Введение к работе
Актуальность. Интенсивное развитие радиосистем передачи данных приводит к необходимости жесткого учета регламента частотных диапазов. Данная проблема одинаково актуальна как для наземных, так и для космических систем радиосвязи. В страну ввозится большое количество нелицензированных источников радиоизлучения (ИРИ), которые не только создают помехи, но используются для осуществления несанкционированного доступа к различным системам связи, в том числе и спутниковым.
В сложившейся ситуации актульной становится задача контроля особо важных объектов (ОВО) для предотвращения утечки перспективной промышленной, технологической и научной информации, составляющей государственную тайну.
Перечисленные проблемы, связанные с необходимостью контроля радиоэлектронной обстановки (РЭО) являются одними из основных для всех ведущих мировых госурств, поскольку представляют реальную угрозу экономичекой и государственной безопасности.
Разработкой теории оптимальной обработки детерминированных и случайных сигналов, используемой в системах радиомониторинга занимались отечественные и зарубежные ученые Стратонович Р.Л., Ширман Я.Д., Голиков В.Н., Тихонов В.И., Левин Б.Р., Шахтарин Б.И., Мидлтон Д., Хелстром К., Ван Трис Г. и др.
Созданием систем радиомониторинга различных типов занимаются ведущие ВУЗы и организации промышленности ГОУ ВПО ТУСУР (г. Томск), ГОУ ВПО МТУСИ (г. Москва), ФГАОУ ВПО СФУ (г. Красноярск), ГОУ ВПО ВИРЭ (г. Воронеж), МОиНУ ХНУРЭ (г. Харьков), ОАО «РАДИКС-ТУЛС» (Radix-Tools) г. Воронеж, ЗАО «ИРКОС» г.Москва, ОАО «Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем».
Используемые автоматизированные системы радиомониторинга не позволяют эффективно решать задачи по контролю за РЭО, так как требуют участия опытного оператора, который выполняет вручную всю работу по идентификации, классификации и распознованию, основываясь на собственных знаниях и опыте.
Исследованию проблемы улучшения качественных характеристик и автоматизации систем радиомониторинга посвящено много работ отечественных и зарубежных ученых. Основные тенденции развития методов цифровой обработки случайных сигналов направлены на внедрение дополнительных способов обработки для расширения пространства признаков с целью получения дополнительной информации о принимаемом сигнале для дальнейшей обработки. В работах основное внимание уделено изучению вейвлет, фрактального анализа и обработке в нейронных сетях.
В качестве дополнительного критерия при обработке случайных сигналов можно использовать гармонический, периодически повторяющийся характер радиосигналов. Основной сложностью при использовании данного критерия является случаиньш характер входных последовательностей сигналов и их низкая энергетика. Для эффективного решения задачи обнаружения и классификации сигналов со скрытой периодичностью необходимо исследовать интергальные характеристики всей последовательности вцелом. Фрактальный анализ позволяет проводить исследования самоподобия, в том числе и последовательностей со скрытой периодичностью.
Вместе с тем в известной автору литературе отсутствуют разработанные методы обнаружения, фильтрации и класссификации случайных сигналов, необходимые для создания автоматических систем поиска, что делает тему диссертационной работы актуальной. Исследование новых методов цифровой обработки позволяет использовать их не только для контроля РЭО, но и для улучшения качества связи как в обычных условиях, так и в сложной радиоэлектронной обстановке.
Цель работы - исследование и разработка методов обнаружения, фильтрации и классификации случайных сигналов для создания автоматической системы радиомониторинга. Задачи исследований:
-
Провести анализ существующих методов обнаружения, фильтрации и определения параметров случайных сигналов.
-
Разработать метод цифровой фильтрации случайных сигналов.
-
Разработать метод поэтапной обработки случайных сигналов для осуществления автоматического обнаружения и классификации.
-
Рассмотреть возможные области применения разработанных методов цифровой обработки сигналов.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы математического анализа, статистической радиотехники, численного и имитационного моделирования, теории цифровой фильтрации, а также методы вейвлет, фрактальной и нейросетевой обработок.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Предложен способ цифровой фильтрации случайных сигналов, основанный на одновременном использовании алгоритмов адаптивной, полиномиальной и пакетной вейвлет фильтрации и позволяющий повысить отношение сигнал/шум входного сигнала на 5-9 дБ. (Патент РФ №2395158).
-
Обоснован и разработан способ комплексной обработки случайных сигналов, основанный на поэтапной обработке, включающей фрактальный, вейвлет анализ и анализ в нейронных сетях и позволяющий выполнять автоматическое обнаружение и классификацию. (Патент РФ №2386165).
3. Разработан способ предотвращения несанкционированного доступа (НСД) и организации связи в сложной радиоэлектронной обстановке, основанный на использовании комплексной обработки входного сигнала и формировании помехоустойчивых сигналов. Практическая значимость и внедрение результатов работы:
-
Результаты диссертационной работы использованы при выполнении ОКР по космической системе 14К034 в ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева (г. Красноярск), научно исследовательской и опытно-кострукторской работы (НИОКР) «Сигнал-СибГАУ» в Сибирском государственном аэрокосмическом университете, и составной части НИР «Платформа» в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники, что подтверждается соответствующими актами внедрения.
-
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при чтении курса лекций по дисциплине «Цифровая обработка сигналов и микропроцессорные системы» в Сибирском государственном аэрокосмическом университете.
Основные положения выносимые на защиту:
-
Способ цифровой фильтрации случайных сигналов, позволяющий повысить отношение сигнал/шум на 5-9 дБ (Патент РФ №2395158).
-
Метод комплексной обработки случайных сигналов, позволяющий увеличить вероятность правильного обнаружения и классификации низкоэнергетических сигналов и повысить точность определения параметров сигналов (Патент РФ №2386165).
-
Способ предотвращения несанкционированного доступа и организации связи в сложной радиоэлектронной обстановке, позволяющий повысить вероятность предотвращения НСД и потенциальную помехоустойчивость систем связи.
Достоверность основных теоретических положений и выводов подтверждена результатами экспериментальных исследований и моделированием на ЭВМ.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях: Международной научной конференции, посвященной памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева «Решетневские чтения» (г. Красноярск, 2006, 2009 г.г.); Всероссийской научно конференции студентов и аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука - третье тысячелетие» (г. Красноярск, 2006 г.); Всероссийской конференции «Актуальные проблемы авиации и космонавтики» (г. Красноярск, 2007 - 2009 г.г.); Всероссийской научно-технической конференция молодых ученых и студентов с международным участием «СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ» (г. Красноярск, 2008 г.); Всероссийской отраслевой конференции
«Прогрессивные технологии в ракетно-космической промышленности», «ИПК МАШПРИБОР» (г. Королев Московской области, 2008 г., 2010г.); Межвузовской ежегодной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ и СВЯЗИ» (г. Иркутск, 2008 г.); Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР - 2009, 2010» (г. Томск, 2009 - 2010 г.г.), Общероссийской молодежной научно-технической конференции "Молодежь. Техника. Космос" (г. Санкт-Петербург, 2010г.), 14-ом Международном молодежном форуме «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке», ХНУРЭ, г. Харьков, Украина, 2010г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 35 печатных работ, включая: 12 статей в научных сборниках, трудах конференций и реферируемых журналах, из них 4 статьи в журналах по перечню ВАК; 21 работу в сборниках тезисов научных конференций; 2 патента РФ.
Личный вклад автора. Автору принадлежит постановка проблемы и задач данного исследования, обоснование, формулировка и разработка всех положений определяющих научную новизну и практическую значимость работы, формулировка задач теоретических и экспериментальных исследований, участие в экспериментальных исследованиях. Совместно с научным руководителем проводилась интерполяция и объяснение полученных результатов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. В ней содержится 159 страниц текста, включая 87 рисунков, библиографию из 136 наименований и приложение на 4 страницах. Общий объем диссертации 155 страниц.
