Содержание к диссертации
Введение
РАЗДЕЛ 1. Классические методы обработки шумоподоеных сигналов нафонепомехиихразвите 23
1.1. Особенности применения и приёма шумоподобных сигналов в современных информационно-измерительных РЭС 23
1.2. Традиционные и спектрально-эффективные периодические шумоподобные сигналы рассматриваемых информационно-измерительных РЭС 25
1.3. Виды помех в РЭС рассматриваемого класса и обзор известных способов обеспечения помех оп одавления 27
1.4. Интегральная и матричная формы традиционной базовой операции обработки детерминированных сигналов и её потенциальные возможности помехоподавления 31
1.4.1. Интегральная форма базовой операции 31
1.5. Классический алгоритм адаптации к помехе с прямым методом вычисления весовых коэффициентов. Требования, формализация и существующие ограничения 35
1.5.1. Особенности формирования корреляционной матрицы, формируемой по отсчётам классифицированной временной выборки аддитивной смеси помехи и шума 39
1.5.2. Обращение корреляционной матрицы, формируемой по временным отсчётам классифицированной временной выборки аддитивной смеси помехи и шума 40
РАЗДЕЛ 2. Анализ показателей качества процедуры помехоподавления при формировании корреляционых матриц по временной классифицированной и неклассифицированной выборке 51
2.1. Показатели качества процедуры помехоподавления на основе выборочных корреляционных матриц временной классифицированной и неклассифицированной выборки 51
2.2. Показатели качества процедуры помехоподавления при временной классифицированной выборке 52
2.3. Показатели качества процедуры помехоподавления при временной неклассифицированной выборке 55
2.4. Имитационное моделирование процедуры помехоподавления на основе выборочных корреляционных матриц классифицированной и неклассифицированной обучающей выборки 57
2.4.1. Методика верификации качества процедуры помехоподавления на основе выборочных корреляционных матриц классифицированной и неклассифицированнойобучающей выборки 57
2.4.2. Имитационное моделирование процедуры помехоподавления на основе выборочных корреляционных матриц аддитивной смеси сигнала, шума и преднамеренной широкополосной помехи 59
2.4.3. Имитационное моделирование процедуры помехоподавления на основе выборочных корреляционных матриц аддитивной смеси сигнала, шума и преднамеренной узкополосной помехи 72
2.4.4. Имитационное моделирование процедуры помехоподавления на основе выборочных корреляционных матриц аддитивной смеси сигнала, шума и преднамеренной полосовой помехи 76
2.5. Выводы
РАЗДЕЛ 3. Обеспечение робастности классического алгоритма адаптации к помехе по отношению к сигнальной компоненте, принципиально присутствующей в корреляционной матрице неклассифицированной обучающей выборки 82
3.1. Новые способы обеспечения робастности алгоритма адаптации к помехе по отношению к сигнальной компоненте 83
3.1.1. Способ обеспечения робастности -слассического алгоритма адаптации к помехе по отношению к сигнальной компоненте с предварительным поиском-выбором образующего вектора 83
3.1.2. Способ обеспечения робастности -слассического алгоритма адаптации к помехе по отношению к сигнальной компоненте без предварительного поиска-выбора образующего вектора (способ, основанный на специальном формировании корреляционной матрицы по отсчётам неклассифицированной обучающей выборки) 3.2. Схемные решения для реализации адаптивных алгоритмов, обеспечивающих робастностьпо отношениюк сигнальной компоненте 92
3.3. Преобразования для экспресс-проверки временных гипотез при оценке выходных эффектов новых способов обеспечения робастности классического алгоритма адаптации к помехе по отношениюк сигнальной компоненте 95
3.4. Результаты имитационного моделирования 97
3.4.1. Поиск шумоподобного сигнала на фоне узкополосной помехи и шума 97
3.4.2. Поиск шумоподобного сигнала на фоне структурно-подобной помехи и шума 107
3.4.3. Выходные эффекты традиционной и предлагаемой процедуры поиска шумоподобного сигнала по времени запаздывания при наблюдении на фоне тональной и структури о-под обн ой помехи 114
3.5. Выводы 118
РАЗДЕЛ 4. Обеспечение помехоустойчивости и точности фазовой синхронизации приёмоиндикатора перспективной рнс. функционирующей на фоне флуктуационной. узкополосной и внутрисистемной помехи 121
4.1. Современное состояние и перспективы развития интегрированных РНС. требования к наземному сегменту и сигнально-помехозые условия его функционирования 121
4.1.1. Структурная схема современной широкополосной наземной РНС.
функционирующей совместно с КНС 126
4.1.2. Структураи формат навигационных сигналов широкополосной РНС 128
4.1.3. Особенности синхронизации широкополосных РНС. функционирующих совместно с КНС 131
4.2. Первичная обработка сигналов широкополосной РНС 133
4.2.1. Этапы первичной обработки сигналов широкополосной РНС 133
4.2.2. Структурная схема канала первичной обработки сигналов широкополосной РНС.
4.2.3. Квази оптимальная корреляционная обработка шумоподобных сигналов с минимальной частотной манипуляцией 135
4.2.4. Анализ помехоустойчивости кзазиоптимальных алгоритмов корреляционной обработки ШПС-МЧМ 142
4.2.5. Статистическое моделирование хвазиоптимальных алгоритмов корреляционной обработки ШПС-МЧМ 144
4.3. Требования к фазовой синхронизации приемоиндикаторов РНС с шумоподобными МЧМ-сигналами 145
4.3.1. Требования к точности и быстродействию системы фазовой синхронизации 148
4.3.2. Требования к помехоустойчивости системы фазовой синхронизации 149
4.3.3. Анализ требований к когерентности опорного сигнала демодулятора 151
4.3.4. Особенности построения цифровых систем фазовой синхронизации приемоиндикаторов широкополосных РНС 155
4.4. Помех суетой чив ость дискриминаторов системы фазовой синхронизации приёмоиндикатора широкополосной РНС 158
4.4.1. Оптимальный фазовый дискриминатор шумоподобного сигнала с минимальной частотной манипуляцией 159
4.4.2. Сравнительный анализ помехоустойчивости квази оптимальных алгоритмов фазового дискримширования ШПС-МЧМ 160
4.4.3. Воздействие флуктуационной помехи на фазовый дискриминатор ШПС-МЧМ 165
4.4.4. Воздействие внутрисистемной структурно-подобной помехи на фазовый дискриминатор ШПС-МЧМ 171
4.5.1. Частотный дискриминатор шумоподобного сигнала с минимальной частотной манипуляцией 174
4.5.2. Оптимальный частотный дискриминатор шумоподобного сигнала с минимальной частотной манипуляцией 175
4.5.3. Сравнительный анализ квазиоптимальных алгоритмов частотного дискриминирования шумоподобного сигнала с минимальной частотной манипуляцией 176
4.6. Система фазовой синхронизации приёмоиндикатора широкополосной РНС 179
4.6.1. Структурная схема цифровой системы фазовой синхронизации приёмоиндикатора широкополосной РНС 179
4.6.2. Структура сглаживающих цепей цифровой системы фазовой синхронизации
4.6.2.1. Параметры астатического фильтра первого порядка 182
4.6.2.2. Параметры астатического фильтра второго порядка 183
4.6.3. Методы ускоренной фазовой синхронизации приёмоиндикатора широкополосной
РНС 184
4.6.3.(.Комбинированная система частотно-фазовой синхронизации 185
4.6.3.2. Нестационарная система фазовой синхронизации второго порядка астатизма 190
4.7. Исследование точности системы фазовой синхронизации при различной динамике объекта 195
4.7.1. Точность системы фазовой синхронизации при сложной модели динамики объекта 195
4.7.2. Точность системы фазовой синхронизации 2-го порядка астатизма при комплексировании с автономным датчиком скорости 201
4.7.3. Влияние нестабильности опорного генератора на точность фазовой синхронизации 205
4.7.4. Точность системы фазовой синхронизации при стохастической модели движения объекта 209
4.8. Исследование помехоустойчивости системы фазовой синхронизации приёмоиндикатора РНС 211
4.8.1. Помехоустойчивость системы фазовой синхронизации при воздействии структурно подобной помехи 211
4.8.2. Помехоустойчивость системы фазовой синхронизации при воздействии узкополосных помех 218
4.9. Выводы 222
РАЗДЕЛ 5. Реализация и экспериментальное исследование алгоритмов цифрового приёма традиционных и спектрально-эффективных шумоподобных сигналов на фоне преднамеренных и структурно-подобных помех 225
5.1. Разработка и исследование алгоритмов прецизионной кодовой синхронизации цифрового корреляционного приемника шумоподобных МЧМ-сигналов 227
5.1.1. Интерфейс модуля системы кодовой синхронизации экспериментального образца цифрового приёмника шумоподобных МЧМ-сигналов 228
5.1.2 Структура модуля системы кодовой синхронизации экспериментального образца цифрового приёмника шумоподобных МЧМ-сигналов
5.2. Разработка и исследование алгоритмов прецизионной фазовой синхронизации цифрового корреляционного приёмника шумоподобных МЧМ-сигналов 234
5.2.1 Интерфейс модуля системы фазовой синхронизации шумоподооного сигнала с минимальной частотной манипуляцией 234
5.2.2 Структура модуля системы фазовой синхронизации экспериментального образца цифрового приёмника шумоподооного МЧМ-сигнала
5.3. Реализация и исследование точности комбинированной системы синхронизации следящего корреляционного приёмника шумоподобных МЧМ-сигналов 240
5.4. Разработка экспериментального образца имитатора МЧМ-сигналов высокоточной интегрированной радионавигационной системы средствами Xilinx System Generator for DSP на отладочной плате Xtreme DSP Development Kit-IV 243
5.4.1 Интерфейс модуля имитатора шумоподобного МЧМ-сигнала 246
5.4.2. Структура модуля имитатора шумоподобных МЧМ-сигналов 248
5.5. Разработка экспериментального образца цифрового приёмника МЧМ-сигналов средствами Xilinx System Generator for DSP на отладочной плате Xtreme DSP Development Kit-IV 254
5.5.1 Структурная схема проведения исследования экспериментального образца цифрового приёмника шумоподобных МЧМ-сигналов 254
5.5.2 Расширение рабочей зоны наземного сегмента перспективной интегрированной радионавигационной системы 255
5.5.3 Параметры экспериментального образца цифрового приемника и имитатора шумоподобных МЧМ-сигналов 258
5.5.4 Условия проведения экспериментального исследования 258
5.5.5. Уровни сигналов 261
5.5.6 Результаты исследования экспериментального образца цифрового приёмника шумоподобных МЧМ-сигналов 261
5.5.6.1. Прием сигнала одной опорной станции 261
5.5.6.2. Прием сигнала опорной станции на фоне внутрисистемной структурно-подобной помехи 265
5.5.6.3. Прием сигнала опорной станции на фоне мощной внутрисистемной структурно-подобной помехи 268
5.6. Экспериментальное исследование процедур поиска шумоподобного сигнала при
воздействии узкополосных и структурно-подобных помех 271
5.7. Выводы 276
Заключение 278
Список литературы
- Интегральная и матричная формы традиционной базовой операции обработки детерминированных сигналов и её потенциальные возможности помехоподавления
- Имитационное моделирование процедуры помехоподавления на основе выборочных корреляционных матриц классифицированной и неклассифицированной обучающей выборки
- Способ обеспечения робастности -слассического алгоритма адаптации к помехе по отношению к сигнальной компоненте с предварительным поиском-выбором образующего вектора
- Этапы первичной обработки сигналов широкополосной РНС
Введение к работе
Актуальность работы. Для современных радиоэлектронных систем (РЭС) характерной особенностью является их функционирование на фоне помеховых воздействий с разной природой возникновения. В особенно сложных сигнально-помеховых условиях приёма оказываются информационно-измерительные РЭС, принципиально вынужденные работать в условиях слабого сигнала. Для РЭС такого класса, функционирующих с ненаправленными приёмными антеннами, что обуславливает обработку в приёмнике отсчётов исключительно временной выборки аддитивной смеси сигнала, помехи и шума, наибольшую опасность представляют мощные внутрисистемные и преднамеренные активные помехи.
Характерным примером являются наземные радионавигационные системы (РНС) диапазона средних частот (СЧ), функционирующие совместно с космическими навигационными системами (КНС), в соответствии с концепцией их интеграции, предусмотренной Радионавигационным планом Российской Федерации (утв. 28.07.2015г. приказом №2123 Министерства промышленности и торговли РФ). Важным этапом приёма шумоподобньгх сигналов (ШПС) в таких РЭС, является поиск по времени запаздывания и частоте, поскольку для реализации их обработки необходимо исключить априорную неопределённость относительно данных параметров. Поиск ШПС исчезающе малой интенсивности весьма осложняется в присутствии любых помеховых воздействий, не предусмотренных штатными условиями функционирования системы. Следовательно, повышение помехоустойчивости процедуры поиска ШПС, т.е. обеспечение правильного определения времени запаздывания при увеличении отношения «помеха/сигнал», является актуальным направлением.
Большое число РЭС, действующих в СЧ-диапазоне, обуславливает перспективность применения спектрально-эффективных ШПС в наземных РНС. Важной особенностью таких РНС является возможное существенное энергетическое превосходство одного из одновременно принимаемых ШПС над другими, излучаемых в общей полосе частот, что и создаёт мощные внутрисистемные структурно-подобные помехи. Перспективные требования по расширению функциональных возможностей РНС, предполагающие их совместное использование с КНС, определяют необходимость передачи цифровой информации (ЦИ) в составе сигналов системы. Передача ЦИ приводит к существенному ухудшению взаимных корреляционных свойств ансамбля ШПС, что отрицательно сказывается на возможностях по нейтрализации внутрисистемных помех. Требования высокой точности радионавигационных определений возлагаются на систему фазовой синхронизации (СФС) приёмоиндикатора РНС, поскольку фазовые сдвиги сигналов являются радионавигационными параметрами. Высокие требования к точности СФС определяют малые значения её шумовой полосы, что приводит к значительному возрастанию времени установления синхронизации. Поэтому проблема создания системы фазовой синхронизации обладающей высокими характеристиками точности, помехоустойчивости и быстродействия для приёмоиндикатора РНС, функционирующей на фоне мощных внутрисистемных структурно-подобных помех и шума, является актуальной и востребованной.
Важно отметить, что для широкого круга потребителей рассматриваемых РЭС, функционирующих с одиночными ненаправленными антеннами, использование способа пространственной фильтрации для обеспечения работы на фоне помех оказывается принципиально недоступным. Вместе с тем, при возрастающей загрузке радиочастотного диапазона, потребность в снижении неблагоприятного влияния помехового фона у многих потребителей РЭС рассматриваемого класса повышается. Таким образом, для современных радиоэлектронных систем важным направлением их совершенствования является повышение эффективности обработки шумоподобных сигналов на фоне помех при доступности исключительно временной выборки наблюдаемой аддитивной смеси.
Степень разработанности темы исследования. Проблемы приёма сигналов на фоне помех начали интересовать исследователей практически одновременно с появлением первых РЭС. Известны фундаментальные работы Н.Д. Папалекси и В.А. Котельникова, ставшие классическими. Важнейшими этапами обработки ШПС являются поиск по времени запаздывания и частоте, а также установление кодового и фазового синхронизма. При отсутствии помехового фона эти этапы выполняются традиционными методами. Проблеме синхронизации приёмников посвящено значительное количество книг, монографий и статей. Значимый вклад в решение данной проблемы внесли учёные Р.Л. Стратонович, В.И. Тихонов, СВ. Первачёв, М.И. Жодзишский, В.В. Шахгильдян, М.С. Ярлыков, Б.И. Шахтарин, W.C. Lindsey и многие другие. Однако работ, посвященных вопросам фазовой синхронизации приёмников спектрально-эффективных ШПС, мало. Вопросы повышения быстродействия фазовой синхронизации, а также реализация и обеспечение функционирования приёмоиндикатора на фоне мощной внутрисистемной структурно-подобной помехи сохраняют актуальность.
Известные методы нейтрализации помех можно условно разделить на несколько направлений: 1) рациональный выбор вида модуляции сигнала и организация процедуры корреляционной обработки (или согласованной фильтрации) на фоне аддитивного белого гауссовского шума; 2) обработка компенсационного типа, предполагающая выделение помехового процесса для последующего его удаления из аддитивной смеси; 3) адаптация к помеховым воздействиям с использованием временной или пространственно-временной обработки сигналов. Развитию данных направлений способствовали исследования Я.Д. Ширмана, В. Widrow, H.L. Van Trees, Л.Е. Варакина, Д.Е. Вакмана, В.Н. Манжоса, В.Б. Алмазова, S.D. Steams, S.P. Applebaum, Р.Л. Стратоновича, Ю.Г. Сосулина, В.В. Кострова, СИ. Красногорова, В.В. Фединина, А.П. Лукошкина, А.К. Журавлёва, М.В. Ратынского, В.И. Джигана и многих других. Возможности первого из направлений (традиционного для многих РЭС) изначально ограничены по отношению к помехам, имеющим спектр отличный от равномерного. Для достижения повышенных характеристик помехоустойчивости увеличивают базу сигнала, к примеру, за счёт увеличения длины псевдослучайных последовательностей (ПСП), образующих ансамбль ШПС. Такой подход является востребованным, поскольку повышает эффективность обработки ШПС на фоне помех при доступности исключительно временной выборки аддитивной смеси.
Технические решения, получаемые при компенсационном подходе, обладают умеренной эффективностью, отличаются сложностью реализации и настройки, а также необходимостью обратной связи и невысоким быстродействием. Указанные особенности определяют отказ от компенсационных решений при малом интервале стационарности принимаемых сигналов.
Подавление помех за счёт формирования диаграммы направленности требуемой формы, возможно при использовании адаптивных антенных решёток (АР). Для достижения высоких характеристик помехоподавления при использовании АР требуется доступность значительного числа антенных элементов (от единиц до тысяч), необходима идентичность характеристик радиочастотных трактов приёмных каналов и преодоление других технико-технологических ограничений, снижающих на практике потенциальные возможности помехоподавления. Важно отметить, что для широкого круга потребителей РЭС с одиночным антенным элементом подход предполагающий использование АР оказывается принципиально недоступным. В работах В. Widrow, А.И. Перова, А.И. Фалько и других авторов представлены научно-технические решения, направленные на обработку сигналов на фоне помех в РЭС с одиночным антенным элементом. Предлагаемые решения являются плодотворными, но представляются весьма сложными для реализации. Таким образом, для РЭС, в которых ненаправленный одноканальный приём осуществляется на фоне помеховых воздействий, востребована разработка и научное обоснование новых реализуемых и эффективных алгоритмов обработки ШПС на фоне помех при доступности исключительно временной выборки наблюдаемой аддитивной смеси.
Цель и задачи диссертационной работы. Целью работы является развитие теории, научное обоснование и реализация методов повышения помехозащищённости радиоэлектронных систем с шумоподобными сигналами, функционирующих на фоне внутрисистемных и преднамеренных помех.
Для достижения цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:
-
Теоретические исследования возможности снижения влияния преднамеренных помех при одноканальном ненаправленном приёме слабоинтенсивных шумоподобных сигналов с малым интервалом стационарности параметров.
-
Формализация, разработка и исследование процедуры помехоподавления, использующей корреляционные матрицы классифицированной и неклассифицированной временных обучающих выборок, для повышения эффективности обработки слабоинтенсивных шумоподобных сигналов.
-
Обеспечение робастности процедуры помехоподавления по отношению к непрерывной сигнальной компоненте, принципиально присутствующей в выборочной корреляционной матрице временной неклассифицированной обучающей выборки аддитивной смеси сигнала, помехи и шума.
-
Разработка и исследование помехоустойчивости и точности фазового и частотного дискриминаторов шумоподобного спектрально-эффективного сигнала с минимальной частотной манипуляцией при воздействии внутрисистемных и флуктуационных помех.
-
Разработка системы фазовой синхронизации приёмоиндикатора широкополосной наземной радионавигационной системы с повышенными характеристиками быстродействия и исследование её помехоустойчивости и точности при работе на фоне внутрисистемных, преднамеренных и флуктуационных помех, а также при различных моделях движения объекта.
-
Программно-имитационная верификация предложенной процедуры поиска шумоподобного сигнала, основанной на использовании корреляционных матриц неклассифицированной временной выборки; а также реализация и экспериментальное исследование цифровой системы синхронизации приёмоиндикатора наземной радионавигационной системы с высоким уровнем внутрисистемных помех.
Научная новизна. Новыми являются следующие результаты диссертационных исследований:
1. Сформулированы новые теоретические положения, составляющие основу синтеза
алгоритмов обработки шумоподобньгх сигналов, повышающих помехоустойчивость
радиоэлектронных систем с одноканальным ненаправленным приёмом, за счёт
использования выборочных корреляционных матриц классифицированной и
неклассифицированной обучающих выборок.
2. Разработаны новые подходы к обеспечению робастности процедуры помехоподавления
по отношению к широкополосной сигнальной компоненте, принципиально
присутствующей в корреляционной матрице временной неклассифицированной
обучающей выборки аддитивной смеси непрерывного сигнала, помехи и шума.
3. Разработаны новые фазовые и частотные дискриминаторы шумоподобного
спектрально-эффективного сигнала с минимальной частотной манипуляцией,
обеспечивающие близкую к потенциальной помехоустойчивость и обладающие
преимуществами при практической реализации.
4. Впервые разработана, реализована и защищена патентами Российской Федерации и
Евразийским патентом система синхронизации приёмоиндикатора интегрированной
радионавигационной системы, использующей шумоподобные спектрально-эффективные
сигналы с минимальной частотной манипуляцией, обладающая более высоким
быстродействием по сравнению с известными системами, обеспечивающая
функционирование на фоне внутрисистемных, преднамеренных и флуктуационных помех.
-
Реализована и исследована процедура поиска шумоподобного сигнала по времени запаздывания, использующая выборочные корреляционные матрицы неклассифицированной временной выборки, обладающая повышенной помехоустойчивостью в сравнении с традиционной корреляционной процедурой при работе на фоне преднамеренных помех и шума.
-
Впервые получены условия устойчивой работы реализованного экспериментального образца цифрового приёмника шумоподобного спектрально-эффективного сигнала с минимальной частотной манипуляцией на фоне внутрисистемной помехи, имеющей существенное энергетическое превосходство и идентичную сигналу форму спектра.
Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты диссертации имеют важное значение для развития теории приёма традиционных и спектрально-эффективных шумоподобных сигналов на фоне помех при доступности для обработки отсчётов только временной выборки. Доказана возможность повышения помехозащищённости радиоэлектронных систем с непрерывными шумоподобными сигналами. Формализована и исследована процедура обработки шумоподобного сигнала на фоне помех, основанная на использовании обратных выборочных корреляционных матриц классифицированной и неклассифицированной временных выборок. Предложены новые способы обеспечения робастности по отношению к сигнальной компоненте для разработанной процедуры обработки шумоподобного сигнала, использующей обратные корреляционные матрицы временной неклассифицированной выборки аддитивной смеси, доступные при одноканальном ненаправленном приёме. Развита теория приёма шумоподобных спектрально-эффективных сигналов в части алгоритмов фазового дискриминирования и ускоренной фазовой синхронизации.
Практическая значимость диссертации состоит в разработке эффективных и реализуемых на практике схемных решений для реализации алгоритмов цифровой обработки шумоподобных сигналов на фоне помех, применение которых позволяет повысить помехоустойчивость аппаратуры потребителей РЭС, использующих одноэлементную антенную систему. Предложенный подход к организации процедуры помехоподавления, основанной на использовании выборочных корреляционных матриц порядка N, позволил реализовать получение её выходного эффекта для интересных практике случаев, предполагающих доступность значительных объёмов временной выборки N > 104 за период сигнала. Разработанный программно-аппаратный комплекс для имитации и цифрового приёма радиосигналов позволяет генерировать разнообразные сигнально-помеховые сцены и проводить отработку процедур помехоподавления при приёме шумоподобных сигналов.
Результаты диссертации использованы при разработке опытных образцов опорной и корабельной станций перспективной РНС для морских потребителей (ЭТП ОКР «Высокоточная радионавигационная система»: шифр ОКР - «Спрут-Н1»), разработанной АО «НПП «Радиосвязь» совместно с СФУ по Постановлению Правительства РФ № 35-2 от 22.01.2003г., в соответствии с Радионавигационным планом РФ. Результаты диссертационных исследований использованы в составной части ОКР «СФУ-ЭП КК-Н-сеть БИС», связанной с развитием наземного сегмента космического комплекса ГЛОНАСС, выполненной по договору №20520 от 09.01.2013г. в интересах АО «ИСС» им. акад. М.Ф. Решетнёва». Результаты диссертации используются в курсах теоретического и практического обучения студентов радиотехнического профиля, а также при курсовом и дипломном проектировании в Институте инженерной физики и радиоэлектроники СФУ.
Диссертация выполнена в соответствии с перечнем критических технологий РФ -пункт «Технологии информационных, управляющих, навигационных систем», приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники в РФ - пункт «Информационно-телекоммуникационные системы» (утв. Указом Президента РФ от 07.07.2011г. №899); в рамках Гос. контрактов по ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» №П2614 от 26.11.2009г. «Разработка алгоритмов и технических средств повышения точности определения радионавигационных параметров в интегрированных радионавигационных системах» (2009-2011гг.) и №16.740.11.0764 от 31.10.2011г. «Разработка принципов построения программно-аппаратных комплексов перспективных наземных радионавигационных систем, функционирующих совместно с космическими системами навигации» (2011-2013гг.); в рамках проекта №2.1.2/5958 «Повышение эффективности спутниковых и наземных интегрированных радионавигационных систем» (2009-2011гг.) по АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы»; при финансировании РФФИ - гранты №12-08-31097 мол_а «Разработка и исследование методов прецизионного измерения радионавигационных параметров в морских высокоточных радионавигационных системах на фоне активных структурно-подобных помех» (2012-2013гг.) и №08-08-00849-а «Повышение эффективности интегрированных радионавигационных систем» (2008-2010гг.); по заказу ККФПН и НТД - гранты «Повышение точности определения координат потребителя по сигналам СРНС ГЛОНАСС» (2014г.), №КФ-213 «Разработка и исследование методов и средств прецизионной синхронизации приёмоиндикаторов перспективных интегрированных радионавигационных систем» (2011г.), №18G041 «Исследование помехоустойчивости алгоритмов фазовой синхронизации приёмников шумоподобных сигналов с минимальной частотной манипуляцией при воздействии структурно-подобных помех» (2008г.); в рамках НИР по Разделу №2 Гос. задания СФУ - проект №ГТ-2 «Исследование и разработка новых материалов, устройств и алгоритмов помехоподавления для систем радионавигации, наземной и спутниковой радиосвязи» (2014г.); а также в соответствии с планами НИР СФУ.
Методы исследования. Для решения обозначенных научных задач и достижения заявленной цели в диссертационной работе применялись методы матричного и математического анализа, линейной алгебры, теории оптимального оценивания параметров сигналов, оптимальной фильтрации, адаптивной обработки сигналов, теории автоматического управления, методы имитационного и статистического моделирования, методы цифровой обработки сигналов.
Положения, выносимые на защиту. 1. Предложен новый метод построения процедур обработки шумоподобных сигналов для повышения помехоустойчивости радиоэлектронных систем с ненаправленным однокан&тьным приёмом, требующий использования корреляционных матриц с размерностью, равной числу отсчётов временной выборки наблюдаемой реализации аддитивной смеси.
-
Предложена концепция обеспечения робастности процедур повышения помехоустойчивости радиоэлектронных систем по отношению к непрерывной широкополосной сигнальной компоненте, принципиально присутствующей в корреляционных матрицах временной неклассифицированной обучающей выборки, доступной при приёме сигналов на одиночный антенный элемент.
-
Предложенная процедура поиска шумоподобного сигнала по времени запаздывания позволяет повысить допустимый уровень превышения узкополосной и структурно-подобной помех над сигналом (в сравнении с традиционной корреляционной процедурой), при единых требованиях к вероятности правильного поиска.
-
Впервые реализованный режим кодо-временного разделения шумоподобных спектрально-эффективных сигналов с минимальной частотной манипуляцией гарантирует синхронизацию цифрового приёмника на фоне внутрисистемной помехи, имеющей существенное энергетическое превосходство над сигналом.
-
Разработанный квазиоптимальный фазовый дискриминатор шумоподобного спектрально-эффективного сигнала с минимальной частотной манипуляцией обеспечивает помехоустойчивость близкую к потенциальной и преимущества в реализации, за счёт знаковой аппроксимации оптимальной решающей функции th(x).
-
Предложенные методы ускоренной фазовой синхронизации приёмника шумоподобных спектрально-эффективных сигналов с минимальной частотной манипуляцией при пороговом отношении «сигнал/шум» позволяют значительно сократить длительность переходного процесса при сохранении среднеквадратической погрешности синхронизации в установившемся режиме.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов исследований обоснована корректностью используемого математического описания рассматриваемых в диссертации алгоритмов обработки шумоподобных сигналов на фоне помех, а также хорошим согласованием теоретических оценок с результатами статистического моделирования и экспериментальных исследований.
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и научно-технических мероприятиях: Всероссийская с международным участием научно-техническая конференция «Современные проблемы радиоэлектроники» (г.Красноярск, 2004-2016гг.); Межрегиональная научно-практическая конференция «Инновационное развитие регионов Сибири» (г. Красноярск, 2006г.); II и III Всероссийская конференция творческой молодежи «Актуальные проблемы авиации и космонавтики» (г. Красноярск, 2006, 2007гг.); Всероссийская конференция «Молодёжь и наука: начало XXI века» (г. Красноярск, 2006, 2007гг.); Всероссийская выставка научно-технического творчества молодёжи НТТМ-2006, НТТМ-2007, НТТМ-2010, НТТМ-2011 (г. Москва, ВВЦ, 2006, 2007, 2010, 2011гг.); II Всероссийская научная конференция с международным участием «Проблемы развития и интеграции науки, профессионального образования и
права в глобальном мире» (г. Красноярск, 2007г.); Международная конференция и выставка «Цифровая обработка сигналов и её применение» (г. Москва, 2006г.); Международная конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (г. Новосибирск, 2006г.); Международная конференция и Российская научная школа «Системные проблемы надёжности, качества, информационных и электронных технологий в инновационных проектах» (г. Сочи, 2006г.); Международная конференция «Радиолокация, навигация и связь» (г. Воронеж, 2007, 2009гг.); Всероссийская научно-техническая конференция «Молодежь и наука» (г. Красноярск, 2010, 2011, 2012, 2013, 2016гг.); Международные научно-практические конференции «XXXIX неделя науки СПбГПУ», «XL неделя науки СПбГПУ» (г. Санкт-Петербург, 2010, 2011гг.); III Всероссийская с международным участием научно-практическая конференция «Научное творчество XXI века» (г. Красноярск, 2010г.); II Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых с международным участием «Актуальные проблемы науки и техники» (г. Уфа, 2010г.); I Всероссийская электронная научно-практическая конференция-форум молодых ученых и специалистов «Современная российская наука глазами молодых исследователей» (г. Красноярск, 2011г.); IV общегородская ассамблея «Красноярск. Технологии будущего» (г. Красноярск, 2011г.); IX Siberian International conference «International Siberian Conference on Control and Communication (SIBCON - 2011)» (Krasnoyarsk, 2011); Международная конференция «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Томск, 2011г.); Научно-техническая конференция «Радионавигационные технологии в приборостроении» (г.Туапсе, 2013г.); 2015 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON - 2015) (Omsk, 2015); I и III Всероссийская научно-техническая конференция «Системы связи и радионавигации» (г. Красноярск, 2014, 2016гг.).
Публикации. По тематике диссертации опубликовано более 70 работ, в том числе: 18 статей в журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией РФ; 1 монография; статья в коллективной монографии; 1 Евразийский патент; 2 патента РФ на изобретения; 9 зарегистрированных программ для ЭВМ.
Личный вклад автора. Все научные и научно-технические результаты диссертации получены лично автором или при его активном участии. В научных работах выполненных и опубликованных в соавторстве с В.Н. Бондаренко и В.И. Кокориным личный вклад Е.В. Кузьмина составляет 50%. В научных работах выполненных и опубликованных с другими соавторами личный вклад Е.В. Кузьмина является лидирующим.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 304 страницы, из них 280 страниц основного текста, включая 163 рисунка, 4 таблицы и список использованных источников из 196 наименований на 24 страницах; приложения даны на 28 страницах.
Интегральная и матричная формы традиционной базовой операции обработки детерминированных сигналов и её потенциальные возможности помехоподавления
Для информационно-измерительных РЭС с непрерывными слабоинтенсивными ШПС, скрытыми собственными шумами приёмника, характерной особенностью является функционирование на фоне помеховых воздействий с разной природой возникновения [3-5, 31, 34, 49]. Помехи имеют обширную классификацию, учитывающую механизм возникновения, характер взаимодействия с сигналом, форму спектра и многие другие признаки. Помеховые воздействия оказывают негативное влияние на качество работы РЭС и приводят к деградации основных характеристик, таких как дальность действия, точность измерения параметров сигналов, скорость передачи информации и других. Иногда, воздействие помех приводит к невозможности обеспечения функционирования приёмной аппаратуры РЭС.
Классифицировать основные виды помеховых воздействий, к которым оказывается восприимчива приёмная аппаратура РЭС рассматриваемого класса, можно по следующим признакам: 1. по форме спектра и спектральной протяжённости - структурно подобные. узкополосные и широкополосные помехи; 2. по механизму генерации - активные и пассивные; 3. по прироое возникновения -преднамеренные и непреднамеренные. Заметим, что пунктов классификации может быть намного больше, и, кроме того, в классификации помех возможны перекрёстные связи, поэтому мы ограничимся обсуждением указанных видов помех. Наибольшую опасность представляют активные помехи, которые могут быть преднамеренными (узкополосными и широкополосными), т.е. создаваемыми умышленно - в целях радиоэлектронного подавления. Активные помехи, также, могут иметь и непреднамеренный характер - это внутрисистемные и межсистемные помехи. Высокий уровень внутрисистемных помех характерен для РЭС, потребители которых могут находиться на разных удалениях от входящих в состав системы источников излучения, функционирующих в общей полосе частот, что приводит к проблемной ситуации вида «Близкий-далёкий» («Near-Far» problem) [50, 51]. Внутрисистемные помехи в таком случае следует считать структурно-подобными [3,4], т.е. имеющими форму спектра, идентичную спектру сигнала. Опасным видом помехи можно считать преднамеренную имитационную структурно-подобную помеху [52], имеющую мощность паритетную мощности полезного сигнала. Межсистемные помехи обусловлены всевозрастающим числом одновременно функционирующих систем и имеют место при «просачивании» мощного радиоизлучения сторонних РЭС (близких по частотному диапазону) на вход приёмного устройства. «Пассивные помехи» для интересующих нас РЭС, являются копиями полезного ШПС, генерируемыми без преднамеренного участия, а из-за особенностей приёма и (или) среды распространения радиоволн. Примерами таких «пассивных помех» можно считать переотражения полезного сигнала, что приводит к наблюдению суперпозиции структурно-подобных ШПС, отличающихся интенсивностью и временем запаздывания. Такие помехи, как правило, снижают качество работы приёмной аппаратуры, но не исключают возможности функционирования. Строго говоря, с учётом слабой интенсивности сигналов, практически любая интенсивная помеха снижает характеристики РЭС. Необходимо отметить, что применение ШПС с большой базой, характерных для современных РЭС, в некоторой мере способствует «противостоянию» помехам. Поэтому одно из фундаментальных направлений в области помехоустойчивости РЭС связано с рациональным выбором модуляции сигнала и организацией процедуры корреляционной обработки (или согласованной фильтрации) на фоне АБГШ.
Помехоустойчивость приёма сигналов для разных видов модуляции дана в работе В.А. Котельникова [17]. Там же приводятся решения связанные с обработкой сигналов на фоне небелых шумов. При наличии активных преднамеренных помех высокой интенсивности требуется дополнительное помехоподавление, потому что при таком подходе система оказывается восприимчивой практически к любой помехе, превышающей интенсивность полезного сигнала, кроме того, система оказывается абсолютно неработоспособной в случае присутствия мощных структурно-подобных помех. Далее, перечислим основные возможности обеспечения дополнительного помехоподавления. Борьба с помехами как научное направление зарождалось практически одновременно с появлением первых радиотехнических систем, поскольку была выявлена их уязвимость. Систематизированное изложение о различных видах помех и способах борьбы с ними дано Н.Д. Папалекси в 1944 г. [16], следовательно, работы. связанные с данным направлением начаты задолго до этого времени. В работе [16] излагаются основы помехоподавления основанного на компенсации помехового процесса за счёт приёма на две антенны, с последующей нейтрализации помехи. Следует отметить, что обработка компенсационного типа, предполагающая выделение помехового процесса для последующего его удаления из аддитивной смеси нашла широкое применение в технике обработки сигналов на фоне помех. Становление этого направления в нашей стране связано с такими именами как Я.Д. Ширман, СИ. Красногоров, ВВ. Фединин [53, 54]. Возможны одноканальные и многоканальные компенсационные решения, обладающие умеренной эффективностью, отличающиеся сложностью настройки и сравнительно высокой стоимостью. Изложение принципов адаптивного приёма сигналов дано РЛ. Стратоновнчем [55]. Ещё одним из важных направлений обеспечения функционирования РЭС на фоне помех является оценочно-корреляїгионно-компенсаідаонньш подход, развитый научной школой Ю.Г. Сосулина [10], демонстрирующий хорошие результаты для разных снгнально-помеховых условий.
Значительным инструментом для повышения помехоустойчивости и помехозащищённости РЭС являются адаптивные антенные решётки, которые в совокупности с алгоритмом обработки позволяют формировать диаграмму направленности требуемой формы- способствующую выделению полезного сигнала и подавлению помех. Теория и техника адаптивных антенных решёток хорошо развита и находит широкое применение в инженерной практике радиолокации, радионавигации и связи. Как уже было отмечено, данное направление связано с именами таких учёных как Я.Д. Ширман, В.Н. Манжос, В.Б. Алмазов, А.П. Лукошкин, А.К. Журавлёв, М.Б. Ратынскнй, Б. Уидроу [11-15, 18, 19] и многих других исследователей. Во введении, также, отмечалось, что дня достижения высоких характеристик помехоподавления при обработке сигналов в антенной решётке, требуется значительное число антенных элементов (от единиц до тысяч), и, что не менее важно, требуется идентичность характеристик радиочастотных трактов. Усилия многих исследователей (B.C. Ефименко, В.Н. Харисов, В.Н. Тяпкин, Ю.Л. Фатеев и многие другие) связаны с реализационными особенностями алгоритмов помехоподавления в антенных решётках, и поиском путей обеспечения на практике потенциальных характеристик помехоподавления [20-25].
Подавляющее большинство потребителей РЭС рассматриваемого класса используют одноэлементную антенную систему поэтому применение адаптивных антенных решёток для решения задачи помехоподавления, в таких условиях, не представляется возможным. Одноканальные компенсационные методы могут иметь ограничения по быстродействию и устойчивости, требуют процедуры настройки, поэтому их применение для широкого круга потребителей РЭС представляется ограниченным.
Имитационное моделирование процедуры помехоподавления на основе выборочных корреляционных матриц классифицированной и неклассифицированной обучающей выборки
Таким образом, фавнивая процедуры (2.3) и (2.4) можно увидеть, что при мощной помехе и слабоинтенсивном сигнале (Etnm enm) коэффициенты подавления помехи Кпх Кш в то время как коэффициент прохождения сигнала в случае неклассифицированной выборки заметно ухудшается Кс2 КсХЧ и, следовательно, ухудшается отношение «сигнал/помеха» на выходе обработки (2.4) (в сравнении с (2.3)).
Имитационное моделирование процедуры помехоподявления на основе выборочных корреляционных матриц классифицированной и неклассифицированной обучающей выборки
Повторно отметим, что в выражении (2.1) используется суммарная мощность помехового процесса (мощность помехи и шума) [79] вместо обычно используемой мощности помехи [13, 15]. Поэтому значения КППВ полученные с использованием (2.1) для мощностей /Jjjj, Р и мощностей Рпв", Р могут существенно различаться, особенно в случае слабоинтенсивного сигнала (Д ош) и мощной помехи (о » 5 т).
Методика верификации качества процедуры помехоподавления на основе выборочных корреляционных матриц классифицированной и неклассифицированной обучающей выборки
Для верификации качества помехоподавления на основе процедур (2.3) и (2.4) будет использована нижеследующая методика [79]. 1. Генерируются ШПС, белый гауссовскнй шум, преднамеренная помеха. 2. Формируется аддитивная смесь процессов (п.1): _ycnn(/) = As.v(/) + /i(/,am) + /w(/,an), где s(t) - полезный широкополосный сигнал с амплитудой As, n(t) - белый гауссовскнй шум с дисперсией с , m(t) - преднамеренная помеха с дисперсией с . Отсчёты аддитивной смеси, наблюдаемые с интервалом дискретизации 7"д, как было показано в первом разделе, используются для формирования вектор-столбцов Хши ={ спш д)І -і содержащих N отсчётов, что соответствует количеству отсчётов неклассифицированной выборки, наблюдаемых за один период сигнала s(t). 3. Формируется аддитивная смесь шумового и помехового процессов ynm(t) = n(t,Gm)+m(t,Gn), и соответствующие ей вектор-столбцы классифицированной выборки Y =[ пш( 7"д)) і содержащие N отсчётов. Дисперсия шума принята единичной во всех экспериментах: с = 1. 4. По отсчётам образующих векторов Y и Ycmn формируются выборочные корреляционные матрицы (вида (1.14)) классифицированной Ф и неклассифицированной Ф обучающей выборки. 5. Выполняется обращение выборочных корреляционных матриц по методу Шермана-Моррисона-Вудбери (1.16). 6. Вычисляются выходные эффекты процедуры помехоподавлення (2.6), (2.7), (2.10), не учитывающие последующее умножение справа на вектор гипотезу ожидаемого сигнала: //C = YCT4 J\ #1пш = У Ф , //2c=YcT4r, 2пш =ХшЛіті- Оценивается мощность сигнальной, помеховой и суммарной помеховой компонентов на выходе процедур помехоподавлення. 7. Вычисляется коэффициент подпомеховои видимости (2.1). Причём вычисление возможно как для мощностей Раш и / ц , так и для мощностей 8. Эксперимент повторяется (п.1 - п.8) для разных значений мощности суммарного помехового процесса Рта = 20lg(om + R,oa) где величина R,=rl, г = const, / = 0,L, L = const, показывает диапазон изменения дисперсии помехового процесса //;(/,ап) во входной выборке Yi3niI. Особый интерес. конечно, представляют случаи, при которых Оц»с . Случай /?,=1,
Имитационное моделирование процедуры помехоподавления на основе выборочных корреляционных матриц аддитивной смеси сигнала, шума и преднамеренной широкополосной помехи
На рисунках 2.1, 2.2 соответственно показаны зависимости коэффициента прохождения сигнала К. и коэффициента подпомеховой видимости от мощности суммарного помехового процесса / mn = 201g(cm + tf/cn). Величина R, =0.1/,/=0,1,..,100. При проведении имитационного моделирования в качестве сигнальной компоненты во входной выборке Удцд рассмотрен широкополосный сигнал с линейной частотной модуляцией ыщаАлсо$(ш +Ы ). На представленных рисунках цифрой I отмечены характеристики, полученные при формировании ВКМ по отсчётам классифицированной выборки, содержащим суммарный помеховый процесс; амплитуда сигнала полагалась равной А%1=\. Характеристики 2-4 соответствуют реальному случаю формирования ВКМ по отсчётам неклассифицированной выборки процесса \аш и соответствуют разным амплитудам сигнала:Лл, =0.01сш,Л(:( =0.!сш Л)4 =сш, AsS =2аш[79].
Зависимость коэффициента прохождения сигнала от мощности суммарного помехового процесса Как видно из рисунка 2.1, коэффициент прохождения сигнала Кс имеет заметную зависимость от мощности помехи Ршп. Для рассмотренных условий, при обработке сигнала на фоне шума и широкополосной помехи, наибольшие потери сигнала Кс -ЗдБ обнаружены для случая интенсивного сигнала Л = 2сш и фавнительно небольшой интенсивности помехи. При увеличении мощности помехи, потери сигнала уменьшаются, и коэффициент прохождения сигнала ЛГС—»0цБ. Для рассмотренньгх ситуаций, соответствующих малым амплитудам сигнала Д, УШЧ коэффициент прохождения сигнала мал ЛГС— 0дБ во всём рассмотренном диапазоне мощностей помехи [79].
Способ обеспечения робастности -слассического алгоритма адаптации к помехе по отношению к сигнальной компоненте с предварительным поиском-выбором образующего вектора
Проведённый во втором разделе анализ показывает, что на качество помехоподавления, характеризуемое коэффициентом подпомеховой видимости, существенное влияние оказывает способ формирования В КМ. Так, при формировании ВКМ по отсчётам исключительно временной классифицированной обучающей выборки Y . помехоподавление при использовании процедуры вида „( = ш - (1/(1 H-e V Y Y , оказывается чрезвычайно эффективным. Однако качество помехоподавления заметно ухудшается при формировании ВКМ по отсчётам исключительно временной неклассифицированной выборки Y (реально доступной при уже оговоренном ненаправленном приёме на одиночный антенный элемент), неизбежно содержащей сигнальную компоненту: YL = YL-(V(1 + eomi))YLY nY in. Поскольку влияние непрерывно действующей сигнальной компоненты не представляется возможным оставить без внимания, далее, рассмотрим методы позволяющие нейтрализовать данное влияние, и, таким образом, придать обработке в некоторой мере робастный характер, по отношению к действию сигнальной компоненты. Многие из известных работ в данной области [13, 15,74-78, 80-85] ориентированы на нейтрализацию влияния сигнала при формировании КМ. формируемой на основе пространственно-временной выборки. Подходы к нейтрализации влияния сигнала в КМ. применимые к исключительно временной обработке, обсуждаются в [13, 15]. В [13] подобные задачи именуются как «адаптация при большой интенсивности полезного сигнала», предлагаются возможные меры и схемное решение. Некоторые дополнительные возможные эвристические решения кратко описаны в [15].
Достаточно сложной научно-технической задачей представляется нейтрализация интересной практике регулярно действующей сигнальной компоненты, имеющей расширенный спектр. Примерами такой сигнальной компоненты могут бьпь периодические регулярно действующие ШПС, к примеру ФМ- (1.1) либо МЧМ-сигналы (1.2), порождаемые псевдослучайной последовательностью [3,4, 31]. Решения, предлагаемые в [13, 15], связанные со специфической нормировкой весового вектора, «следящим» удалением сигнала, а также с частотной режекцией сигнала [15], даже при первичном рассмотрении оказываются неприменимыми для РЭС рассматриваемого класса. Мы будем полагать, что частота сигнала нам известна, а интересующим нас параметром по-прежнему является время запаздывания.
Способ обеспечения робастности классического алгоритма адаптации к помехе по отношению к сигнальной компоненте с предварительным поиском-выбором образующего вектора.
Для придания алгоритмам помехоподавления робастных свойств, по отношению к сигнальной компоненте, нам необходимо принять меры по её нейтрализации. Отметим, что процедура помехоподавления [13, 15, 79, 86-90] вида (2.2), входящая в алгоритм (1.17), может быть использована для уменьшения интенсивности произвольного мешающего процесса входящего в аддитивную смесь. Для проведения необходимой нейтрализации сигнальной компоненты (при формирования образующего вектора, свободного от её действия), формируемого в реальном случае по отсчётам неклассифицированной обучающей выборки Y , в качестве мешающего процесса мы должны рассматривать сигнальную компоненту Yc. Учитывая априорную неопределённость относительно времени запаздывания сигнала, выходной эффект процедуры нейтрализации сигнальной компоненты, S3 которая позволяет получить образующий вектор, минимально подверженный действию сигнала, запишем в виде: где a-вещественная константа, a 0. Мы получили оценки образующего вектора (заметим, что получили вектор-строки) Y j, каждая из которых соответствует проверяемой временной гипотезе х. Рассматривая полученную структуру образующего вектора, можно видеть, что он оказывается составленным из разности вектора Удцд и вектора Хт, последний из которых используется с весом /?г/(а + х ). Как видно, получаемая оценка образующего вектора формируется исключительно из доступных для обработки отсчётов выборки входной аддитивной смести и отсчётов формируемого опорного сигнала. На основе (3.1), при достаточном шаге по х, представляется возможным получить оценку образующего вектора Yamx , соответствующую проверяемой временной гипотезе xv, максимально соответствующей истинному времени запаздывания сигнала. Таким образом, мы получаем образующий вектор YranT максимально свободный от действия сигнальной компоненты. Действительно, рассматривая преобразования сигнальной Yc и помеховой Yam компонентов в (3.1), и справедливо полагая отсутствие взаимной корреляции между по меховым процессом и опорным сигналом У цХ =0, можем получить:
Этапы первичной обработки сигналов широкополосной РНС
Основу радионавигационного обеспечения практически всех групп потребителей в Российской Федерации составляет КНС ГЛОНАСС. Однако в соответствии с Радионавигационным планом Российской Федерации для морских и воздушных потребителей предполагается сохранение ряда действующих и ввода в эксплуатацию новых наземных высокоточных н помехозащищённьгх РНСЧ предназначенных для создания интегрированного радионавигационного поля с КНС ГЛОНАСС. Наземная РНС, входящая в состав интегрированной системы, должна отвечать следующим требованиям:
Перечисленные требования определяют перспективы и направления развития наземных РНС, входящих в интегрированную навигационную систему. В свою очередь направления развития наземных РНС во многом определяют требования к важнейшей структурной единице приёмоиндикатора -к системе фазовой синхронизации [7,49].
Важной группой потребителей интегрированных РНС являются морские объекты . Обеспечение помехоустойчивости, скрытности и эффективности использования частотного ресурса в РНС наземного базирования для морских объектов достигается за счёт применения шумоподобных сигналов с минимальной частотной манипуляцией [3, 4, 34, 36-49, 107]. Кроме того, благодаря применению ШПС-МЧМ с большой базой исключается мешающее влияние ионосферных отражений и обеспечивается одинаково большая дальность действия РНС независимо от времени суток, обеспечивается увеличение дальности до трёх раз по сравнению с узкополосными РНС [4].
Необходимость высокой точности определения координат места обуславливает жесткие требования к точности фазовой синхронизации приёмоиндикатора наземной РНС, поскольку фазовые сдвиги сигналов ОС являются радионавигационными параметрами (РНП). Проблеме фазовой синхронизации посвящено значительное количество книг, монографий и статей, к примеру [108-113]. Однако работ посвященных вопросам фазовой синхронизации приёмников сложных ШПС-МЧМ известно крайне мало. Так, в работе В.Н. Бондаренко и В.И. Кокорина [4] рассмотрены вопросы построения РНС с ШПС-МЧМ в целом, а детальная проработка вопросов фазовой синхронизации проведена автором в [7, 49]. В частности, автором развиты актуальные вопросы, касающиеся повышения быстродействия фазовой синхронизации, влияния нестабильности частоты опорного генератора на точность фазовой синхронизации, исследована точность системы фазовой синхронизации при сложных моделях движения объекта, детально исследована помехоустойчивость и другие важные вопросы [3, 4, 7, 39, 41-45, 48, 49, 114-120].
Большое число действующих радионавигационных систем и других радиоэлектронных средств остро ставят вопрос предоставления полосы частот для новых (разрабатываемых) радиоэлектронных систем. Одним из решений данной проблемы является применение ШПС с рациональным выбором вида модуляции. Вопросам синтеза и обработки сигналов с высокой спектральной эффективностью посвящено достаточно большое количество работ [3,4, 35, 36, 38] (и многие другие). Применительно к наземным РНС для морской навигации особый интерес представляет разновидность частотно-манипулированных сигналов с непрерывной фазой, с индексом манипуляции, равным 0.5 (МЧМ-сигналы) [4]. В известных автору работах по указанной тематике приведена методика синтеза сигналов, а также некоторые вопросы их обработки [35, 36, 121-126]. Автором развиваются методы квазиоптимальной обработки ШПС-МЧМ, в том числе исследуется предложенная многоуровневая аппроксимация квадратурных опорных сигналов, обеспечивающая упрощение процедур поиска, кодовой и фазовой синхронизации [3,7,40,49,127].
В условиях дефицита частотного ресурса, приём сигналов опорных станций широкополосной РНС осуществляется на фоне структурно-подобных помех17, увеличивающих время синхронизации и снижающих её точность [7, 49]. Кроме того, существенное влияние на точность и время установления фазовой синхронизации оказывают узкополосные помехи [7, 49]. Как уже неоднократно отмечалось, для РЭС рассматриваемого класса характерной особенностью является функционирование в режиме слабого сигнала, интенсивность которого существенно ниже интенсивности флуктуационнои помехи (собственных шумов приёмника). Отметим, что в СЧ-диапазоне доминирующий вклад в образование флуктуационнои помехи вносит шум атмосферы [36, 128].
Таким образом, задачи обеспечения точности, помехоустойчивости и быстродействия фазовой синхронизации приёмонндикатора наземной РНС (функционирующей как совместно с КНС, так и отдельно от неё) являются весьма актуальными.
В соответствии с изложенными требованиями, разрабатываемые в настоящее время наземные РНС, входящие в интефированную радионавигационную систему, имеют структуру, представленную на рисунке 4.1. В состав РНС входят 3-4 опорные станции (ОС), одна из которых процэаммно назначается ведущей, а остальные ведомыми, и неопзаниченное число приёмоиндикаторов (ПИ) [4, 34, 93].
Опорный генератор (ОГ), входящий в состав ОС и ПИ может представлять собой кварцевый генератор, рубидиевый или водородный стандарты частоты [93]. Формирователь временных интервалов (ФВИ) предназначен для управления форматом излучения сигналов ОС, а также для формирования псевдослучайной последовательности (ПСП) и сетки частот. В модуляторе (МД) осуществляется формирование ШПС-МЧМ, и наложение информации о дифференциальных поправках (ДП), формируемых контрольно-корректирующей станцией (ККС).
Навигационный сигнал (НС), усиленный в усилителе мощности (УМ) через антенный переключатель (АнтП) подводится к антенне и излучается в пространство. Вычислительный блок (ВБ) обеспечивает подстройку частоты ОГ. Приёмное устройство (ПрУ) ведущей ОС обеспечивает приём сигналов ведомых ОС с целью контроля точности синхронизации. Блок управления и индикации (БУИ) предназначен для управления работой ОС оператором (ввод исходных данных, контроль работоспособности, и т. п.). Ведомые опорные станции имеют аналогичную структуру построения, и могут отличаться лишь более низкими требованиями к стабильности частоты ОГ [93].