Содержание к диссертации
Список используемых сокращений 4
Введение 5
1. Выбор и обоснование моделей азимутального сигнала РСБН и помех 11
Модель полезного сигнала 11
Модель мультипликативной помехи 18
Модель помеховых отражений от подстилающей поверхности и местных предметов 23
Модель диффузной помехи 25
Обобщенная модель полезного сигнала и помех 26
Выводы 28
2. Анализ существующих методов оценивания азимута в РСБН 29
Оценка азимута по ОСТ4 ГО.251.207-80 и ее характеристики 30
Оценка по методу максимального правдоподобия (МП-оценка)
и ее характеристики 33
Оценка методом многоуровневой фиксации (П-оценки) и ее характеристики 3 6
Алгоритм медианной фильтрации МП- и П-оценок 40
Выводы 42
3. Инвариантный алгоритм оценивания азимута с интервальной
режекцией помех при известном положении импульса заполнения
азимутального сигнала относительно интервала стробирования 43
Синтез алгоритма оценивания азимута с интервальной режекцией помех 43
Выбор параметров алгоритма 52
Исследование алгоритма оценивания азимута с интервальной режекцией помех 58
Выводы 67
4. Инвариантные алгоритмы оценивания азимута с адаптивной
режекцией помех 69
4.1 Разработка алгоритмов оценивания азимута с адаптивной
режекцией помех при известном положении сетки строб-
импульсов относительно последовательности импульсов ЗАС 69
Выбор параметров адаптивного алгоритма при известном положении сетки строб-импульсов относительно последовательности импульсов ЗАС 70
Исследование адаптивного алгоритма в случае действия аддитивной помехи 80
Исследование адаптивного алгоритма в случае действия
двух аддитивных помех 108
Разработка алгоритмов оценивания азимута с адаптивной режекцией помех при неизвестном положении сетки строб-импульсов относительно последовательности импульсов ЗАС 116
Реализация разработанных алгоритмов в современном элементном базисе 120
4.4 Выводы 126
Заключение 128
Список литературы 130
Приложение. Документы о практическом использовании научных
результатов диссертационной работы 137
Список используемых сокращений
Введение к работе
Актуальность темы. Одним из основных средств информационных технологий в современной авиации являются радиомаячные системы ближней навигации и посадки самолётов. К ним относятся угломерно-дальномерные радиосистемы ближней навигации VOR/DME, TACAN и РСБН, радиосистемы инструментальной посадки самолётов метрового (ILS, СП-70), дециметрового (ПРМГ) и сантиметрового (MLS) диапазонов волн.
Несмотря на успешное внедрение спутниковых радионавигационных систем, продолжается эксплуатация радиомаячных систем, особенно как средств навигации военной авиации. Отечественная система РСБН, разработанная во ВНИИРА (Санкт-Петербург) является основным средством ближней навигации военных летательных аппаратов (ЛА) всех типов в воздушном пространстве России, стран СНГ, используется военной авиацией ряда зарубежных стран (Китай, Индия, Вьетнам).
На Всемирной конференции радиосвязи ВКР-97 (Женева, 1997 г.) РСБН получила юридическое право на работу в существующем диапазоне частот на первичной основе.
РСБН состоит из наземного азимутально-дальномерного маяка и бортового радиоэлектронного оборудования (БРЭО) ЛА. РСБН предназначена для определения на борту ЛА азимута и наклонной дальности относительно места установки маяка и индикации на маяке местоположения ЛА, находящегося в зоне действия системы.
Для определения наклонной дальности в РСБН используется импульсно-временной метод запроса и ответа, причем запросчиком является бортовое дальномерное устройство, а ответчиком - ретранслятор маяка.
Определение азимута в системе основано на измерении временного интервала между моментом времени, когда направленная азимутальная антенна маяка, вращающаяся с постоянной скоростью, направлена на север, и моментом времени, когда эта антенна направлена на подвижный объект.
Для определения момента времени, когда азимутальная антенна направлена на подвижный объект, используется азимутальный сигнал (АС), принимаемый на борту ЛА в результате его облучения направленной вращающейся антенной маяка. Форма АС повторяет форму диаграммы направленности (ДН) азимутальной антенны маяка в горизонтальной плоскости. Момент приема на борту АС фиксируется по определенному правилу. Точность определения азимута существенно зависит от искажений АС, вызванных наличием помех [1].
Существующие приемы уменьшения искажений азимутального сигнала основаны на дорогостоящих работах по нивелированию местности в зоне аэропортов и летным испытаниям.
В работах [2-5] предложен метод повышения точности основанный на определении качества азимутального сигнала, обнаружения наличия помехи, измерения ее характеристик и выработки правил запрета использования полученной информации. В работе [6] предложено сопоставлять оценку искажения сигнала с получаемой при этом ошибкой определения азимута. При превышении полученной ошибкой допустимого предела запрещается использование полученной информации об азимуте ЛА или изменяется соотношение весовых функций использования информации в многоканальных устройствах обработки сигналов комплексных систем. Критерии, использующиеся для оценки искажения сигнала, основаны на сравнении формы или площади принимаемого и эталонного сигналов [7,8].
Некоторое повышение точности получено при использовании метода функциональной обработки принимаемого сигнала, позволяющего определить параметры азимутального сигнала и помех, обусловленных многолучевым распространением сигнала [9,10], программно-аппаратная реализация функционально-адаптивных алгоритмов обработки сигналов при многолучевом распространении рассмотрена в работах [11,12].
Однако все перечисленные выше методы не позволяют получить достоверную информацию об азимуте ЛА при условии многолучевого распространения полезного сигнала, и призваны лишь снизить потери от использования недостоверной информации.
Опыт эксплуатации РСБН и информационных систем посадки самолётов показал, что их помехоустойчивость в значительной степени зависит от состояния подстилающей поверхности, наличия в зоне действия систем мешающих объектов, специально поставленных помех, сложных метеорологических условий и других факторов. Эффективность существующих систем оказывается недостаточной в силу изменчивости и априорной неопределённости помеховой обстановки, что отрицательно сказывается на безопасности полётов и боеспособности военной авиации, включая авиацию морского базирования. Учитывая, что наряду с вводом в эксплуатацию новых самолетов, существующий их парк, по прогнозам специалистов, будет находиться в эксплуатации еще не менее 15 лет, необходимы разработки, позволяющие обеспечить как повышение помехоустойчивости существующих систем, так и требования перспективных систем ближней навигации. Поэтому тема диссертационного исследования, посвященная разработке и исследованию помехоустойчивых алгоритмов оценивания азимута в радиотехнических системах ближней навигации при многолучевом распространении сигнала, является актуальной.
Цели и задачи работы.
Цель работы: разработка алгоритмов, обеспечивающих существенное повышение точности оценки азимута в радиомаячных системах ближней навигации в условиях многолучевого распространения сигналов и априорной неопределенности помеховой обстановки.
Задачи исследования:
Выбор и обоснование моделей сигнальной и помеховой составляющих процесса, наблюдаемого на выходе азимутального канала РСБН с учетом замираний, обусловленных многолучевым характером распространения сигнала;
разработка инвариантных алгоритмов оценивания азимута с интервальной режекциеи помех на основе регулярных методов синтеза инвариантных алгоритмов обработки сигналов в условиях, когда значения части параметров сигнала, помехи и канала являются неизвестными;
выбор критерия адаптации и синтез алгоритмов оценивания азимута с адаптивной режекциеи помех в азимутальном канале РСБН;
исследование эффективности разработанных алгоритмов.
Методы исследований. Используемые методы исследований предусматривают комплексный подход к решению поставленных задач и включают использование методов теории вероятностей и математической статистики, статистической теории анализа и синтеза радиотехнических систем и сигналов, применение имитационного моделирования, анализ и обработку экспериментальных данных. Были использованы современные методы обработки сигналов в условиях параметрической априорной неопределенности, включающие новые методы синтеза инвариантных алгоритмов.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендации подтверждается: строгостью применяемого математического аппарата; корректной постановкой теоретических задач; результатами имитационного моделирования; положительными результатами апробации и внедрения синтезированных алгоритмов обработки информации.
Научная новизна работы заключается в том, что разработаны новые инвариантные алгоритмы оценивания азимута в радиотехнических системах ближней навигации, обеспечивающие режекцию помех, обусловленных
многолучевым характером распространения сигналов, во всем интервале значений их временных задержек и устойчивость характеристик в условиях априорной неопределенности параметров сигнально-помеховой обстановки. Получен алгоритм оценивания азимута с адаптивной режекциеЙ пассивных помех, позволяющий снизить пороговое отношение сигнал/шум, и основанный на предварительном определении подынтервалов, содержащих пассивные помехи, и использовании инвариантного алгоритма режекции в этих подынтервалах.
Практическая ценность работы состоит в том, что предложенные методы и синтезированные алгоритмы оценивания азимута позволяют модернизировать существующие и проектировать перспективные радиотехнические системы ближней навигации, обеспечивающие существенно более высокую точность оценки азимута в условиях многолучевого распространения сигнала и априорной неопределенности параметров сигнально-помеховой обстановки по сравнению с существующими системами.
На защиту выносится совокупность инвариантных алгоритмов оценивания азимута с интервальной и адаптивной режекцией помех в радиотехнических системах ближней навигации, обеспечивающих подавление помех, обусловленных многолучевым характером распространения сигналов, во всем интервале значений их временных задержек в условиях априорной неопределенности относительно параметров сигнально-помеховой обстановки.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: Седьмой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, МЭИ 2001 г.), Второй международной студенческой школе-семинар по электронным приборам и материалам EDM-2001, 56-й научно-технической конференции, посвященной Дню радио (Санкт-Петербург, 2001 г.), VII международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2004» (Новосибирск, 2004 г.), 59-й
научно-технической конференции, посвященной Дню радио (Санкт-Петербург, 2004 г.), Пятой международной школе-семннар по электронным приборам и материалам EDM-2004, Девятом Корейско-Российском международном научно-техническом симпозиуме «KORUS'2005» (Новосибирск, 2005 г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано десять печатных работ, из них: 1 статья в рецензируемом научном издании, рекомендованном ВАК РФ; 1 статья в научном журнале Академии наук высшей школы РФ, 2 публикации в сборниках научных трудов; 6 работ в материалах международных и российских конференций.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 50 наименований и приложения. Работа изложена на 136 листах основного текста, включая 84 рисунка.
