации [61,69,71,72] повышают точность измерений в условиях многолучевости при ограниченных пространственно временных ресурсах.

Сущность и результаты исследований изложены в четырех главах.

В первом разделе анализируется состояние системы координатометрии радиоизлучателей на фоне современной РЭО с учетом перспектив развития систем управления и связи на примере Северо-Западного округа РФ. Приводятся результаты оценивания частотно - пространственных характеристик радиоэлектронной обстановки и электромагнитного поля, воздействующего на измеритель параметров положения ИРИ, опыт эксплуатации средств и комплексов определения местоположения ИРИ в различных регионах страны. Вскрываются научно-технические задачи повышения точности координатометрии ИРИ и формулируются основные направления их решения [3,69,71].

Во втором разделе классифицируются методы измерения параметров положения ИРИ и анализируются их потенциальные возможности [70,73].

В третьем разделе развиваются классические методы обработки координатной информации с применением собственно-структурных алгоритмов в условиях ограниченного пространственно-временного ресурса [61,69,71,72].

В четвертом разделе исследованы возможности разработанных алгоритмов. Проведено исследование возможностей алгоритмов с помощью имитационного моделирования и осуществлена экспериментальная проверка их работоспособности на действующем макете пеленгатора в реальных условиях [71,74].

Практическую ценность результатов исследований подтверждают акты об их использовании в Радиочастотном центре Северо-Западного Федерального Округа (приложение 4) и в материалах НИОКР (приложение 5).

По теме диссертационных исследований опубликовано 9 печатных работ. Основные положения докладывались на двух международных конференциях [3,72] и четырех российских конференциях [61,69,73,74]. Результаты работы [71] отмечены медалью Министерства Образования РФ. Алгоритмы, выносимые на защиту, апробированы на тематическом семинаре лаборатории компьютерного моделирования кафедры «Вычислительных систем и сетей» СПбГУАП.

ВЫВОДЫ

1. Исследования возможностей классического алгоритма пеленгования, основанного на фазовых измерениях поля, подтверждают, что при наличии многолучевого воздействия он обладает повышенными ошибками - 10-20 градусов по азимуту и 6-8 градусов по углу места, с повышением ошибок до 80 градусов в случаях интерференционных замираний.

2. Имитационное и экспериментальное исследования алгоритма обработки пеленговой информации в условиях многолучевого воздействия подтверждает его работоспособность при воздействии двухлучевого сигнала. При имитационном моделировании воздействий полученные точности пеленгования близки к потенциально возможным и составляют от 0,4 до 3 градусов по азимуту при потенциальных погрешностях от 0,25 до 2,8 градусов и от 0,5 до 3,5 градусов по углу места при потенциальных погрешностях от 0,4 до 3 градусов. Экспериментальные результаты исследований также подтверждают работоспособность алгоритма. При этом полученные точностные характеристики хуже потенциальных по азимуту от 0 до 3-х градусов и по углу места от 2-х до 3-х градусов. Некоторое увеличение погрешностей измерений объясняется вероятным наличием помехи в виде третьего луча от спорадических слоев ионосферы, характерных для северных широт.

3. Оценка возможностей алгоритма обработки координатной информации о близкорасположенных ИРИ показывает, что при минимальном расстоянии между передатчиками 35-60 км на удалении 600-700 км обеспечивается их пространственная локализация с точностью 2,5-6 км, что составляет 0,5%-0,9% от дальности (600-700км).

4. Определены требования к минимальному объему выборки для обеспечения разделения близкорасположенных ИРИ, который при угловом разносе ИРИ 0,5 и более градусов составляет 30-60 измерений координат.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследования, проведенные при выполнении диссертационной работы, направлены на повышение точности радиопеленгования в условиях многолучевого электромагнитного воздействия на пеленгатор и обеспечение идентификации близкорасположенных источников радиоизлучений в диапазоне частот ниже 30 МГц в условиях ограничений на пространственно-временной ресурс. Для этого в рамках системного подхода потребовалось провести оценку условий функционирования систем координатометрии РЭС в ВЧ диапазоне, усовершенствовать модель системы координатометрии, выявить основные недостатки известных методов и алгоритмов, определить базовый метод обработки информации, разработать новые алгоритмы и провести комплексные эксперименты и натурные испытания.

К основным результатам, полученным в ходе исследований, относятся:

1. Усовершенствована модель системы координатометрии источников радиоизлучений в диапазоне частот до 30 МГц. Её особенностью является наличие динамических описаний радиоэлектронной обстановки в виде базы данных частотных назначений и зарегистрированных радиоэлектронных средств, многолучевого механизма ионосферного распространения радиоволн, модуля расчета траекторных и энергетических характеристик компонент многолучевой радиоволны, модуля измерения пространственных параметров ИРИ и модуля оценивания погрешности измерений. Разработаны программные модули модели системы координатометрии источников радиоизлучения.

2. Произведен анализ условий функционирования системы координатометрии РЭС в ВЧ диапазоне на трассах радиоконтроля. Определено, что до 90% времени измерители координатной информации функционируют при воздействии одно- и двухлучевых сигналов. Выявлены причины возникновения погрешностей координатометрии источников радиоизлучений, превышающих допустимые значения, с учетом ограничений на размеры антенных площадок и время электромагнитного контакта с контролируемым РЭС. Выбраны основные методы и пути достижения поставленной в диссертационной работе цели.

3. Разработан алгоритм обработки пеленговой информации в условиях многолучевого воздействия при ограничениях на пространственно-временной ресурс. Его особенностями являются: а. применение двумерной антенной системы с минимальным количеством элементов (л=3) при пеленговании двухлучевой волны; б. объединение в алгоритме методов пространственного и временного сглаживания ковариационной матрицы при пеленговании кратковременных или коррелированных сигналов; в. использование модифицированной фазовой ковариационной матрицы, обеспечивающей обработку координатной информации в условиях повышенных погрешностей амплитудных измерений.

4. Разработан алгоритм обработки координатной информации о двух близкорасположенных радиоизлучателях, обеспечивающий их локализацию при недостаточной точности пеленгования.

5. Проведены имитационное моделирование и экспериментальные исследования разработанных алгоритмов. Результаты испытаний подтверждают их работоспособность и повышение точности обработки координатной информации с ее приближением к потенциально достижимой.

Диссертационная работа выполнена в интересах Радиочастотной службы РФ, а ее результаты могут быть применены при модернизации имеющихся, а также разработки новых комплексов радиопеленгования и координатометрии РЭС.

Часть результатов использована в автоматизированной системе управления радиоконтролем Радиочастотного центра С-3 ФО (приложение 4), а так же в ОКР предприятия «Вектор» (приложение 5).

Результаты исследований опубликованы в 9 печатных работах. Основные положения докладывались на международных конференциях [3,72], четырех российских конференциях [61,69,70,73,74]. Результаты работы [71] отмечены медалью Министерства Образования РФ. Алгоритмы, выносимые на защиту, апробированы на тематическом семинаре лаборатории компьютерного моделирования кафедры «Вычислительных систем и сетей» СПбГУАП.

Проделанная работа не претендует на полный охват исследуемой проблемы. К направлениям дальнейших исследований относятся:

• совершенствование модели системы координатометрии РЭС в ВЧ диапазоне в целях повышения ее адекватности реальным условиям;

• повышение устойчивости алгоритмов при наличии дополнительных помех и при увеличенном количестве близкорасположенных источников радиоизлучений.

1. Федеральный Закон от 7 июля 2003 года №126-ФЗ «О связи» Электронный документ. -М. 2003. (http://www.minsvyaz.ru/site.shtml?id=2521).

2. Постановление правительства РФ от 3 мая 2005г. №279 «О радиочастотной службе» Электронный документ. М. 2005. (http://www.rfc-cfa.ru/main.phtml?p=inf279&l=ru).

3. Алексеев С. М., Абрамов А. Ю., Хомсков А. Е., Хомсков Е. В. «Автоматизированная система радиоконтроля на базе пеленгаторной сети ВЧ диапазона на больших расстояниях». Электронный сборник докладов конференции «СПЕКТ-2005». 111с. Сочи. 2005. С. 100-106.

4. Мироновский Л. А. Функциональное диагностирование динамических систем. СПб.: Научное издание, 1998.256с.

5. А. А. Смирнова. Корпоративные системы спутниковой и KB связи., М., «Эко-Триада», 1997.136с.

6. Комарович В. Ф., Сосунов В. Н. Случайные помехи и надежность KB связи. М.: Связь. 1977. 136с.

7. Абакунчик А. П. Роль ПЦРР в современных условиях и перспективы его дальнейшего развития, (доклад на заседании Координационного совета РЧС Санкт-Петербург, июнь 2006) 5с.

8. Справочник по РК., МСЭ., Женева 2002 г.

9. Результаты международного эксперимента в диапазоне ВЧ (март 2000 г.) в рамках программы TELRUS 9707 М:. НИИР «СПЕКТР». 2000 г. 17с.

10. Зотов С.А., Макаров Е.С., Нечаев Ю.Б. Методы сверхразрешения в задачах радиопеленгации. // Инновационные и информационные процессы и технологии в обществе и экономике, №3. Воронеж: РНЦИЭ, 2006. 84 с.

11. Аджемов С.С. и др. Многошаговый алгоритм пассивного пространственного разрешения источников радиоизлучения. // Наукоемкие технологии, 2003, №3. С.78-80

12. Аджемов С.С. и др. Модифицированный алгоритм пространственного разрешения источников радиоизлучения SDS-MUSIC, работающий при многолучевом распространении сигналов. // Радиотехника,2003, №11. С.80-82

13. Мюнье Ж., Делиль Ж. Ю. Пространственный анализ в пассивных локационных системах с помощью адаптивных методов //ТИИЭР.1987. С.123.Т.75, N 11.С. 21-37.

14. Бочаров П.П., Печинкин А.В. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Физматлит, 2005. 295 с.

15. Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки: Введение в теорию. М.: Радио и связь, 1986.448 с.

16. Журавлев A.K., Лукошкин А.П., Поддубный С.С. Обработка сигналов в адаптивных антенных решетках. JI.: Изд-во ЛГУ, 1983.240 с.

17. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М.: Мир, 1978.848 с.

18. Марпл.-мл. С. Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. М.: Мир. 1990. 584с.

19. Сарычев В.Т. Спектральное оценивание методами максимальной энтропии. Томск: Изд-во ТГУ, 1994.257 с.

20. Lang S.W., McClellan J.H. Multidimensional MEM spectral estimation //IEEE Transactions on Acoustics, Speech and Signal Processing. ASSP-30. N 6. P. 880-887.

21. Schmidt R.O. Multiple emitter location and signal parameter estimation //Processing of RADC Spectrum Estimation Workshop P. 243-258.

22. Cardoso J.F. Eigen-structure of the fourth-order cumulant tensor with application to the blind source separation problem //ICASSP'90: Int. Conf. Acoust., Speech and Signal Process., Albuquerque, N.M., Apr. 3-5,1990. Vol. 5 New York. 1990. P. 2655-2658.

23. Kumaresan R., Tufts D. W. Estimating the angle of arrival of multiple plane waves //IEEE Trans. 1983. V. AES-19,N 1. P. 134 139.

24. Yeh C.C., Leou M.L. Estimating angles of arrivals in the presence of mutual coupling //Antennas and aapropag.: Int. ymp. Dig., Blacksburg, Va, June 15-19, 1987. Vol. 2 New York. 1987. P. 862-865.

25. Гершман А. Б., Ермолаев В. E., Серебряков Г. В. Анализ методов пространственного сглаживания в задачах углового декоррелирования сигналов //Радиотехника. 1990. N 10. 101с. С.11 -14.

26. Du Weixiu, Kirlin R.L. Improved spatial smoothing techniques for DOA estimation of coherent signals //IEEE Trans. Acoust., Speech and Signal Process. 1991. Vol. 39, N 5. P 1208-1210.

27. Wang H., Li C.C., Zhu J.X. High-resolution direction finding in the presence of multipath: a frequency-domain smoothing approach //ICASSP'87: Proc. Int. Conf. Acoust., Speech and Signal Process., Dallas, Tex., Apr. 6-9,1987. Vol. 4 New York. 1987.

28. Комарович В. Ф., Никитченко В. В. Адаптивное оценивание пространственно-поляризационных параметров радиосигналов. Л.: ВАС. 1989.25 с.

29. Roy R., Paulraj A., Kailath Т. Estimation of signal parameters via rotational invariance techniques ESPRIT //MILCOM'86. Okt. 5-9,1986. Conf. rec. V. 3. P. 41.6.1-41.6.5.

30. Friedlander В., Weiss A.J. Direction finding in the presence of mutual coupling //IEEE Trans. Antennas and Propag.1991. Vol. 39, N 3. P. 273-284.

31. Ермолаев В.Т., Мальцев А.А., Родюшкин К.В. Статистические характеристики критериев AIC и MDL в задаче оценки числа источников многомерных сигналов в случае короткой выборки. // Изв. вузов. Радиофизика,2001, №12

32. Кузнецова Е.В., Кирсанов И.Ю., Немов А.В. Сравнительный анализ точности псевдооценок спектра UNITARY ESPRIT и MUSIC. // Тез. докл. Международной конференции по телекоммуникациям, IEEE/ICC2001, г.С.-Пб., июнь 2001 г.

33. Немов А.В., Добырн В.В., Кузнецова Е.В. Совместное использование сверхразрешающих оценок частоты.// Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2002. №2. С.85-92.

34. Леховицкий и др. Статистический анализ сверхразрешающих методов пеленгации источников шумовых излучений в АР при конечном объеме обучающей выборки. Антенны, 2000, №2

35. Родюшкин К.В. Анализ статистических свойств максимального шумового собственного числа выборочной корреляционной матрицы антенной решетки при наличии сигнала. // Изв. вузов. Радиофизика,2001, №1-2

36. Roy R., Paulraj A., Kailath Т. Comparative performance of ESPRIT and MUSIC for direction-ofarrival estimation //ICASSP'87. Apr. 6-9.1987. Conf. rec. V. 4. p. 2344-2347.

37. Friedlander B. A sensitivity analysis of the MUSIC algorithm //IEEE Trans. Acoust., Speech and Signal Process. 1990. Vol. 38, N 10. P. 1740-1751.

38. Гершман А. Б. Статистические характеристики метода спектрального оценивания угловых координат источников в антенной решетке с линейным предсказанием //Изв. вузов. Радиофизика. 1989. Т. 32, N 11. С. 1430-1433.

39. Johnson R. L., Miner G. Е. Comparison of superresolution algorithms for radio direction finding //IEEE Trans. 1986. July. V. AES-22, N 4. P. 432 -440.

40. Сверхбольшие интегральные схемы и современная обработка сигналов /Под ред. С. Гуна, X. Уайтхауса, Т. Кайлата. М.: Радио и связь. 1989.472 с.

41. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения. В 2-х томах. Пер. с англ. -М., Мир, 1984.499с.

42. Справочник по прикладной статистике в 2 томах. Под. ред. Ллойда Э., Ледермана У. -М.: Финансы и статистика, 1990.1090с.

43. Городецкий В.И., Иоффе А.Я. и др. Статистические методы в прикладной кибернетике./ Под ред. Юсупова P.M.- М.: МО СССР, 1980.378с.

44. Тейлор Дж. Введение в теорию ошибок. М.: Мир, 1985.272с.

45. Залманзон Л.А. Преобразования Фурье, Уолша, Хаара и их применение в управлении, связи и других областях. М.: Наука, 1989.496с.

46. Джонсон Х.Д. Применение методов спектрального оценивания к задачам определения угловых координат источников излучения. //ТИИЭР, т.70, N9, сентябрь 1982. С.126-138.

47. Гейбриэл У.Ф. Спектральный анализ и методы сверхразрешения с использованием антенных решеток. /АГИИЭР, т.68., N6, июнь 1980. С. 19-31.

48. Childers D.G. Modern spectrum analysis. New York, IEEE Pass, 1978.

49. Ланкастер П. Теория матриц. М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1982.280с.

50. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. М.: Наука, 1953.493с.

51. Хорн Р., Джонсон Ч. Матричный анализ.: Пер. с англ.- М.: Мир, 1989.655с.

52. Фадеев Д.К., Фадеева В.И. Вычислительные методы линейной алгебры. М.: Физматгиз, 1963.656с.

53. Войнов А.Д., Коровин В.М. Уточненная методика оценки точности координатометрии угломерно-дальномерным методом. // Тезисы докладов на XV Военно-научной конференции в/ч 25714. Курск, 1992. С.45-46.

54. Znao L., Krishnaiah P., Bai Z. On detection of the number of signals, when the noise covari-ance matrix is arbitrary. //Jornal of Multivariate Analisis, 1986, V.20. P.26-49.

55. Никитченко B.B., Рожков А.Г. Анализ собственных структур в адаптивных антенных системах. С.Пб.: ВАС, 1992.212с.

56. Корн Г.,Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Определения, теоремы, формулы.- М.:Наука 1977.831с.

57. Сайбель А.Г. Основы радиолокации. М.: Советское радио, 1961.384с.

58. Тревис Дж. «LabView для всех». М. ДМК пресс. 2005.544с.

59. Анализ причин ложных пеленгов на ВЧ трассах в международном эксперименте (Telrus 9707) в марте 2000 г. М:. НИИР «СПЕКТР». 2000.46с.

60. Белавин О.В. Основы радионавигации. М.: Сов. радио, 1977.320 с.

61. Мироновский Л. А., Хомсков А. Е. Повышение точности пеленгования многолучевых сигналов. // Сборник докладов седьмой российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости ЭМС-2002.СП6., 2002.583с. ВИТУ, 2002. С.371-374.

62. Черный Ф. Б. Распространение радиоволн. М.: Сов. радио. 1972.464 с.

63. Альперт Я.Л. Распространение электромагнитных волн и ионосфера. М.: Наука, 1972. 563с.

64. Долуханов М.П. Распространение радиоволн. М.: Связь, 1972. 336с.

65. Дэвис К. Радиоволны в ионосфере. М.: Мир, 1973.504с.

66. Кукес И.С., Старик М.Е. Основы радиопеленгации.- М.: Советское радио, 1964.640с.

67. Борисов Ю.П. Математическое моделирование радиосистем.- М.: Сов. радио, 1976.296с.

68. Керблай Т.С., Ковалевская Е.М. О траекториях коротких радиоволн в ионосфере.- М.: Наука, 1974.160с.

69. Мироновский JI. А., Хомсков А. Е. Компьютерная модель радиопеленгации. // Пятая студенческая научно-техническая конференция ГУАП: Сб. тез. докл. СПб., 2001. СПбГУ-АП. С. 68.

70. Хомсков А. Е. Студенческая работа на открытый конкурс 2002 года на лучшую научную работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в высших учебных заведениях РФ. 18с.

71. Хомсков А. Е. Компьютерное моделирование угломерно-дальномерной системы координатометрии радиоизлучателей. // 59-я Научно-техническая конференция, посвященная Дню радио. СПб., 2004.303с. СПбГЭТУ «ЛЭТИ». С.125-127.

72. Хомсков А. Е. «Использование фильтрации в системах координатометрии для повышения точности пеленгования». Восьмая научная сессия ГУАП. Сб. докладов: В 2ч. 4.1 Технические науки/ГУАП. СПб., 2005 524с.

73. Хохлов В.К. Обнаружение, распознавание и пеленгация объектов в ближней локации: Учеб. пособие. М.: МГТУ, 2005.334 с.

74. Ратынский М.В. Адаптация и сверхразрешение в антенных решетках. М.: Радио и связь, 2003.200с.

75. Хомсков А. Е. «Алгоритм пеленгования многолучевого сигнала при ограниченном пространственно-временном ресурсе». // Электросвязь №2-2007, М. 2007. С. 52-53.