Разработка и исследование адаптивных систем фазовой автоподстройки и их применение в аппаратуре потребителей спутниковых навигационных систем

Куликов, Роман Сергеевич

Радиолокация и радионавигация

автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.14, диссертация на тему:Разработка и исследование адаптивных систем фазовой автоподстройки и их применение в аппаратуре потребителей спутниковых навигационных систем

кандидата технических наук: Куликов, Роман Сергеевич
город: Москва
год: 2010
специальность ВАК РФ: 05.12.14
цена: 450 рублей

Диссертация по радиотехнике и связи на тему «Разработка и исследование адаптивных систем фазовой автоподстройки и их применение в аппаратуре потребителей спутниковых навигационных систем»

Автореферат диссертации по теме "Разработка и исследование адаптивных систем фазовой автоподстройки и их применение в аппаратуре потребителей спутниковых навигационных систем"

004603387

На правах рукописи

КУЛИКОВ Роман Сергеевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АДАПТИВНЫХ СИСТЕМ ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В АППАРАТУРЕ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Специальность 05.12.14 — «Радиолокация и радионавигация»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- з ЙЮН 2010

Москва-2010

004603387

Работа выполнена на кафедре Радиотехнических систем Московског о энергетического института (технического университета).

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

| ПЕРВАЧЁВ Сергей Владимирович |

доктор технических наук, профессор ПЕРОВ Александр Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ГРЕБЕНКО Юрий Александрович

кандидат технических наук, доцент

СПЕРАНСКИЙ Валентин Сергеевич

Ведущая организация: ОАО «НИИ Космического приборостроения»

(г. Москва)

Защита состоится 10 июня 2010 года в 15.30 на заседании диссертационного соЕета Д 212.157.05 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу:

111250, Москва, Красноказарменная ул., д 17, аудитория А - 402.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Автореферат разослан мая 2010

г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.05.

кандидат технических наук, доцент

Т.И. КУРОЧКИНА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Радиотехнические следящие системы (РТСС) широко используются в радиолокационных, радионавигационных системах, системах радиоуправления и других системах. Во многих случаях РТСС работают в условиях априорной неопределённости статистических характеристик параметров принимаемого радиосигнала (фаза, частота, временная задержка, направление прихода), за которыми ведется слежение. Эта неопределённость обусловлена в первую очередь неопределённостью взаимного перемещения источника излучения (отражения) радиосигнала и приёмника. При работе в условиях априорной неопределенности невозможно выбрать оптимальным образом параметры РТСС. Это, в свою очередь, приводит к ухудшению потребительских характеристик РТСС (точности слежения, помехоустойчивости и т.д.). Для улучшения потребительских характеристик РТСС, работающей в условиях априорной неопределённости статистических характеристик параметров принимаемого радиосигнала, необходимо строить системы, которые в процессе работы приспосабливаются к указанной априорной неопределенности, т.е. адаптивные системы.

Все сказанное выше относится и к следящим системам (за задержкой, фазой и доплеровским смещением частоты) аппаратуры потребителей (АП) спутниковых навигационных систем (СНС). Для данной аппаратуры точность определения координат и скорости потребителя во многом определяется системой слежения за фазой сигнала (ФАП), оторая обеспечивает когерентный режим работы АП. Помехоустойчивость АП СНС также пределяется помехоустойчивостью ФАП. Поэтому, с целью повышения точности и омехоустойчивости АП СНС, работающей в условиях априорной неопределенности арактеристик движения потребителя, необходимо в первую очередь повысить точность и юмехоустойчивость ФАП.

Применительно к системам радиосвязи большой вклад в исследование и оптимизацию АП внесли отечественные (Капранов В.М., Кулешов В.Н., Тихонов В.И., Удалов H.H., [ахгильдян В.В., Шахтарин Б.И. и др.) и зарубежные (Витерби Э., Линдсей В. и др.) ченые. Применительно к аппаратуре потребителей СНС в исследование и оптимизацию АП внесли отечественные (Жодзишский М.И., Перов А.И., Хариссв В.Н., Ярлыков М.С. и р.) и зарубежные (Каплан Е., Спилкер Дж и др.) ученые.

Однако в известных исследованиях по системам ФАП не рассматривались вопросы даптации ФАП к априорной неопределенности статистических характеристик изменения

фазы сигнала (статистических характеристик динамического воздействия), обеспечивающие повышение точности слежения (за фазой и доплеровским смещением частоты) и помехоустойчивости.

Таким образом, актуальной является разработка и исследование адаптивных систем фазовой автоподстройки, приспосабливающихся к априорной неопределенности статистических характеристик изменения фазы сигнала, и их применение в аппаратуре потребителей СНС.

Состояние вопроса в рассматриваемой области

Существуют различные подходы к построению адаптивных следящих систем (СС). Многие из них (скользящий адаптивный приём, непосредственная адаптация параметров СС

пп \ плтттштгт

способом в следящей системе формируется процесс, пропорциональный рассогласованию между истинным значением параметра, по которому проводится адаптация, и его оценочным значением, которое и используется в контуре адаптации. При этом в контуре управления формируется эквивалент дискриминатора по «управляемому» параметру и некоторый сглаживающий фильтр. Точность адаптации в такой системе в установившемся режиме достаточно высокая, но для ряда приложений быстродействие такой адаптивной РТСС оказывается недостаточным. Другой известный подход основан на построении многоканальной системы фильтрации с последующим усреднением «канальных» оценок по апостериорной плотности вероятности распределения параметров, по которым проводится адаптация. Адаптивные системы фильтрации, построенные данным методом, имеют хорошие характеристики процесса адаптации, но сложны в реализации.

В диссертационной работе Фам Хай Чунга «Разработка и исследование алгоритмов адаптации цифровых радиотехнических следящих систем радионавигационных и радиолокационных приемников» (МЭИ(ТУ), 2005) предложен подход к адаптации следящей системы заданной структуры (базовая СС), в котором адаптацш заключается в регулировке коэффициентов усиления СС процессом к(?), который формируется как оценка среднего квадрата приращения старшей производной вектора состояния, описывающего работу заданной СС. Показано, что данный подход обеспечивает заметное улучшение времени адаптации при высокой точности адаптации. Однако предложенные в этой работе алгоритмы адаптивной фильтрации исследованы лишь для дискретной СС, работающей с тактом формирования выборок сигнала в АЦП, и не могут быть непосредственно перенесены на реальные СС, в состав которых входит накопитель сигнала на некотором временном

интервале. Поэтому актуальным является развитие предложенного в диссертации Фам Хай Чунга эффективного подхода к адаптации следящей системы применительно к используемым на практике СС с накоплением сигната на длительных временных интервалах.

Цель работы - повышение эффективности (точности, помехоустойчивости, времени адаптации, и т.д.) адаптивных дискретных ФАП с конечным временем накопления в дискриминаторах, приспосабливающихся к неизвестным характеристикам динамического воздействия, и их использование в аппаратуре потребителей спутниковых навигационных систем.

Основные задачи исследования

Для достижения цели решаются следующие задачи:

1. Разработка моделей и алгоритмов работы фазовых дискриминаторов (ФД), работающих в дискретном времени на базе корреляторов с конечным временем накопления при квадратичной модели изменения фазы опорного сигнала коррелятора на интервале накопления.

2. Расчет статистических характеристик ФД, разработанных в п.!.

3. Разработка алгоритма работы контура адаптации с прямым оцениванием интенсивности формирующего процесса в дискретной ФАП третьего порядка с ФД, разработанный в п. 1.

4. Определение и обоснование показателей качества процесса адагтгации в системе ФАП.

5. Исследование характеристик разработанной адаптивной ФАП для различных типов динамических воздействий, действующих на систему (с формирующим процессом в виде процесса постоянного уровня, белого шума и гармонического процесса).

6. Сравнительный анализ характеристик разработанной адаптивной дискретной ФАП и адаптивных ФАП, построенных с использованием известных ранее подходов.

7. Разработка рекомендаций по использованию адаптивной дискретной ФАП третьего порядка, приспосабливающейся к априорной неизвестным характеристикам возмущающего воздействия, в аппаратуре потребителей СНС.

Методы исследования: теория вероятностей и математическая статистика; теория оптимальной фильтрации случайных процессов; теория адаптивных систем фильтрации; теория спутниковой навигации; статистическое моделирование; вычислительная математика и моделирование.

Научная новизна

1. Рассчитаны статистические характеристики фазовых дискриминаторов, построенных

на базе корреляторов с конечным временем накопления при квадратичной модели

доплеровского приращения фазы сигнала.

2. Разработан алгоритм работы контура адаптации с прямым оцениванием интенсивности формирующего процесса (ПОИФП) в дискретной ФАП третьего порядка, использующей коррелятор с конечным временем накопления и квадратичную модель изменения фазы опорного сигнала коррелятора на интервате накопления.

3. Разработана адаптивная ФАП с контуром адаптации с ПОИФП для приёмника сигналов спутниковых навигационных систем.

4. Получено решение уравнения, связывающего истинное значение параметра динамического воздействия, по которому ведется адаптация, и среднего значения его оценки в адаптивной ФАП при различных типах динамического воздействия. Сформулированы рекомендации по выбора.' параметров адаптивной ФАП с ПОИФП

5. Оценено влияние нестабильности опорного генератора навигационного приёмника на процесс адаптации в адаптивной ФАП с ПОИФП.

6. Оценены и сопоставлены показатели качества процессов адаптации и точности фильтрации в исследуемой адаптивной ФАП с ПОИФП и в адаптивной ФАП, построенной по наиболее эффективному из известных методов адаптации (с усреднением по апостериорной плотности вероятности неизвестных параметров) в условиях сложного нестационарного динамического воздействия.

Практическая значимость полученных в диссертации результатов:

1. Разработанные алгоритмы обработки сигналов в адаптивных ФАП, работающих в составе навигационных приемников СНС, обеспечивают улучшение их потребительских свойств (точности, помехоустойчивости).

2. Разработаны программные средства, позволяющие оценивать характеристики адаптивных дискретных ФАП на этапах разработки и проектирования.

3. Разработаны рекомендации по использованию адаптивной дискретной ФАП третьего порядка, приспосабливающейся к априорно неизвестным характеристикам воздействия, в аппаратуре потребителей СНС.

Реализация результатов. Результаты диссертационной работы использовались в НИР «Исследование и разработка новых принципов, методов и алгоритмов извлечения, обработки и защиты координатно-временной информации в перспективной аппаратуре потребителей глобальных спутниковых радионавигационных систем», выполненной МЭИ(ТУ) в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы»; в НИР

«Исследование вопросов помехозащиты аппаратуры спутниковой навигации, средств наземного комплекса управления и бортовых информационно-навигационных комплексов системы ГЛОНАСС» выполняемой МЭИ(ТУ) в рамках ФЦП «Глобальная спутниковая навигационная система»; в НИР «Исследование принципов и процессов генерации, излучения, распространения, приёма и обработки oirro-, акусто- и радиосигналов для совершенствования современных информационно-телекоммуникацион-ных комплексов», выполняемой МЭЙ (ТУ) по заказу Агентства по образованию РФ; в ОКР «Разработка навигационной аппаратуры потребителей, работающей по сигналам перспективных глобальных навигационных спутниковых систем» (шифр «Перспектива С»), выполненной МЭИ (ТУ) по заказу ФГУП «НИИ космического приборостроения». Внедрение результатов диссертационной работы в ОКР «Перспектива С» и в учебный процесс МЭИ (ТУ) подтверждены соответствующими актами.

Личный вклад автора. Автором лично получены следующие результаты: разработка и отладка всех программных моделей, использованных в работе над диссертацией; расчёт дисперсии флуктуационной составляющей ошибки адаптации; решение обратного уравнения, связывающего истинную нормированную интенсивность формирующего процесса со средним значением её оценки и дисперсией её флуктуаций в адаптивной ФАП в установившемся режиме; все .материалы главы 4 (анализ адаптивной дискретной ФАП третьего порядка при гармонической модели динамического воздействия); рекомендации по выбору параметров адаптивной дискретной ФАП с ПОИФП при всех рассмотренных в диссертации моделях динамического воздействия; оценка качества процессов адаптации адаптивных ФАП (с ПОИФП и с усреднением по АПВ) при сложном нестационарном динамическом воздействии. Анализ адаптивной дискретной ФАП при модели динамического воздействия с формирующим процессом постоянного уровня (глава 2) и многомерной марковской диффузионной модели (глава 3) проведены совместно с Первачёвым C.B. Исследования по принципам построения дискретной ФАП на базе комплексных корреляторов с конечным временем накопления при использовании квадратичной модели изменения фазы опорного сигнала коррелятора на интервале накопления, анализ статистических характеристик данных корреляторов и построенных на их основе фазовых дискриминаторов приемников спутниковой навигации (глава 1), а также исследования по эффективности использования ФАП в аппаратуре потребителей СНС ГЛОНАСС (глава 5) проведены совместно с Перовым А.И.

Апробация. Результаты работы докладывались и обсуждались на XIV, XV и XVI международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, МЭИ; 2008,2009 и 2010 годы).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в двух статьях в журнале «Вестник МЭИ» (входящем в список ВАК) и в одной статье в журнале «Радиотехнические тетради», в трёх тезисах докладов и в трех отчётах о научных исследованиях.

Положения, выносимые на защиту

1. Алгоритмы работы фазовых дискриминаторов, построенных на базе корреляторов с конечным временем накопления и квадратичном законе изменения фазы опорных сигналов корреляторов, и их статистические характеристики.

2. Алгоритм пябптм контура адаптации с ПОИФП в дискретной ФАП третьего порядка, использующей коррелятор с конечным временем накопления и квадратичный закон изменения фазы опорных сигналов корреляторов на интервале накопления.

3. Результаты исследования характеристик работы адаптивной дискретной ФАП при различных типах формирующих воздействий.

4. Структура и параметры адаптивной дискретной ФАП третьего порядка, приспосабливающейся к априорно неизвестным характеристикам возмущающего воздействия и предназначенной для аппаратуры потребителей спутниковых навигационных систем.

5. Программные модели адаптивных дискретных ФАП при различных моделях динамического воздействия.

Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, гати глав, заключения, трёх приложений и сгогска литературы. Основная часть работы изложена на 226 страницах и содержит 8 таблиц и 82 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и основные задачи исследования, показана научная новизна и практическая ценность работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 решены первые четыре задачи диссертации. В диссертации предложено применять квадратичную модель изменения фазы опорного сигнала в корреляторах на интервале накопления. Такая модель изменения фазы на интервале накопления использует три компоненты оценки вектора состояния (фазы и двух её производных) и является более точной, чем традиционно используемая в литературе и на практике линейная модель.

Квадратичная модель принята с учетом того, что при проектировании перспективных приёмников СНС имеется тенденция к увеличению времени накопления в корреляторе до Т>5мс, при этом традиционная линейная модель (точность которой достаточна при Т<2мс) становится слишком грубой, особенно для высокодинамичных потребителей (самолётов, ракет).

Описана модель динамического воздействия, используемая в диссертации: динамическое воздействие (изменение фазы сигнала) формируется с тактом Т на выходе формирующего фильтра (три последовательно соединённых интегратора), на вход которого поступает формирующий процесс того или иного типа.

Разработан алгоритм ФД с конечным временем накопления и квадратичной моделью фазы опорного сигнала коррелятора на интервале накопления на основе квадратурных компонент коррелятора и рассчитаны его статистические характеристики. В гл. 1 предложено несколько вариантов построения таких ФД, один из которых принят за основу в последующих главах диссертации. Выходной процесс этого ФД и (к) описывается

выражением:

иф(к)*АкЩ

АН

АН + ИС(*)

где Е^ = д>с{к)-фс(к), £(11=соД(к)-сЬД{к), еу=у{к)-у(к) - ошибки оценивания доплеровского приращения фазы и её производных (первой и второй) соответственно; яД£) и пс(к) - независимые дискретные белые гауссовские шумы (ДБГШ) с дисперсией о2 = 1/, где ц2 = ЕТ/М0 - отношение сигнал/шум (ОСШ) в полосе Д/ = 1 /Т, Ет -энергия сигнала на интервале [О,Г], Л^ - спектральная плотность внутреннего шума приёмника. Выходной процесс такого ФД, как следует из (1), зависит не только от ошибок слежения за фазой, но и от ошибок слежения по двум производным фазы. При большом ОСШ с]2 и малых ошибках слежения по фазе и её производным статистический эквивалент

ФД (1): иф{к)» аг^^гД^)) + п5(к))« еф(к) + п3(к). Разработана структурная схема

адаптивной дискретной ФАП с ПОИФП (рис. 1), которая состоит из базовой ФАП (обведена пунктиром), в которой используется ФД (1), сглаживающего фильтра (СФ) третьего порядка, и контура адаптации.

Значения весовых коэффициентов фильтра базовой ФАП определяются выражениями

к}0 =2(к,0Т2)ю=236му7, к2{, =(к302т)1П = 1.37/>:/7/г,А'30 =1 ¡тг, где ¡х = й2Т4/а2„ - безразмерная нормированная интенсивность формирующего процесса, и = Фъ-1 - • Приятая в работе взаимосвязь весовых коэффициентов обеспечивает минимум среднего квадрата ошибки оценки фазы при постоянном и известном значении и.

~ л

к-ур I

| адаптации !

! А \

! ^ [Ф^л_____ ;

; [4-1____|

Бачгтая ФАП )

Рисунок 1. Схема адаптивной системы ФАП с ПОИФП.

В главе аналитически получены выражения для статистических характеристик корреляторов и фазовых дискриминаторов, в которых фаза оперного сигнала меняется по квадратичному закону на интервале накопления, а фаза входного сигнала также меняется по квадратичному закону. Показано, что при матых ошибках оценивания фазы сигнала, ее первой и второй производных, схема адаптивной ФАП рис. 1 приводится к эквивалентной линейной схеме, изображенной на рис. 2 с развернутой структурой СФ и контура адаптации. Из базовой ФАП извлекается старшая компонента оценки вектора состояния, и вычисляется её производная, которая является оценкой мгновенного значения формирующего процесса. Далее в процессе адаптации эта оценка сглаживается, возводится в квадрат, ещё раз сглаживается и преобразуется в значения весовых коэффициентов фильтра базовой ФАП. Адаптация заключается в подстройке полосы пропускания ФАП по прямой оценке интенсивности формирующего процесса.

На рис. 2 к; (с) и к2 (<-) — коэффициенты передачи сглаживающих ФНЧ контура

адаптации = К2(с) = ±^-, где ¿,=ехр(~Т/Тф1), с12 = ехр(-Т/Тф2),

1 + и-\С 1 й2С

Гф!, Тф2 - постоянные времени фильтров.

В главе даются определения показателей качества процесса адаптации, которые в дальнейшем анализируются в работе, в том числе: точность адаптации, Бремя адаптации (оценивается по тому моменту, когда ошибка слежения в адаптивной ФАП и в ФАП с оптимальными параметрами различаются не более чем на 10%) и вероятность срыва слежения в процессе адаптации (в связи с ограниченностью рабочего участка ФД (1)).

«1М

ФД

«ф{*)

СФ

*,0(к-1>

Рисунок 2. Линеаризованная схема адаптивной ФАП с ПОИФП. Б главе 2 решатся задача 5, i.e. исследуются характеристики разработанной в гл. 1 адаптивной ФАП при изменении фазы сигнала, описываемой моделью динамического воздействия с формирующим процессом постоянного уровня. При принятой структуре контура адаптации параметром, определяющим качество процесса адаптации, является постоянная времени , при этом вторая постоянная времени связана с первой

Тф2 = 0.5Тф1.

Исследование характеристик адаптивной ФАП проводилось моделированием на ЭВМ. В диссертации показано, что характеристики процесса адаптации существенно зависят от того, как соотносятся начальное значение параметра juuw, определяющего полосу пропускания СС, и его значение после завершения процесса адаптации. В дальнейшем для краткости используется следующая терминология: адаптация «вверх», если /¿уст > ¡лтч\ адаптации «вниз», если /¿уст < /икгя.

На рис. 3 представлены графики, характеризующие зависимость полосы пропускания в процессе адаптации «вверх» и «вниз» при ТфХ=Юмс, Тф2=5мс (пунктир) и при

Тф1 = 10Оме, Тф2 = 50л<с (непрерывная линия). При этом условия работы: ОСШ q2 = 5 в

полосе А/ = 1кГц, приращение радиального ускорения damirifdt ...damx/dt = 6...600л</с3. Когда постоянные времени малы, адаптация происходит с большой скоростью, но и с большой ошибкой. Когда постоянные времени малы, адаптация происходит с малой ошибкой, но и с малой скоростью. При очень малых постоянных времени (7^ ¿Юме)

сшибка адаптации настолько велика, что теряется смысл адаптации. При очень больших постоянных времени (Тл1 >100,мс) затягивание процесса адаптации вызывает рост

вероятности срыва слежения в процессе адаптации «вверх» (ошибка слежения выходит за переделы рабочего участка ДХ ФД за счёт выброса динамической составляющей).

л\ ------ ч. .. > --......—: .........

............. ............ -

Рисунок 3. Процесс адаптации.

С помощью моделирования оценено врем адаптации и вероятность срыва при различных условиях работы и параметрах адаптивной ФАП.

Получена и решена (итерационно) система нелинейных уравнений, связывающая условия работы (интенсивность формирующего процесса и ОСШ) и параметры адаптивной ФАП с ПОИФП (постоянные времени сглаживающих ФНЧ блока адаптации Тфу Тф2) с ошибкой адаптации и ошибкой слежения в установившемся режиме.

Анализ и моделирование показали: точность и время адаптации не зависят от интервала накопления Т в корреляторе; точность адаптации и близость ошибки слежения в адаптивной ФАП к ошибке слежения в ФАП с оптимальными параметрами (при известных характеристиках динамического воздействия) больше при адаптации к интенсивному динамическому воздействию («вверх»); время адаптации «вверх» больше времени адаптации «вниз»; вероятность срыва зависит от ОСШ, от постоянных времени ТфХ, Тф2 и от интервала

накопления Т. Сравнение максимального выигрыша по точности слежения в адаптивной ФАП по сравнению с более простой минимаксной ФАП (при минимальной динамике входного воздействия) позволию формализовать рекомендации по выбору постоянных времени (рис. 4).

Из рис. 4 видно, что с точки зрения повышения выигрыша в точности слежения нет смысла увеличивать постоянную времени более 50...60 мс.

При постоянных времени ТфХ = 50лгс, Тф2 = 25мс в адаптивной ФАП с ПОИФП реализуется максимальный выигрыш по среднему квадрату ошибки слежения за фазой &<р2неада/&<р2ада ~ 3 (по дисперсии оценивания частоты - « 30); время адаптации «вверх»

и «вниз» tal »0.14с и ta2~Q.7c; реализуются полосы пропускания AF3 =19...59/1/ (в системе с оптимальными параметрами - AF3 = 15...56А/); срывы не наблюдаются. При этом условия работы: ОСШ q2 = 5 в полосе Д/=1кГц, приращение радиального ускорения darr¡in/dt...dam¡M/dt = 6...600м/с'; интервал Т = 5мс.

ГО

я ЮЗг ......;----.1 ---—ТТ-.-Г^-~—.......■ ... .1

га .............................. ....................... ■ -..... 1 ............ .......... - .............. ; ........

х ......— • ............................ -....................■ ............■-........,.. .......

ю -- ■ .................................. ............................... . ., .... .....

s - - ■ .................. ..... .

я ==—-1—Н-i I I М i--—Г Í I I I j.i —-—:—I-f—I—I Mil- 3

S :::. i: "'...............:~4 ..4: r.rj: M ......1 ХГ".Г- V - ■■::.-;,...>;.;.: -O3

С ni^—-:-:-—-1-—-—-:---—----1-

•■J

тф1, мс

Рисунок 4. Зависимость выигрыша в точности слежения ^<р2 неа^л / ааа от 7^,.

В главе 3 решается задача 5, т.е. исследуются характеристики разработанной в гл. 1 адаптивной ФАП при изменении фазы сигнала, описываемой многомерной марковской диффузионной моделью динамического воздействия. Структура адаптивной ФАП не меняется, но меняется смысловое содержание оценок в блоке адаптации. Получена и решена (асимптотически) система нелинейных уравнений, связывающая условия работы (интенсивность формирующего процесса и ОСШ) и параметры замкнутой адаптивной ФАП с ПОИФП (постоянные времени сглаживающих ФНЧ блока адаптации Тф1, Тф2) с

ошибкой адаптации и ошибкой слежения в установившемся режиме. Адаптация при данной модели динамического воздействия в целом менее эффективна, чем при предыдущей модели воздействия. В главе аналитически и моделированием определяется сочетание услозий работы и параметров адаптивной ФАП, при которых точность адаптации достаточно высока. В результате анализа выработаны рекомендации по выбору параметров адаптивной ФАП таким образом, чтобы во всём диапазоне возможных априорно неопределённых значений дисперсии формирующего шума средний квадрат ошибки слежения в адаптивной ФАП как можно меньше отличался от среднего квадрата ошибки слежения в ФАП с оптимальными параметрами (при известных характеристиках динамического воздействия). Рекомендуемое значение постоянной времени Тфх определяется нижней и верхней границей диапазона

возможных априорно неопределённых значений дисперсии формирующего шума и ОСШ. При аппроксимации СКО радиального ускорения в диапазоне

............. . ... |. . . ; ... . .....

............ . , .............::.:.....'. тг:'..:.::...:: :т :.:......;"г

^¡а^ = |0.5л</с2...150л*/с2| при ОСШ д2=5 в полосе Д/ = 1кГц (в системе с

оптимальными параметрами ДРЭ = Ю...68Гг/) рекомендуемое значение составляет ТфХ = 49.«с, что совпадает с рекомендациями из предыдущей главы. При этом в адаптивной ФАП реализуются полосы пропускания Д/^ =18...6Ш/, а время адаптации «вверх» и «вниз» составляет к 0.1с и /а2 да0.6с, максимальный выигрыш по среднему квадрату ошибки слежения перед минимаксной системой <т2 „«„^/сг* ааЬ » 2.5.

В главе 4 решается задача 5, т.е. исследуются характеристики разработанной в гл. 1 адаптивной ФАП при изменении фазы сигнала, описываемой моделью динамического воздействия с гармоническим формирующим процессом. Получена и решена (асшлптотически) система нелинейных уравнений, связывающая условия работы (интенсивность формирующего процесса и ОСШ) и параметры замкнутой адаптивной ФАП с ПОИФП (постоянные времени сгчажиеающих ФНЧ блока адаптации 7^,, Тф2) с

ошибкой адаптации и ошибкой слежения в установившемся режиме. Показано, что эффективность адаптации зависит от амплитуды и периода гармонического процесса и от постоянной времени Тф1. Повышение постоянных времени Тф1, Тф2 вызывает улучшение

точности оценивания интенсивности формирующего процесса вместе с увеличением запаздывания этой оценки по отношению к истинной интенсивности. Вследствие запаздывания оценки интенсивности гармонического формирующего процесса могут сложиться условия для периодических выбросов динамической ошибки слежения (при малом периоде формирующего процесса и больших постоянных времени 7^,, Тф2). В

результате анализа выработаны рекомендации по выбору постоянной времени Тф-{, при

которой достигается максимальная точность оценивания интенсивности формирующего процесса при отсутствии выбросов динамической ошибки слежения (рис. 5).

На рис. 5 пунктиром отмечено рекомендуемое значение при фиксированном амплитудном значении аппроксимируемого радиального ускорения апш = 150м/с2, а непрерывной линией - при фиксированном отношении отах/Гг = 150м/с3 (то есть при фиксированной амплитуде гармонического формирующего процесса).

На рис. 5 пунктиром отмечено рекомендуемое значение Гф, при фиксированном амплитудном значении аппроксимируемого радиального ускорения атдХ~ 150 м/с2, а

непрерывной линией - при фиксированном отношении ашх/Тг = 150м/с3 (то есть при фиксированной амплитуде гармонического формирующего процесса).

Рисунок 5. Зависимость рекомендуемого значения от периода ТГ.

В главе 5 решаются задачи 6 и 7. Показаны преимущества использования квадратичной модели изменения (на интервале накопления) фазы опорного колебания в навигационной АП: ФАП успешно работает при увеличенном Т > 5мс времени накопления в корреляторах (в то время как использование линейного закона изменения фазы опорного колебания обеспечивает успешную работу ФАП при интенсивном изменении фазы сигнала лишь при Т<2мс). Исследовано влияние па работу адаптивной ФАП нестабильности опорного генератора (ОГ) навигационной аппаратуры. Показано, что даже использование низкокачественного ОГ не приводит к заметному изменению характеристик адаптивной ФАП; в частности, влиянием нестабильности ОГ можно пренебречь, если спектральная плотность фазовых шумов не превышает £ г (1Гц) <-бОдБ, так как в процессе адаптации не реализуется полоса

пропускания менее 10 Гц. Проведено моделирование разработанной адаптивной ФАП в навигационной аппаратуре потребителей при сложном нестационарном динамическом воздействии (рис. 6), в котором априорная неопределённость заключается не только в априорной неопределённости параметров случайного (квазислучайного) формирующего процесса, но и его типа и моментов изменения типа воздействия.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 время наблюдения, сек

Рисунок 6. Процесс адаптации при сложном формирующем процессе.

Формирующий процесс включает участки постоянного уровня, гармонического колебания и белого шума различных интенсивностеи. При зтом параметры адапткБнок ФАП фиксированы: = 5С)мс, Тф2 = 25мс. На рис, 6 пунктиром отмечено изменение полосы

пропускания ФАП с оптимальными параметрами (если бы характеристики воздействий были априорно известны). На рис. 6 можно наблюдать успешный (точный и быстрый) процесс адаптации к динамическому воздействиям различных типов и различных интенсивностей.

Из рис. 6 видно, что на участках, где интенсивность динамического возмущения падает, полоса пропускания ФАП уменьшается с 60 Гц до 10 Гц. Сужение полосы пропускания ФАП приводит к повышению помехоустойчивости ФАП. В работе показано, что повышение помехоустойчивости в этом случае составляет 5...6 дБ.

На рис. 7 представлена среднеквадратическая ошибка слежения в адаптивной ФАП с ПОИФП и в минимаксной ФАП (пунктир) при том же сложном динамическом воздействии.

1°Т и

время наблюдения, сек

Рисунок 7. Ошибка слежения при сложном динамическом воздействии.

Из рис. 7 видно, что адаптивная ФАП не уступает по точности слежения минимаксной на

участках воздействия большой интенсивности, а на участках малой интенсивности (большая

часть времени работы реальной АП) примерно в два раза превосходит её. Недостатки

адаптивной ФАП - некоторое усложнение структуры и выброс динамической ошибки слежения в момент резкого возрастания интенсивности формирующего процесса.

Для сравнения разработанного алгоритма адаптации ФАП с другими методами адаптации выбран метод с усреднением по апостериорной плотности вероятности (АПВ) неизвестного параметра (многоканальная адаптация), самый эффективный из известных из литературы методов. Рассмотрена трёхканальная адаптивная ФАП. В состав каждого канала входит ФАП третьего порядка с фиксированными параметрами (ФАП каждого канала имеют различные полосы пропускания: Д^=56Гц, АГХ=29Гц, Д/^ = 15/"ч) и блок оценки АПВ. Итоговая оценка фазы формируется в результате взвешенного суммирования оценок отдельных канальных ФАП с весами в виде оценок канальных АПВ. На рис. 8 представлен процесс адаптации з трсххапальисй адаптивной ФАП при сложном нестационарном динамическом воздействии.

-1-1-1-1-Ч-1-1-1-1-1-1 ' I I-!-!-1-1-1-1-1

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

время наблюдения, сек

Рисунок 8. Процесс адаптации в трёхканальной адаптивной ФАП Из сопоставления рис. 7 и 8 видно, что ФАП с ПОИФП не уступает трёхканальной ФАП по скорости адаптации. По точности адаптации на участках динамического воздействия малой интенсивности ФАП с ПОИФП адаптируется точнее.

На рис. 9 представлены среднеквадратические ошибки слежения в адаптивной ФАП с ПОИФП (непрерывная линия) и в трёхканальной адаптивной ФАП (пунктир).

Из графиков следует, что процесс адаптации в ФАП с ПОИФП не уступает по качеству процесса адаптации и точности слежения в трёхканальной системе, но существенно проще в реализации.

о б

а ю

время наблюдения, сек

Рисунок 9. Ошибка слежения в адаптивных ФАП: трёхканалъной и с ПОИФП.

В заключении перечислены основные результата работы.

1. Разработаны алгоритмы работы фазовых дискриминаторов (ФД), построенных на базе корреляторов с конечным временем накопления и квадратичном законе изменения фазы опорных сигналов корреляторов, в том числе ФД для аппаратуры потребителей спутниковых навигационных систем. Получены аналитические выражения для расчета их статистических характеристик таких корреляторов и соответствующих ФД. Показано, что использование в корреляторах опорных сигналов с квадратичным изменением фазы на интервале накопления обеспечивает эффективную работу ФАП в АП СНСН с временем накопления до 10 мс при интенсивной динамике движения потребителя, в то время как используемое в настоящее время в АП СНС линейное изменение фазы опорного сигнала обеспечивает эффективную работу ФАП в АП СНСН с временем накопления лишь до 4 мс. В свою очередь увеличение времени накопления в корреляторах приводит к повышению точности и помехоустойчивости работы АП СНС.

2. Разработан алгоритм работы контура адаптации с прямой оценкой интенсивности формирующего процесса (ПОИФП) в дискретной ФАП третьего порядка, использующей коррелятор с конечным временем накопления и квадратичную модель изменения фазы опорного сигнала коррелятора.

3. Проведено аналитическое исследование процесса адаптации дискретной ФАП третьего порядка с контуром адаптации, построенным по методу ПОИФП, при различных моделях динамического воздействия третьего порядка. В результате чего даны рекомендации для значений параметров адаптивной ФАП в зависимости от условий работы.

Для многих условий работы оказались рекомендованы значения постоянных времени фильтров в контуре адаптации = 50л/с, Т^2 = 25мс.

4. Произведена оценка качества процесса адаптации в двух адаптивных ФАП: разработанной (с Гф, = 50мс, Т^2 = 25мс ) и в трёхканальной при сложном нестационарном

априорно неопределённом динамическом воздействии. Разработанная ФАП не уступает по качеству процесса адаптации и точности слежения трёхканальной адаптивной ФАП, но существенно проще в реализации.

5. Показано, что при исследовании адаптивной ФАП с ПОИФП (7^,=50л<с, Тф2 = 25л*с ) можно пренебречь влиянием нестабильности ОГ, если спектральная плотность его фазовых шумов не превышает S„ (1Гц) = -бОдБ (так как в процессе адаптации не

' Ф-'1

реализуется полоса пропускания менее 10 Гц, см. рис. 7).

6. По результатам проведенных исследований для использования в НАП СНС рекомендована адаптивная ФАП, приспосабливающаяся к априорно неизвестным характеристикам возмущающего воздействия, со следующими характеристиками:

- базовая следящая система включает синфазный и квадратурный корреляторы с квадратичным законом изменения фазы опорного сигнала на интервале накопления и временем накопления от 1 мс до 10 мс;

- сглаживающий фильтр — с трехкомпонентным вектором состояния и астатизмом третьего порядка;

- контур адаптации включает формирователь оценки интенсивности формирующего процесса и вычислитель значений регулируемых весовых коэффициентов сглаживающего фильтра; на вход контура адаптации подается приращение оценки третьей компоненты вектора состояния сглаживающего фильтра ФАП за два соседних такта работы; рекомендуемые параметры контура адаптации 7^ ~ 50л<с и ~ 25мс.

Такая адаптивная ФАП в НАП СНС для отдельных тактических ситуаций (отдельных типов и характеристик динамических возмущений) позволяет снизить средние квадраты ошибок слежения за фазой и за доплеровским смещением частоты сигнала в 3 раза и в 30 раз соответственно, повысить помехоустойчивость ФАП — на 5...6 дБ; время адаптации «вверх» составляет 0.1 ...0.15с, время адаптации «вниз» составляет 0.5. ..0.7с.

Список публикаций по теме диссертации

1. Первачёв C.B., Куликов P.C. Цифровая система фазовой автоподстройки с aßy-фильтром, адаптирующаяся к динамическому воздействию неизвестной

интенсивности. Вестник МЭИ, 2010, № 1, с 66-72. В этой статье соискателем проведена часть анаша адаптивной ФАП, а также разработана программная модель адаптивной ФАП и проведено моделирование

2. Первачёв С.В., Куликов P.C. Анализ точности адаптации в адаптивной цифровой системе при диффузионной модели динамического воздействия. Вестник МЭИ, 2010, № 2, с 59-65. В этой статье соискателем получено нелинейное уравнение, связывающее условия работы и параметры адаптивной системы с точностью адаптации в установившемся режиме, решено обратное уравнение (что позволило получить приближённое решение прямого уравнения), а также разработана программная модель адаптивной ФАП и проведено моделирование.

3. Куликов P.C. Применение адаптивной ФАП в составе приёмника спутниковой навигации высокодинамичного потребителя. Радиотехнические тетради, 2010, №41, с. 29-34.

4. Куликов P.C. Адаптивная цифровая система фазовой автоподстройки. XIV конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» -тез. докл. М.: Изд-во МЭИ, 2008, Т1.

5. Куликов P.C. Анализ работы цифровой адаптивной системы фазовой автоподстройки, построенной по методу прямого оценивания интенсивности формирующего процесса, при использовании диффузионной модели входного воздействия. XV конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» - тез. докл. М.: Изд-во МЭИ, 2009, Т1.

6. Куликов P.C. Анализ работы цифровой адаптивной системы фазовой автояодстройки, построенной по методу прямого оценивания интенсивности формирующего процесса, при использовании гармонической модели входного воздействия. XVI конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» -тез. докл. М.: Изд-во МЭИ, 2010, Т1.

Подписано в печать öS- ¡(Or, Зак. ЗХ Тип /00 п„ / W

Полиграфический центр МЭИ(ТУ) Р' ' Г/Л6

Красноказарменная ул.,д.13

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Куликов, Роман Сергеевич

Введение

Глава 1. Разработка дискретной адаптивной системы слежения за фазой сигнала, использующей коррелятор с конечным временем накопления в составе фазового дискриминатора

1.1 Модель изменения фазы сигнала на интервале накопления коррелятора

1.2 Модель динамического воздействия

1.3 Модели фазовых дискриминаторов

1.3.1 Комплексный корр елятор

1.3.2 Модели фазовых дискриминаторов СНС ГЛОНАСС

1.4 Анализ статистических характеристик коррелятора

1.5 Статистический эквивалент фазового дискриминатора

1.6 Адаптивная дискретная система фазовой автоподстройки

1.7 Показатели качества процесса адаптации

1.8 Выводы

Глава 2. Построение и исследование адаптивной системы ЦФАП с ПОИФП при модели динамического воздействия с формирующим процессом постоянного уровня

2.1 Описание динамического воздействия

2.2 Анализ показателей качества процесса адаптации

2.2.1 Анализ точности адаптации

2.2.2 Анализ длительности процесса адаптации

2.2.3 Анализ вероятности срыва слежения в процессе адаптации

2.3 Анализ ошибок слежения за фазой сигнала

2.3.1 Анализ ошибки слежения в адаптивной системе

2.3.2 Сравнение точности слежения в адаптивной системе и в системе с оптимальными коэффициентами

2.4 Выводы

Глава 3. Анализ адаптивной системы ЦФАП с ПОИФП при диффузионной модели динамического воздействия

3.1 Многомерная марковская диффузионная модель динамического воздействия

3.2 Функционирование и математическое описание адаптивной системы с ПОИФП при многомерном диффузионном марковском воздействии

3.3 Анализ характеристик процесса адаптации при многомерной марковской диффузионной модели динамического воздействия

3.3.1 Оценивание нормированной дисперсии формирующего шума

3.3.2 Асимптотическая зависимость

3.3.3 Формирование регулируемых коэффициентов передачи ЦФ

3.3.4 Оценка длительности процесса адаптации

3.4 Дисперсия ошибки слежения

3.4.1 Зависимость дисперсии ошибки слежения от условий работы и параметров системы

3.4.2 Сравнение ошибок слежения в адаптивной системе и системе с оптимальными коэффициентами

3.4.3 Сравнение ошибок слежения в адаптивной и неадаптивной системах

3.5 Выводы

Глава 4. Анализ адаптивной системы ЦФАП с ПОИФП при гармонической модели динамического воздействия

4.1 Гармоническое динамическое воздействие

4.2 Функционирование и математическое описание адаптивной системы ЦФАП с ПОИФП при гармонической модели динамического воздействия

4.3 Упрощённый анализ работы адаптивной ЦФАП

4.3.1 Анализ процесса адаптации

4.3.2 Ошибка слежения

3.4.3 Сравнение точности слежения в адаптивной и в неадаптивной ЦФАП

4.4 Уточнённый анализ работы адаптивной ЦФАП

4.4.1 Анализ процесса адаптации

4.4.2 Ошибка слежения

4.5 Выбор параметров адаптивной системы

4.6 Выводы

Глава 5. Особенности использования адаптивной ФАП с ПОИФП в аппаратуре потребителей СНС ГЛОНАСС

5.1 Анализ преимуществ квадратичной модели изменения фазы опорного сигнала коррелятора в базовой СС

5.2 Оценка характеристик разработанной адаптивной ФАП в НАП СНС при сложном динамическом воздействии

5.3 Анализ влияния нестабильности опорного генератора на адаптивную ФАП

5.4 Сравнительный анализ адаптивных ФАП, использующих различные методы адаптации

5.5 Выводы 234 Заключение 238 Приложение 2.1 244 Приложение 3.1 253 Приложение 3.2 256 Приложение 3.3 270 Список использованной литературы

Введение 2010 год, диссертация по радиотехнике и связи, Куликов, Роман Сергеевич

Актуальность темы

В РТСС, используемых в системах радиолокации, радионавигации и радиоуправления, основными показателями качества являются точность слежения за параметром сигнала и помехоустойчивость режима слежения. В этих системах точность слежения определяет в конечном итоге точность определения координат цели или потребителя, что является основной задачей данных систем. Так как к современным радиотехническим системам предъявляются всё более высокие требования по качественным характеристикам их функционирования, то задача повышения точности работы РТСС, в том числе радиолокационных и радионавигационных, по-прежнему, является актуальной.

Под помехоустойчивостью радиотехнической системы понимают [2] ее способность работать с заданными характеристиками в условиях воздействия помех. Все радиотехнические системы в той или иной степени работают в условиях действия радиопомех. Это в первую очередь непреднамеренные помехи, обусловленные излучением радиосигналов тех или иных радиосредств в близких частотных диапазонах, или сигналами, переотраженными от соседних зданий, сооружений, подстилающей поверхности и т.д. Все возрастающее число действующих радиосредств и перенасыщенность всех частотных диапазонов объективно повышают необходимость повышения помехоустойчивости радиотехнических систем, в том числе и РТСС. Многие радиолокационные, радионавигационные системы, системы связи и радиоуправления работают в условиях воздействия преднамеренных помех, Для таких режимов работы радиотехнических систем особенно актуально повышение их п омехоу стойчиво сти.

В аппаратуре потребителей (АП) спутниковых навигационных систем (СНС) наиболее низкой помехоустойчивостью обладают системы слежения за фазой сигнала (ФАП) [2]. Обусловлено это, прежде всего, тем, что динамика изменения фазы сигнала существенно больше динамики изменения доплеровского смещения частоты или задержки огибающей сигнала. Это приводит к необходимости использовать более широкую полосу пропускания ФАП, что и обуславливает большую подверженность воздействию помех. Адаптация ФАП к неизвестным статистическим характеристикам динамического воздействия приводит к регулировке, в том числе, и полосы пропускания системы, приближая её к оптимальному значению в конкретных условиях функционирования. При этом неизбежно повышается помехоустойчивость ФАП. Кроме того, следует отметить, что более широкая полоса пропускания ФАП накладывает более жесткие требования на время адаптации в СС, а, следовательно, и на контур адаптации. Поэтому проблема построения эффективного контура адаптации, обеспечивающего повышение и точности слежения и помехоустойчивости, наиболее остро стоит в системе ФАП.

В отличие от систем радиосвязи, в которых ФАП используется для решения задач синхронизации приема и обработки сигналов, в АП СНС ФАП используется как для решения задач синхронизации приема и обработки сигналов, так и для решения задачи «фазовых измерений», т.е. измерений координат потребителя по информации, заключенной в фазах принимаемых сигналов. Этот факт ставит особо актуальной задачу повышение точности слежения за фазой сигнала в ФАП, в том числе для динамичных потребителей и в условиях неопределённости характеристик их движения.

Применительно к системам радиосвязи большой вклад в исследование и оптимизацию ФАП внесли отечественные (Капранов В.М. [3], Кулешов В.Н. [3], Тихонов В.И. [4], Удалов Н.Н. [3], Шахгильдян В.В. [5], Шахтарин Б.И. [6] и др.) и зарубежные (Витерби [7], Линдсей [8] и др.) ученые. Применительно к аппаратуре потребителей СНС в исследование и оптимизацию ФАП внесли отечественные (Жодзишский М.И. [9], Перов А.И. [10], Харисов В.Н. [11] и др.) и зарубежные (Каплан Е. [12], Спилкер Дж [13] и др.) ученые.

Однако в известных исследованиях по системам ФАП не рассматривались вопросы адаптации ФАП к априорной неопределенности статистических характеристик изменения фазы сигнала (статистических характеристик динамического воздействия), обеспечивающие повышение точности слежения за фазой. В выпускаемой различными производителями АП (КБ НАВИС, ЗАО «НИИ космического приборостроения» и др.) характеристики ФАП выбираются, исходя из максимально возможной динамики движения потребителя, что не обеспечивает высокую точность слежения за фазой сигнала в стандартном режиме работы, а тем более при слабой динамике движения потребителя. Обеспечить высокую точность слежения за фазой сигнала в широком диапазоне условий движения потребителя можно в адаптивной ФАП, приспосабливающейся к априорно неопределенным условиям работы.

Из сказанного следует, что в интересах улучшения потребительских свойств (точности измерения, помехоустойчивости) аппаратуры потребителей СНС актуальной является задача разработки адаптивной ФАП, приспосабливающейся к априорной неопределённости характеристик динамического воздействия, вызванной априорной неопределённостью движения потребителя, в сложных условиях работы.

Состояние вопроса в рассматриваемой области

Существуют различные подходы к построению РТСС, работающих в условиях априорной неопределённости характеристик динамического воздействия [14 - 18].

Один из подходов [14] заключается в оптимизации параметров РТСС для наиболее сложных условий работы. При этом минимизируются ошибки слежения для самых тяжёлых условий, то есть когда они максимальны. Такой подход называют минимаксным. Построенные на основе минимаксного подхода РТСС оказываются неоптимальными при более лёгких условиях работы. Однако это может оказаться приемлемым, так как сами ошибки слежения при более лёгких условиях работы относительно невелики. В силу своей простоты и ограничения максимальной ошибки слежения минимаксный подход получил определённое распространение. Но растущие требования к точности слежения могут сделать его недостаточным, так как не обеспечена минимизация ошибок слежения для всех условий работы системы.

Ещё один способ [14] преодоления априорной неопределённости условий работы РТСС состоит в построении системы, нечувствительной, инвариантной к этим условиям. Инвариантная РТСС может быть построена на основе комплексной системы, имеющей два и более входов и осуществляющей совместную фильтрацию взаимосвязанных процессов: 1) использование двух и более независимых датчиков, оценивающих один и тот же процесс; 2) обработка процессов, отличных от оцениваемого, но связанных с ним (например, производных оцениваемого процесса). При этом инвариантность является результатом соответствующей обработки входных сигналов и исключения динамических ошибок слежения. Необходимо отметить, что «платой» за инвариантность является худшая точность слежения по сравнению с РТСС с оптимальными параметрами, рассчитанными для известных условий работы.

Наиболее перспективным подходом при проектировании РТСС в условиях априорной неопределённости характеристик динамического воздействия является построение адаптивных РТСС [15 - 18], приспосабливающихся к этой неопределённости. Достоинством данного подхода является то, что по успешном завершении процесса адаптации в следящей системе обеспечивается наилучшая точность слежения. В диссертации рассматривается именно такой (адаптивный) подход для преодоления априорной неопределенности условий работы РТСС.

При построении адаптивных РТСС часто полагают [15, 18], что неопределённость характеристик динамического воздействия носит параметрический характер и сводится к неопределённости некоторых параметров, описывающих принятую модель динамического воздействия (например, дисперсии отдельных компонент, спектральной плотности формирующих шумов и других). В этом случае адаптация РТСС к неопределённости характеристик динамического воздействия осуществляется путём оценивания указанных параметров воздействия с последующим использованием полученной оценки для подстройки параметров РТСС. Возможно использование различных моделей для описания динамического воздействия. В теории оптимальной фильтрации [16-19] используются стохастические модели в виде компонент многомерного марковского процесса. Такие модели удобны тем, что них достаточно хорошо развит аппарат математического синтеза оптимальных следящих систем, в том числе и в условиях априорной неопределённости их работы [15-19]. Недостатком данных моделей является то, что не всегда реальные динамические воздействия с достаточной точностью могут быть описаны многомерными марковскими процессами. Другой возможный тип моделей динамических воздействий основан на их описании квазислучайными процессами, которые представляют собой детерминированные функции времени со случайными (неизвестными) параметрами [19, 20]. Достоинством такого описания является то, что такими функциями достаточно точно можно описать многие реальные динамические воздействия. Однако при этом может потребоваться достаточно много неизвестных параметров, которые надо будет оценивать в процессе адаптации. Это является недостатком данного подхода. В диссертации изучается метод адаптации, основанный на описании динамических воздействий квазислучайными процессами.

Известно [1], что РТСС включает в себя дискриминатор, сглаживающий фильтр и генератор опорного сигнала. В теории оптимальных систем фильтрации (оптимальных следящих систем) показывается [16, 19], что структура дискриминатора определяется структурой наблюдаемого процесса (поступающего на вход РТСС), формой радиосигнала и параметром, за которым ведется слежение. Структура сглаживающего фильтра определяется характером изменения во времени параметра, за которым ведется слежение. В диссертации рассматривается проблема адаптации РТСС к априорной неопределенности характеристик динамического воздействия, т.е. параметра, за которым ведется слежение. Следовательно, адаптации должен подвергаться сглаживающий фильтр РТСС. Учитывая это, в диссертации полагается, что дискриминатор РТСС задан, а адаптации подлежит фильтровая часть системы. Отметим, что при работе на линейном участке дискриминационной характеристики задача построения фильтра адаптивной РТСС может быть сведена к общей задаче линейной фильтрации сообщений с неизвестными статистическими характеристиками [16].

Из литературы известен ряд методов адаптации: оценивания расширенного вектора состояния [14, 18], скользящего адаптивного приёма [15, 16], непосредственного регулирования параметров (НРП) [15], усреднения по апостериорной плотности вероятности неизвестных параметров [16]. В большинстве известных методов адаптации контур адаптации строится по принципу управления по рассогласованию (методы скользящего адптивного приёма, непосредственного регулирования параметров и ряд близких к ним алоритмов), при этом тем или иным методом в. следящей системе формируется процесс, пропорциональный рассогласованию- между истинным значением параметра, по которому проводится адаптация, и его оценочным значением, который и используется в контуре адаптации. Причём контуре управления формируется эквивалент дискриминатора по «управляемому» параметру и некоторый сглаживающий фильтр [15, 16]. Быстродействие контура адаптации, как показано в [15], определяется как быстродействием самой следящей системы, так и параметрами фильтра в контуре адаптации. Точность адаптации в такой системе в установившемся режиме достаточно высокая, но для ряда приложений быстродействие такой адаптивной РТСС оказывается недостаточным.

Другой известный подход основан на построении многоканальной системы фильтрации с последующим усреднением «канальных» оценок по апостериорной плотности вероятности распределения параметров, по которым проводится адаптация. Адаптивные системы, построенные данным методом, сочетают высокую точность адаптации с отличным быстродействием, но сложны в реализации.

Растущие требования к снижению времени адаптации, объёма вычислительных затрат и к другим показателям качества адаптивных систем делают актуальной задачу разработки новых, более эффективных алгоритмов адаптации.

В [21 - 23] предложен подход к адаптации следящей системы (СС) заданной структуры (базовая СС), в котором адаптация заключается в регулировке коэффициентов усиления СС процессом u(t), который формируется как оценка среднего квадрата приращения старшей производной вектора состояния, описывающего работу заданной СС. Данный подход в работе назван «прямым оцениванием интенсивности формирующего процесса» (ПОИФП). Для описания динамического воздействия в [21 - 23] использовалась квазислучайная модель. В работах [21 - 23] рассматривалась линейная дискретная следящая система, работающая в едином темпе времени (т.е. с временем дискретизации Td). Показано, что в предложенной адаптивной СС удается сократить время адаптации по сравнению с адаптивными СС, в которых контур адаптации строится по принципу управления по рассогласованию (см. выше).

Однако особенностью современных дискретных следящих систем различного назначения (радиолокационных, радионавигационных, в системах радиосвязи и радиоуправления) является существенное различие частоты работы АЦП (десятки и даже сотни мегагерц) и контура слежения за

I параметрами сигнала (от 1 кГц до десятков герц). Поэтому цифровая следящая система включает в себя блоки обработки с высокой и низкой частотой. Во многих приложениях обработка с высокой частотой осуществляется в корреляторах, представляющих собой перемножитель отсчетов сигнала, следующих с частотой работы АЦП fd -1jTd , на отсчеты опорного сигнала, I следующих с той же частотой, и равновесное накопление результата перемножения на интервале времени Т = MTd. Отсчеты с выхода сумматора следуют с частотой /н = 1/Г = 1/(М7^) = fd/M, т.е. существенно меньшей, чем частота дискретизации fd. Отметим, что в реальных системах М = 105.108. Сдвигая фазу опорного сигнала на я/2, можно сформировать синфазный и квадратурный корреляторы, которые далее можно использовать для построения дискриминаторов фазы, задержки, доплеровского смещения частоты и т.д. Следящие системы указанного типа применительно к аппаратуре спутниковой навигации описаны, например, в [2], где показано, что наличие в составе следящей системы коррелятора с достаточно большим временем накопления, близким к постоянной времени следящей системы тсс = 1/А/сс, где А/сс полоса пропускания следящей системы, существенно влияет на характеристики следящей системы (на точность оценок компонент вектора состояния, переходные процессы и т.д.). Если такие следящие системы использовать в качестве базовых для построения адаптивных следящих систем, то очевидно, что наличие в базовой следящей системе указанных выше корреляторов буде влиять и на характеристики работы адаптивной следящей системы (на время адаптации, точность адаптации и др.). Поэтому основной задачей данной диссертации является развитие метода ПОИФП для построения адаптивных РТСС, включающих нелинейные дискриминаторы на базе корреляторов с конечным временем накопления.

Цель работы - повышение эффективности (точности, времени адаптации, помехоустойчивости и т.д.) адаптивных дискретных ФАП с конечным временем накопления в дискриминаторах, приспосабливающихся к неизвестным характеристикам динамического воздействия.

Основные задачи исследования

Для достижения изложенной цели в диссертации решаются следующие основные задачи:

1. Разработка моделей и алгоритмов работы фазовых дискриминаторов, работающих в дискретном времени на базе корреляторов с конечным временем накопления при квадратичной модели доплеровского приращения фазы сигнала.

2. Расчет статистических характеристик фазовых дискриминаторов, работающих в дискретном времени на базе корреляторов с конечным временем накопления при квадратичной модели доплеровского приращения фазы сигнала.

3. Разработка алгоритма работы контура адаптации с прямым оцениванием интенсивности формирующего процесса (ПОИФП) в дискретной ФАП третьего порядка, использующей коррелятор с конечным временем накопления и квадратичную модель доплеровского приращения фазы сигнала.

4. Определение и обоснование показателей качества процесса адаптации в системе ФАП.

5. Исследование характеристик разработанной адаптивной дискретной ФАП третьего порядка для различных типов динамических воздействий, действующих на систему.

Методы исследования

1. теория вероятностей и математическая статистика;

2. теория оптимальной фильтрации случайных процессов;

3. теория адаптивных систем фильтрации;

4. теория спутниковой навигации;

5. статистическое моделирование;

6. вычислительная математика и моделирование.

Программные модели, использованные при исследовании, реализованы в среде программирования Delphi.

Научная новизна

1. Рассчитаны статистические характеристики фазовых дискриминаторов, построенных на базе корреляторов с конечным временем накопления при-квадратичной модели доплеровского приращения фазы сигнала.

2. Разработан алгоритм работы контура адаптации с прямым оцениванием интенсивности формирующего процесса (ПОИФП) в дискретной ФАП третьего порядка, использующей коррелятор с конечным временем накопления и квадратичную модель доплеровского приращения фазы сигнала.

3. Разработана адаптивная дискретная ФАП с контуром адаптации, построенным по методу ПОИФП, для приемника сигналов спутниковых навигационных систем и исследованы ее характеристики. По результатам исследования сформулированы рекомендации по выбору параметров адаптивной ФАП с ПОИФП.

4. Получено решение уравнения, связывающего истинное значение параметра динамического воздействия, к которому происходит адаптация, и среднего значения его оценки в замкнутой адаптивной ФАП.

5. Получены зависимости точности и времени адаптации, вероятности срыва слежения в процессе адаптации и ошибки слежения в установившемся режиме от условий работы и параметров адаптивной ФАП для моделей динамического воздействия с формирующим процессом постоянного уровня, с гармоническим формирующим процессом, в виде марковского диффузионного случайного процесса.

6. Оценено влияние нестабильности опорного генератора, входящего в состав навигационного приёмника, на процесс адаптации в адаптивной ФАП с ПОИФП.

7. Оценены и сопоставлены показатели качества процессов адаптации в исследуемой адаптивной ФАП с ПОИФП и в адаптивной ФАП, построенной по наиболее эффективному из известных методов адаптации — с усреднением по апостериорной плотности вероятности неизвестных параметров [16] — в условиях сложного нестационарного динамического воздействия.

Практическая значимость полученных в диссертации результатов заключается в следующем:

1. Разработанные алгоритмы обработки сигналов и информации в адаптивных дискретных ФАП обеспечивают улучшение потребительских свойств (точности, помехоустойчивости) радиотехнической аппаратуры, в которой они используются.

3. Разработана структура и обоснованы параметры адаптивной дискретной ФАП третьего порядка, приспосабливающейся к априорной неизвестным характеристикам возмущающего воздействия, для аппаратуры потребителей спутниковых навигационных систем.

Основные результаты диссертационной работы использовались:

- в НИР «Исследование и разработка новых принципов, методов и алгоритмов извлечения, обработки и защиты координатно-временной информации в перспективной аппаратуре потребителей глобальных спутниковых радионавигационных систем», выполненной МЭИ(ТУ) рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы»;

- в НИР «Исследование вопросов помехозащиты аппаратуры спутниковой навигации, средств наземного комплекса управления и бортовых информационно-навигационных комплексов системы ГЛОНАСС» выполняемой МЭЩТУ) рамках ФЦП «Глобальная спутниковая навигационная система»;

- в НИР «Исследование принципов и процессов генерации, излучения, распространения, приёма и обработки опто-, акусто- и радиосигналов для совершенствования современных информационно-телекоммуникационных комплексов», выполняемой МЭЩТУ) по заказу Агентства по образованию РФ;

- в ОКР «Разработка навигационной аппаратуры потребителей, работающей по сигналам перспективных глобальных навигационных спутниковых систем» (шифр «Перспектива С»), выполненной МЭЩТУ) по заказу ФГУП «НИИ космического приборостроения».

Внедрение результатов диссертационной работы в ОКР «Перспектива С» и достигнутый при этом эффект подтверждены соответствующими актами.

Положения, выносимые на защиту

2. Алгоритм работы контура адаптации с прямым оцениванием интенсивности формирующего процесса в дискретной ФАП третьего порядка, использующей коррелятор с конечным временем накопления и квадратичный закон изменения фазы опорных сигналов корреляторов.

4. Структура и параметры адаптивной дискретной ФАП третьего порядка, приспосабливающейся к априорной неизвестным характеристикам возмущающего воздействия и предназначенной для аппаратуры потребителей спутниковых навигационных систем.

5. Программные модели адаптивных дискретных ФАП при различных моделях динамического воздействия.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. XIV международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2008 год);

2. XV международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2009 год);

3. XVI международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2010 год).

Материалы диссертации опубликованы в 3 статьях в периодических научных изданиях [24, 25, 26], в 3 тезисах докладов [27, 28, 29] и в трех отчётах о научных исследованиях [30, 31, 32].

Структура и краткое содержание работы

В главе 1 решены первые четыре задачи диссертации.

Описана квадратичная модель доплеровского приращения фазы сигнала и отличие её от менее точной традиционной линейной.

Описана модель динамического воздействия третьего порядка, основанная на квадратичной модели доплеровского приращения фазы.

Разработан комплексный коррелятор с конечным временем накопления при квадратичной модели доплеровского приращения фазы и определены его статистические характеристики: средние значения и дисперсии флуктуационных составляющих квадратурных компонент процесса на выходе комплексного коррелятора.

На основе данного коррелятора разработан фазовый дискриминатор с конечным временем накопления приёмника спутниковых радионавигационных систем при квадратичной модели доплеровского приращения фазы, определены его статистические характеристики и рассмотрено семейство его дискриминационных функций. Особенность сигналов спутниковых радионавигационных систем — модуляция дальномерным кодом и, навигационным сообщением. Особенность фазового дискриминатора при использовании квадратичной модели доплеровского приращения фазы -зависимость выходного процесса дискриминатора (то есть оценки фазового рассогласования) не только от ошибки слежения по фазе, но и от двух её производных.

Описана структура адаптивной дискретной ФАП третьего порядка с ПОИФП, базовая часть которой содержит модель фазового дискриминатора с конечным временем накопления приёмника спутниковых радионавигационных систем.

Определены и обоснованы исследуемые в работе показатели качества процесса адаптации: ошибка адаптации, время адаптации и вероятность срыва слежения в процессе адаптации.

В главе 2 решается задача 5 для случая модели динамического воздействия с постоянным формирующим процессом.

Описана модель динамического воздействия третьего порядка с постоянным формирующим процессом. Априорная неопределённость динамического воздействия заключается в априорной неопределённости уровня формирующего процесса.

Проведён анализ адаптивной ФАП, в результате которого получено уравнение, связывающее (в установившемся режиме) истинную нормированную интенсивность формирующего процесса и среднее значение её оценки с учетом дисперсии флуктуаций этой оценки. Получено приближённое решение данного уравнения, на основе которого построены зависимости ошибки адаптации (регулярной, флуктуационной и среднеквадратической) от условий работы и параметров системы. Приводятся результаты сравнения полученных аналитических результатов и результатов имитационного моделирования.

Приводятся результаты моделирования по оценке:

- времени адаптации в зависимости от условий работы и параметров адаптивной ФАП;

- вероятности срыва слежения в процессе адаптации в зависимости от условий работы и параметров адаптивной ФАП.

Приводятся результаты аналитических расчетов статистических характеристик ошибки слежения (среднего значения, дисперсии флуктуационной составляющей и среднеквадратической) замкнутой адаптивной ФАП в установившемся режиме.

Проводится сравнение ошибки слежения в адаптивной ФАП и в ФАП с оптимальными параметрами (обеспечивающими минимум среднего квадрата ошибки слежения в установившемся режиме). Показано (аналитически), при каких условиях работы и параметрах адаптивной ФАП её ошибка слежения близка к ошибке слежения в ФАП с оптимальными параметрами.

Проведено сравнение ошибки слежения в адаптивной ФАП и в минимаксной ФАП. Определён (аналитически) максимальный выигрыш в точности слежения в адаптивной ФАП по сравнению с минимаксной ФАП в зависимости от условий работы и параметров адаптивной ФАП.

Приводятся рекомендации по выбору параметров адаптивной ФАП (постоянных времени сглаживающих фильтров блока адаптации) с точки зрения максимизации выигрыша по точности слежения, аналитическое выражение для которого получено в данной главе.

В главе 3 решается задача 5 для случая многомерной марковской диффузионной модели динамического воздействия.

Описана модель динамического воздействия третьего порядка, в которой формирующим процессом является дискретный белый гауссовский шум. Априорная неопределённость динамического воздействия заключается в априорной неопределённости спектральной плотности формирующего шума.

Проведён анализ адаптивной ФАП при рассматриваемом типе динамического воздействия, в результате которого получено уравнение, связывающее (в установившемся режиме) истинную нормированную интенсивность формирующего процесса и среднее значение её оценки с учетом, дисперсии флуктуаций этой оценки. Получено приближённое (асимптотическое) решение данного уравнения, которое позволило в простом аналитическом виде получить ряд зависимостей. Приведено решение обратного уравнения, на основе которого построены зависимости ошибки адаптации от условий работы и параметров системы. Результаты аналитического исследования сопоставлены с результатами компьютерного моделирования.

Приведены результаты моделирования по исследованию переходного процесса в системе при резком изменении дисперсии формирующего шума и оценено время адаптации в зависимости от условий работы и параметров адаптивной ФАП.

Проведено сравнение ошибки слежения в адаптивной ФАП и в ФАП с оптимальными параметрами (обеспечивающими минимум среднего квадрата ошибки слежения в установившемся режиме). Аналитически показано, при каких условиях работы и параметрах адаптивной ФАП её ошибка слежения близка к ошибке слежения в ФАП с оптимальными параметрами. Выбор параметров адаптивной ФАП (постоянных времени сглаживающих фильтров блока адаптации) предлагается делать с точки зрения минимизации среднего арифметического значения дисперсии ошибки слежения в самых лёгких и самых тяжёлых условиях работы. Такая зависимость получена аналитически.

В главе 4 решается задача 5 для случая модели динамического воздействия с гармоническим формирующим процессом.

Описана модель динамического воздействия третьего порядка, в которой формирующим процессом является косинусоида (то есть радиальное ускорение на линии источник сигнала — приёмник сигнала аппроксимируется синусоидой). Априорная неопределённость динамического воздействия заключается в априорной неопределённости амплитуды и периода гармонического формирующего процесса.

Проведён упрощённый анализ процесса адаптации, который не учитывает запаздывание и смещение оценок в блоке адаптации. В результате упрощённого анализа определены средние значения регулируемых коэффициентов в замкнутой адаптивной дискретной ФАП, ошибки слежения (средняя по реализациям, дисперсия флуктуационной и среднеквадратическая) и выигрыш по точности слежения у более простой неадаптивной минимаксной ФАП.

Приведены результаты моделирования адаптивной ФАП с рассматриваемым типом динамического воздействия, выявившие ряд особенностей ее работы. По результатам моделирования проведён уточнённый анализ адаптивной ФАП, в котором приближённо учитывается запаздывание и смещение оценок в блоке адаптации. Данный анализ позволил выявить условия появления периодических (формирующий процесс - гармоническая функция) выбросов динамической ошибки слежения, которые существенно ухудшают результирующую точность слежения и увеличивают вероятность срыва слежения в процессе адаптации. В результате получено уравнение, решение которого (графическое) позволяет выбрать параметры адаптивной ФАП (постоянные времени сглаживающих фильтров блока адаптации) в зависимости от условий работы таким образом, чтобы осуществлять адаптацию с максимальной точностью, исключив появление выбросов динамической ошибки слежения.

В главе 5 решаются задачи 6, 7 применительно к особенностям использования адаптивной ФАП в аппаратуре потребителей ГЛОНАСС.

Исследуются характеристики базовой системы ФАП, работающей в составе приемника сигналов СНС ГЛОНАСС и использующей корреляторы, опорные сигналы которых имеют квадратичный закон изменения фазы на интервале накопления коррелятора. Анализируется максимально допустимое время накопления в корреляторах, при котором не возникает заметного ухудшения точности работы ФАП.

Исследуется характеристики разработанной адаптивной ФАП при сложном нестационарном динамическом воздействии, отражающем сложные условия работы ФАП в составе навигационного приемника. Оценивается время адаптации, точность слежения за фазой сигнал и выигрыш по точности слежения в адаптивной ФАП по сравнению с неадаптивной ФАП.

Исследуется влияние нестабильности опорного генератора навигационного приемника на процесс адаптации в разработанной ФАП.

Проводится сравнительный анализ характеристик разработанной адаптивной ФАП с характеристиками адаптивной ФАП, построенной по одному из известных методов — с усреднением по апостериорной плотности вероятности неизвестных параметров, который по литературным источникам является одним из наиболее эффективных методов адаптации.

В Заключении приводятся основные результаты, полученные в диссертационной работе.

Личный вклад автора

Автором лично получены следующие результаты:

1. разработка и отладка всех программных моделей, использованных в работе над диссертацией;

2. расчёт дисперсии флуктуационной составляющей ошибки адаптации;

3. решение обратного уравнения, связывающего истинную нормированную интенсивность формирующего процесса и среднее значение её оценки и дисперсию её флуктуаций в замкнутой адаптивной ФАП в установившемся режиме;

4. все материалы главы 4 (анализ адаптивной дискретной ФАП третьего порядка при гармонической модели динамического воздействия);

5. рекомендации по выбору параметров адаптивной дискретной ФАП с ПОИФП при всех рассмотренных в диссертации моделях динамического воздействия;

6. модернизация метода адаптации с усреднением по апостериорной плотности вероятности (АПВ) неизвестных параметров;

7. оценка качества процессов адаптации адаптивных ФАП (с ПОИФП и с усреднением по АПВ) при сложном нестационарном динамическом воздействии.

Анализ адаптивной дискретной ФАП при модели динамического воздействия с кусочно-постоянным формирующим процессом (глава 2) и многомерной марковской диффузионной модели (глава 3) проведены совместно с Первачёвым С.В.

Исследования по принципам построения дискретной ФАП на базе комплексных корреляторов с конечным временем накопления при использовании квадратичной модели приращения доплеровской фазы, анализу статистических характеристик данных корреляторов и построенного на их основе фазовых дискриминаторов приемников спутниковой навигации (глава 1), а также исследования по эффективности использования ФАП в аппаратуре потребителей СНС ГЛОНАСС (глава 5) проведены совместно с Перовым А.И.

Благодарности

Выражаю огромную благодарность своему учителю доктору технических наук, профессору Сергею Владимировичу Первачёву, чей вклад в эту работу и в моё образование вообще невозможно переоценить. Его жизнь прервалась на завершающем этапе работы над диссертацией.

Также выражаю огромную благодарность заведующему кафедрой доктору технических наук, профессору Александру Ивановичу Перову за его большую помощь при подготовке диссертации.

Заключение диссертация на тему "Разработка и исследование адаптивных систем фазовой автоподстройки и их применение в аппаратуре потребителей спутниковых навигационных систем"

Основные результаты, полученные в диссертации, заключаются следующем.

2. Получены аналитические выражения для расчета статистических характеристик ФД, работающих в дискретном времени на базе корреляторов с конечным временем накопления при квадратичном законе изменения фазы опорных сигналов корреляторов. На базе полученных выражений построены и проанализированы дискриминационные характеристики ФД.

3. Разработан алгоритм работы контура адаптации с прямым оцениванием интенсивности формирующего процесса (ПОИФП) в дискретной ФАП третьего порядка, использующей коррелятор с конечным временем накопления и квадратичную модель изменения фазы опорного сигнала коррелятора.

4. Введены определения показателей качества процесса адаптации: ошибка адаптации, время адаптации и вероятность срыва слежения в процессе адаптации. Время адаптации предложено определять по критерию близости (±10%) СКО ошибки слежения в адаптивной следящей системе к СКО ошибки слежения в следящей системе с оптимальными (обеспечивающими минимум среднего квадрата ошибки слежения в установившемся режиме) параметрами.

5. Проведено аналитическое исследование процесса адаптации дискретной ФАП третьего порядка с контуром адаптации, построенным по методу ПОИФП, при различных моделях динамического воздействия третьего порядка, в которых в качестве формирующих процессов использованы:

• постоянный;

• белый гауссовский шум;

• гармонический.

Найдены приближённые решения (итерационные, асимптотические) уравнения, связывающего истинное значение параметра динамического воздействия, к которому происходит адаптация, и среднего значения его оценки в замкнутой адаптивной ФАП. Это позволило получить в аналитическом (и относительно простом) виде соотношения для ошибки адаптации, ошибки слежения, выигрыша адаптивной ФАП по точности слежения перед более простой неадаптивной минимаксной ФАП.

В результате проведенных аналитических исследований даны рекомендации для значений параметров отдельных узлов контура адаптации в зависимости от условий работы. Для многих условий работы оказались рекомендованы значения постоянных времени фильтров в контуре адаптации 7^,, = 50мс, 7ф2 = 25мс.

6. Проведено имитационное моделирование адаптивной ФАП, в результате которого получены оценки показателей качества процесса адаптации при трёх исследованных в диссертации моделях динамического воздействия, которые приведены ниже в табл. 1, где использованы обозначения dajdt - аппроксимируемый рывок радиального ускорения; и постоянный уровень формирующего процесса; /л — безразмерная нормированная интенсивность формирующего процесса; AF30pt - полоса пропускания ФАП с оптимальными параметрами (обеспечивающими минимум среднего квадрата ошибки слежения в установившемся режиме); ста ~ аппроксимируемое СКО радиального ускорения; Тк - время автокорреляции аппроксимируемого радиального ускорения; сг2 — дисперсия формирующего шума; /лд — безразмерная нормированная дисперсия, формирующего шума; атах — амплитуда аппроксимируемого радиального ускорения; Tv и G — период и амплитуда гармонического формирующего процесса; Мг - амплитудное значение безразмерного нормированного квадрата формирующего процесса; $Кзск ~ относительная среднеквадратическая ошибка адаптации; taX и ta2 - время адаптации «вверх» и «вниз»; Р - вероятность срыва слежения в процессе адаптации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Библиография Куликов, Роман Сергеевич, диссертация по теме Радиолокация и радионавигация

1. Первачёв С.В. Радиоавтоматика. Учебник для ВУЗов. М.: Радио и связь, 1982, 296 с.

2. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования. Под ред. Перова А.И., Харисова В.Н. Изд. 4-е, перераб. М.: Радиотехника, 2010, 800 с.

3. Капранов М. В., Кулешов В.Н., Удалов Н.Н. и др. Фазовая синхронизация /Под ред. В.В. Шахгильдяна. М.: Сов. радио, 1978.

4. Тихонов В.И., Кульман Н.К. Нелинейная фильтрация и квазикогерентный прием сигналов. — М.: Сов. Радио, 1975, 704 с.

5. Системы фазовой синхронизации /Под ред. В.В. Шахгильдяна, Л.Н. Белюстиной. М.: Радио и связь, 1982. - 288 с.

6. Шахтарин Б.И. Синхронизация в радиосвязи и радионавигации/ Б.И. Шахтарин, А.А. Иванов, М.А. Рязанова и др.-М.: Гелиос АРВ, 2007. -256с.

7. Витерби Э.Д. Принципы когерентной связи /Перевод с англ. под ред. Б.Р. Левина. М.: Сов. Радио, 1970. - 392 с.

8. Линдсей B.C. Системы синхронизации в связи и управлении /Пер. с англ. под ред. Ю. Н. Бакаева, М. В. Капранова. М.: Сов. радио, 1978.

9. Жодзишский М.И., Сила-Новицкий С.Ю., Прасолов В.А. и др. Цифровые системы фазовой синхронизации/ Под ред. М.И. Жодзишского. М: Сов. радио, 1980.-208 е.,

10. Перов А.И. Дискретная система ФАП с оптимальным накоплением сигнала в приемоиндикаторах спутниковых радионавигационных систем// Радиотехника, 1998, № 7, с. 100-104.

11. П.Харисов В.Н., Величкин А.И., Иванов В.Н. Синхронизация фазоманипулированных сигналов// Радиотехника и электроника, 1983, т. 28, № 2, с. 283-289.

12. Understanding GPS: Principles and Applications/ Ed. by E.D. Kaplan, C.J. Hegarty. Artech House, Boston|London, 2006.

13. Global positioning System. Theory and Application! Edited by B.W. Parkinson, J.J. Spilker, 1996. AIAA Inc.

14. Репин В.Г., Тартаковский Г.П. Статистический синтез при априорной неопределенности и адаптация информационных систем. -М.: Сов радио, 1977.

15. Первачёв С.В., Перов А.И. Адаптивная фильтрация сообщений. М.: Радио и связь, 1991. 160 с.

16. Перов А.И. Статистическая теория радиотехнических систем. Учебное пособие для ВУЗов. М.: Радиотехника, 2003. - 400 с.

17. Меркулов В.И., Канащенков А.И. и др. Оценивание дальности и скорости в радиолокационных системах / Под ред. А.И. Канащенкова, В.И. Меркулова. М.: Радиотехника, 2004. - 312 с.

18. Стратонович P.JL принципы адаптивного приема. -М.6 Сов радио, 1973.- 144 с.

19. Тихонов В.И., Харисов В.Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем. М.: Радио и связь, 1991. - 608-с.

20. Ярлыков М.С. Статистическая теория радионавигации. — М.: Радио и связь, 1985.-344 с.

21. Первачев С.В., Фам Хай Чунг. Адаптация цифровых радиотехнических сситем при неизвестной интенсивности динамического воздействия// Вестиник МЭИ, 2005, №4, с. 91-96.

22. Фам Хай Чунг. Адаптивная дискретная следящая система с afiy-фильтром// Радиотехнические тетради, 2005, №31, с.64-69.

23. Фам Хай Чунг. Разработка и исследование алгоритмов адаптации цифровых радиотехнических следящих систем радионавигационных и радиолокационных приемников/ Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических* наук. МЭИ(ТУ), 2005.

24. Первачёв С.В., Куликов Р.С. Цифровая система фазовой автоподстройки с сфу-фильтром, адаптирующаяся к динамическому воздействию неизвестной интенсивности. Вестник МЭИ, 2010, № 1, с 66-72.

25. Первачёв С.В., Куликов Р.С. Анализ точности адаптации в адаптивной цифровой системе при диффузионной модели динамического воздействия. Вестник МЭИ, 2010, № 2, с. ?

26. Куликов Р.С. Применение адаптивной ФАП в составе приёмника спутниковой навигации высокодинамичного потребителя. Радиотехнические тетради, 2010, №41, с. 29-34.

27. Куликов Р.С. Адаптивная цифровая система фазовой автоподстройки. Четырнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» тез. докл. М.: Изд-во МЭИ, 2008, Т1.

28. Евсиков А.Ю., Чапурский В.В. Преобразование случайных процессов в радиотехнических устройствах. М.: Высшая школа, 1977, 263 с.

29. Первачёв С.В., Чиликин В.М. Цифровые системы радиоавтоматики. М.: Изд-во МЭИ, 1999, 46 с.35.3амолодчиков В.Н., Чиликин В.М. Синтез дискриминаторов и фильтров радиотехнических следящих систем. М.: Изд-во МЭИ, 1992, 115 с.

30. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. Учебник для ВУЗов. Изд. 4-е, перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1986, 512 с.

31. Солодовников В.В. Статистическая динамика линейных систем автоматического управления. М.: Физматгиз, 1960.

32. Перов А.И. Адаптивные алгоритмы сопровождения маневрирующих целей. Радиотехника, 2002 №7, с. 73 81.

33. Перов А.И. Адаптивное слежение за дальностью маневрирующей цели. Радиотехнические тетради, 2001 № 23, с. 63 66.

34. A derivation of an analytic expression for the tracking index for the alpha-beta-gamma filter. IEEE transactions on aerospace and electronic systems, vol. 29 no. 3 July 1993.i

Похожие работы

Радиотехника и связь
05.12.00