Экспериментальные исследования структуры импульсных сигналов, прошедших наземную трассу РРВ, и её использование в проектировании фазовых пеленгаторов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.14, кандидат наук Колядин Николай Александрович

• Колядин Николай Александрович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Колядин Николай Александрович

ВВЕДЕНИЕ

1 МНОГОБАЗОВЫЕ ФАЗОВЫЕ ПЕЛЕНГАТОРЫ

1.1 Принцип построения многобазовых фазовых пеленгаторов с линейной антенной решеткой

1.2 Влияние специфики распространения радиоволн на точность фазовых пеленгаторов сантиметрового и дециметрового диапазонов в пределах зон прямой видимости и дифракции

1.2.1 Физические процессы на трассе РРВ, приводящие к погрешностям пеленгования

1.2.2 Анализ проведенных ранее экспериментальных исследований пространственно-временных искажений радиосигналов

1.2.3 Экспериментальные исследования влияния внутриимпульсных искажений на точность фазовых пеленгаторов

1.3 Выводы

2 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ МНОГОЛУЧЕВОСТИ НА ТОЧНОСТЬ ПЕЛЕНГОВАНИЯ ИСТОЧНИКОВ ИМПУЛЬСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

2.1 Модель наземной трассы РРВ в зоне прямой видимости и дифракции и её импульсная характеристика

2.2 Оценка импульсной характеристики канала по имеющимся экспериментальным данным

2.3 Теоретическая оценка влияния многолучевости на фазу принимаемого сигнала

2.4 Теоретическая оценка влияния многолучевости на разность фаз сигналов в разнесенных антеннах

2.5 Моделирование многолучевого канала

2.6 Выводы

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФАЗОВОЙ СТРУКТУРЫ ИМПУЛЬСНЫХ РАДИОСИГНАЛОВ НА НАЗЕМНЫХ ТРАССАХ В ПРЕДЕЛАХ ЗОН ПРЯМОЙ РАДИОВИДИМОСТИ И ДИФРАКЦИИ

3.1 Условия и методика проведения эксперимента

3.2 Аппаратура экспериментальных исследований

3.2.1 Передающее устройство и его технические параметры

3.2.2 Приемно-измерительный комплекс

3.3 Характеристики трасс РРВ

3.3.1 Карта района исследований

3.3.2 Характеристики трасс РРВ и их классификация

3.4 База экспериментальных данных

3.5 Оценка внутриимпульсных искажений разности фаз

3.5.1 Методика расчета статистических характеристик разности фаз в течение длительности импульса при фиксированном положении антенны РЛС

3.5.2 Типы поведения разности фаз в течение длительности импульса

3.5.3 Распределение вероятности разности фаз в течение импульса

3.5.4. Числовые характеристики внутриимпульсных флуктуаций разности

фаз

3.5.5 Внутриимпульсные броски разности фаз

3.6 Зависимость разности фаз на разнесенных антеннах при мгновенном измерении от углового положения направленной антенны передатчика

3.7 Статистические характеристики фазовых флуктуаций, полученных в режиме сканирующей РЛС

3.8 Зависимость статистических характеристик разности фаз от длины трассы

3.9 Выводы

4 АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ РАЗНОСТИ ФАЗ СИГНАЛОВ НА ОСНОВЕ ПОЛУЧЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

4.1 Использование внутриимпульсной структуры разности фаз для отбраковки аномально больших ошибок пеленгования

4.2 Исключение аномально больших ошибок пеленгования в процессе устранение неоднозначности

4.3 Совместное применение методов устранение аномальных ошибок

4.4 Определение оптимального участка усреднения разности фаз в течение длительности принимаемого радиоимпульса

4.5 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальные исследования структуры импульсных сигналов, прошедших наземную трассу РРВ, и её использование в проектировании фазовых пеленгаторов»

Введение

Актуальность. В современных условиях задачи радиотехнической разведки и радиомониторинга свою актуальность не теряют. Системы радиомониторинга, основной из задач которых является определение местоположения источников радиоизлучения (ИРИ), постоянно совершенствуются и развиваются [1-7]. Существуют различные методы определения координат ИРИ, но большинство из них не обходится без измерения угла прихода сигнала, называемого пеленгованием [1,2,6]. Основными методами пеленгования являются амплитудный и фазовый. Оба метода имеют свои достоинства и недостатки. Исследования настоящей диссертационной работы ориентированы только на фазовый метод.

При пеленговании ИРИ неизбежно возникают погрешности, которые могут быть вызваны эффектами распространения радиоволн и качеством работы приемной аппаратуры [7-29]. Постоянное развитие и совершенствование элементной базы радиоэлектронных устройств позволяет снизить погрешности пеленгования, вызванные качеством работы приемной аппаратуры.

Погрешности пеленгования, вызванные эффектами распространения радиоволн, связанные с пространственно-временными искажениями электромагнитного поля в месте приема сигналов, не могут быть исключены путем применения более совершенной аппаратуры.

Исследования влияния пространственно-временных искажений электромагнитных волн на погрешности пеленгования начались еще в 50-х годах прошлого столетия. Такие работы проводились и в Томске коллективом сотрудников ТПИ и ТУСУРа. Из наиболее значимых можно отметить работы Г.С. Шарыгина, В.П. Денисова, Б.П. Дудко, Ю.П. Акулиничева, Ю.М. Полищука, А.Г. Буймова. Однако при проведении экспериментальных исследований в то время использовалась аппаратура, которая позволяла регистрировать амплитудные и фазовые изменения с верхней граничной частотой до 20 Гц, то есть практически флуктуации огибающей и разности фаз на разнесённых антеннах от импульса к импульсу [30].

Используемые в настоящей диссертации экспериментальные данные получены с помощью более совершенной аппаратуры, разработанной и созданной коллективом НИИ РТС [31]. Применяемая аппаратура позволяла регистрировать амплитудные и фазовые изменения с тактовой частотой порядка 92 МГц, что соответствует временному интервалу 11 нс. Это дало возможность при работе по импульсным сигналам длительностью 300 нс проводить порядка 30 измерений амплитуды и разности фаз в течение длительности

импульса. Многократное измерение параметров сигналов, а так же высокая чувствительность приемной аппаратуры позволяют оценить статистические характеристики как самих сигналов, так и их флуктуаций.

Анализ экспериментальных данных показал, что учет статистических характеристик флуктуаций параметров сигналов, проявляющихся в течение длительности принятого радиоимпульса, имеет влияние на разброс пеленга, полученного по совокупности принятых сигналов.

В связи с этим, задача изучения этого явления и способов уменьшения его влияния на пеленг является актуальной. Применение цифровой обработки сигналов значительно ускоряет и упрощает процедуру исследования структуры импульсных радиосигналов, под которой понимается амплитудно-фазовые соотношения, проявляющиеся в течение длительности радиоимпульсов.

Область исследований и использования полученных результатов ограничивается следующими условиями:

- частота несущих сигналов - Х-диапазон;

- наземные трассы распространения радиоволн открытого и дифракционного типов, протяженностью до 30 км;

- длительность импульсных радиосигналов от 0,3 до 1 мкс;

- объект исследования - моноимпульсные фазовые пеленгаторы обзорного типа.

Современное состояние. Из доступной автору литературы [20, 32-36] видно, что

вопросы изучения структуры сигналов и способы уменьшения влияния искажений структуры сигналов на работу радиосистем освещены достаточно широко. Однако основным прикладным направлением этих работ является совершенствование систем передачи цифровой информации. Системы передачи цифровых данных работают в условиях отличных от условий работы систем радиомониторинга, что накладывает ограничения на применение основных результатов приведенных работ. Некоторые аспекты использования структуры сигналов в системах радиомониторинга приведены в работах Ворошилина Е.П. [33,36], но они имеют иной прикладной характер, ориентированный в основном на оценку канала распространения радиоволн (РРВ). Таким образом, доступные автору литературные данные не позволяют разработать методы, учитывающие структуру радиоимпульсов и их искажений с целью повышения точности работы фазовых пеленгаторов, что подчеркивает актуальность данной задачи.

Научно-техническая задача, решаемая в диссертационной работе, заключается в определении структуры импульсных радиосигналов, прошедших наземную трассу РРВ, а также в разработке методов, уменьшающих влияние искажений структуры импульсных

радиосигналов на результаты пеленгования моноимпульсными фазовыми пеленгаторами. Решение данной задачи имеет существенное значение для совершенствования средств радиомониторинга и радиотехнической разведки.

Цель диссертационной работы - разработка методов цифровой обработки сигналов в обзорных фазовых пеленгаторах, минимизирующих погрешности пеленгования в реальных условиях работы станций радиотехнической разведки с учетом пространственно-временных искажений сигналов на трассах распространения радиоволн в течение длительности принимаемого радиолокационного импульса.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

- выявить по литературным и экспериментальным данным причины искажений структуры импульсных радиосигналов и их влияния на результаты пеленгования;

- определить математическую модель трассы распространения и принимаемого сигнала, провести моделирование искажений импульсных радиосигналов на основании выявленных причин;

- провести экспериментальные исследования искажений импульсных радиосигналов, определить их статистические характеристики;

- на основании проведенных исследований предложить алгоритмы учета искажений структуры импульсных радиосигналов;

- проверить предложенные алгоритмы путём цифрового полунатурного моделирования на основе экспериментальных данных, полученных на наземных трассах.

Методы исследования. В ходе выполнения диссертационной работы для создания алгоритмов повышения точности фазовых пеленгаторов анализировались экспериментальные данные о фазовых и амплитудных искажениях радиоволн на наземных трассах. Анализ причин возникновения искажений импульсных радиосигналов выполнялся по математическим моделям с использованием реальных параметров трасс распространения радиоволн. Проверка разработанных алгоритмов повышения точности пеленгования выполнялась путем цифровой обработки экспериментальных данных.

В ходе решения поставленных задач были использованы известные методы описания процессов распространения радиоволн, таких как рассеяние и отражение радиоволн неровностями подстилающей поверхности. Для описания искажений структуры импульсных радиосигналов и моделирования процесса прохождения сигнала через канал РРВ использовалась методика, приведенная в работах [32-39].

В диссертационной работе использованы экспериментальные данные, отражающие пространственно-временные амплитудные и фазовые искажения радиосигналов сантиметровых длин волн, полученные в ходе следующих работ:

- «Пространственно-временные модели ультракоротковолновых сигналов, распространяющихся вдоль неровной земной поверхности» в рамках ФЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» (2006 - 2008 гг.) [40];

- «Анализ и прогнозирование искажений СВЧ радиоволн и звуковых волн при их распространении в неоднородной тропосфере над неоднородной и неровной земной поверхностью. Экспериментальные исследования» в соответствии с государственным контрактом № 02.740.11.0232. от 07 июля 2009 г. [41];

- «Развитие учебно-научного радиофизического полигона ТУСУР» по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 гг.)» [42].

Обработка экспериментальных данных выполнялась на персональном компьютере с помощью пакета моделирования Ма1ЬАВ 2013.

Научная новизна работы состоит в получении статистических характеристик флуктуаций разностей фаз, проявляющихся в течение длительности принятых радиоимпульсов, путем проведения полевых экспериментальных исследований на наземных трассах различного вида при работе по ИРИ со сканирующей направленной антенной, а также в их математическом описании и разработке методов, использующих информацию об этих характеристиках в целях повышения точности пеленгования. В известной автору литературе отечественного и зарубежного издания подобные эксперименты не описаны.

Теоретическая значимость работы состоит в получении экспериментальных зависимостей статистических характеристик амплитудно-фазовых искажений радиосигналов, принятых на пространственно разнесенные антенны, проявляющиеся в течение короткого радиолокационного импульса (длительность более 300 нс), и в создании соответствующей базы данных. На этом основании представлены математические модели фазовых искажений сигналов сантиметрового диапазона на наземных трассах РРВ, позволяющие оптимизировать обработку сигналов в процессе пеленгования.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в описании и программной реализации методов повышения точности фазовых пеленгаторов. Результаты диссертационной были использованы при выполнении СЧ ОКР по договору с АО «ИСС им. Академика М.Ф. Решетнева», и при выполнении НИР по гранту РФФИ, о

чём свидетельствуют акты внедрения. Результаты настоящей диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре радиотехнических систем ТУСУРа.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Разность фаз сигналов, прошедших наземную трассу распространения радиоволн открытого или закрытого типов протяженностью до 30 км, и принятых на антенны фазового пеленгатора с базой 30 и более длин волн, имеющего полосу пропускания порядка 40 МГц, может изменяться на интервале времени, равном длительности принятого радиолокационного импульса, на десятки и сотни градусов в зависимости от ориентации направленной антенны ИРИ.

2. Изменение разности фаз сигналов, принятых на антенны фазового пеленгатора с фазометрической базой 30 и более длин волн, может использоваться для отбраковки аномальных пеленгов. Критерием отбраковки служит среднеквадратическое отклонение разности фаз на интервале времени, равном длительности принимаемого радиолокационного импульса.

3. Совместное применение методов отбраковки пеленгов в процессе устранения неоднозначности фазового пеленгатора и отбраковки пеленгов по среднеквадратическому отклонению разности фаз в интервале времени, равном длительности принятого радиолокационного импульса, позволяет повысить точность пеленгования (от 2 до 6 раз при отбраковке пеленгов от 21% до 90% в условиях проведенных экспериментов).

4. Усреднение разности фаз сигналов сантиметрового диапазона частот, принятых на антенны фазового пеленгатора с базой 30 и более длин волн, в течение первых 100-130 нс относительно переднего фронта принятого радиолокационного импульса позволяет повысить точность пеленгования ИРИ (до 5 раз по сравнению с усреднением разности фаз на всем интервале времени, равном длительности принятого радиолокационного импульса в условиях проведенных экспериментов).

Достоверность. Сформулированные в диссертационной работе выводы относительно методов повышения точности пеленгования фазовым методом основаны на результатах обработки экспериментальных данных, полученных на двадцати наземных трассах различного характера в зонах прямой видимости и дифракции. Эффективность предложенных методов повышения точности пеленгования подтверждена путём проведения полунатурных экспериментов с использованием экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на следующих конференциях:

- «Проблемы создания технических средств мониторинга электромагнитного поля с использованием инновационных технологий», научно-техническая конференция, С.Петербург, 2008 г.;

- «Научная сессия ТУСУР-2009», всероссийская научно-техническая конференция, Томск, 2009 г.;

- «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2014), 24-я международная Крымская конференция, Севастополь, 2014 г.;

- «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2015), 25-я международная Крымская конференция, Севастополь, 2015 г.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 16 работ, из них 5 - статьи в рецензируемых журналах, 10 - в сборниках докладов международных, всероссийских и региональных конференций (2 из них в изданиях перечня Scopus), 1 -коллективная монография.

Личный вклад. Автор диссертационной работы лично принимал участие в подготовке комплекса приемно-измерительной аппаратуры и в проведении полевых экспериментальных исследований в области распространения радиоволн сантиметрового диапазона на пересечённых наземных трассах в период с 2006 по 2010 года. Им лично обработаны экспериментальные данные, выявлены причины возникновения искажений структуры импульсных радиосигналов, разработаны методы повышения точности пеленгования, проведена проверка разработанных методов на экспериментальных данных.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения, приложений и списка литературы. Общий объем работы составляет 148 страниц, содержит 113 рисунков, 14 таблиц. Список использованной литературы включает 78 источников.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, представлены научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Многобазовые фазовые пеленгаторы» рассмотрены особенности построения обзорных моноимпульсных фазовых пеленгаторов, описаны принцип работы, методы устранения неоднозначности фазовых измерений, основные источники погрешностей пеленгования на пересечённых наземных трассах. Проанализированы экспериментальные данные, полученные ранее, на примере двухбазового фазового пеленгатора экспериментально показано влияние искажений структуры импульсных сигналов на точность пеленгования ИРИ со сканирующей антенной системой.

Во второй главе «Теоретическая оценка влияния многолучевости не точность пеленгования источников импульсного излучения» выбрана модель наземной трассы РРВ, учитывающая искажения сигналов, проведена теоретическая оценка влияния отраженных препятствием сигналов на фазу и разность фаз в месте приема, выполнено моделирование прохождения сигналом канала РРВ, путем использования импульсной характеристики реальных трасс.

В третьей главе «Экспериментальные исследования фазовой структуры импульсных радиосигналов на наземных трассах в пределах зон прямой видимости и дифракции» представлены результаты полевых экспериментальных исследований статистических параметров разностей фаз, полученных как по совокупности импульсов, так и в течение их длительности. Представлен алгоритм классификации радиоимпульсов по степени искажения, описана методика расчета статистических характеристик разности фаз.

В четвёртой главе «Оптимизация алгоритмов обработки разности фаз на основе полученных данных» рассматриваются методы повышения точности фазовых пеленгаторов путем исключения из обработки сигналов, приводящих к большим ошибкам пеленгования. Проведено исследование рассматриваемых методов на экспериментальных данных, проанализированы результаты совместного применения этих методов.

В заключении приведены теоретические и практические результаты, полученные автором в диссертационной работе.

1 МНОГОБАЗОВЫЕ ФАЗОВЫЕ ПЕЛЕНГАТОРЫ

1.1 Принципы построения фазовых пеленгаторов с линейной антенной решеткой

Радиопеленгатор - прибор, основной функцией которого является определение направления на источник радиоизлучения. Направление на источник адекватно положению фронта падающего на антенную систему электромагнитного поля. Для определения положения фронта волны в двумерном пространстве, например, в горизонтальной плоскости необходимо иметь как минимум два разнесенных замера положения фронта. В этих точках должны быть расположены зонды-измерители поля антенны. Конечное число точек измерения может быть увеличено, в пределе образуя в сплошной раскрыв измерителя - протяженную антенну. Технически направление на источник определяется сравнением амплитуд или фаз сигналов, принимаемых каждой антенной от одного источника [1 - 6].

Любой радиопеленгатор содержит датчик и измеритель. Антенная система, с помощью которой пеленг источника определяется сравнением амплитуд, называется амплитудным датчиком и представляет собой две направленные антенны, фазовые центры которых совмещены, а амплитудные диаграммы развернуты друг относительно друга. Антенная система, с помощью которой пеленг источника определяется сравнением фаз, называется фазовым датчиком и представляет собой две антенны, фазовые центры которых разнесены, а амплитудные характеристики совпадают. Простейший фазовый пеленгатор представлен на рис. 1.1.

Рис. 1.1 - Обобщенная схема однобазового фазового пеленгатора.

Он содержит 2 антенны А1 и А2, разнесенные в пространстве на некоторое расстояние I, называемое базой, два приемно-усилительных тракта (ПУТ), фазометр (Ф) и вычислитель пеленга [18].

В случаях, когда расстояние от передатчика до приемника гораздо больше расстояния l, можно считать, что фронт падающей волны плоский. Задержка сигнала, поступающего на антенну А1, относительно сигнала, поступающего на антенну А2, выражается формулой:

т = ^, (1.1)

c

где тз - задержка сигнала, с - скорость распределения волны, ах - угол прихода волны относительно перпендикуляра к оси x.

Фазовый сдвиг сигналов, соответствующий тз, определяется выражением:

Ф = 2ж1 cos ах, (1.2)

Я

где Ф - фазовый сдвиг в радианах, Я - длина волны.

Обычно угол прихода волны а отсчитывается не от координатной оси x, а от нормали к ней. В таком случае, из выражения (1.2) следует:

• фя (1 3)

а = arcsin--(1.3)

2ж1

В реальной системе, на точность определения пеленга а влияют следующие факторы:

- неидеальность среды распространения, приводящая к искажению фазовых фронтов;

- неидентичность приемно-усилительных трактов, приводящих к различным фазовым сдвигам;

- внутренние шумы аппаратуры и внешние помехи;

- неидеальность фазоизмерительной аппаратуры, в частности, наличие шумов квантования при ее оцифровке.

Совокупность перечисленных факторов приводит к случайной погрешности измерения пеленга, среднеквадратическое значение которой можно выразить формулой:

^ = ^ 0.4)

2^—cos а Я

Из этой формулы следует, что угловая погрешность а* может быть сколь угодно

малой, если отношение l / Я достаточно велико. Это является одним из достоинств фазового пеленгатора. Однако, с увеличением размера базы l, уменьшается сектор однозначных фазовых измерений. Разность фаз (р двух гармонических сигналов с

частотойf определена лишь на периоде T = 1/f0, а разность времени прихода сигналов на

различные антенны т3 может превосходить период, если l > Я / 2. Таким образом,

разность фаз сигналов можно представить в виде:

Ф = р + 2лк, (1.5)

где р - разность фаз, измеренная фазометром, к - число полных периодов разности фаз, утраченных в силу периодичности сигналов. Поиск числа утерянных периодов разности фаз называется устранением неоднозначности фазовых измерений. Методы устранения неоднозначности в фазовых пеленгаторах приведены в работах [18, 30, 43 - 48]

В обзорных фазовых пеленгаторах разрешение неоднозначности производится при помощи применения дополнительных фазометрических баз с меньшим размером. Такой метод называется «методом уточнения», он основан на включении в состав более грубого измерителя, обеспечивающего однозначный, но не достаточно точный пеленг в заданном секторе углов и более точного измерителя, обеспечивающего более точное измерение пеленга. Разрешение неоднозначности на базе производится на основании измерений на предыдущей базе.

При отсутствии ошибок при измерении разности фаз, однозначное измерение разности фаз на «грубой» базе l¡ выглядит следующим образом:

о l1 •

р1 = 2^—sin а Я

Полная разность фаз на неоднозначной базе l2 запишем выражением: 12

Ф 2 = р2 + 2ж2 = 2ж—sina Я

где |р2| <ж, к2 - число полных периодов разности фаз Ф 2, утраченных при

измерениях.

Из выше описанных выражений находим к2:

к 2 — 2 2ж

Г l ^ ( Y ~(2

. l1 J

Поскольку реальные разности фаз измеряются с ошибками, то число полных периодов к2 не является целым числом. Поэтому к2 определяют, округляя ее до ближайшего целого. Таким образом, для многобазового пеленгатора к^ будет равно:

к. =

1

Г l V

(г-1 l--(

V li-1 J

(1.6)

2ж

где [ ] означают округление до ближайшего целого.

Структурная схема пеленгатора работающего по «методу уточнения» представлена на рис. 1.2.

На схеме - фазометры, УУН - устройство устранения неоднозначности. Вычислитель выдает оценку пеленга а* в соответствии с формулой (1.3), где Ф = Фп -полная разность фаз на самой большой базе пеленгатора 1п.

Качество устранения неоднозначности характеризуется вероятностью того, что она устранена правильно, то есть вычисление к соответствует минимальной погрешности пеленгования. Из выражения (1.6) следует, что при переходе от базы к 1г условие определения к заключается в том, чтобы стоящее в квадратных скобках выражение от истинного целочисленного значения не более чем на 0,5.

Лп\/

Фп

Фп

л2\у Л1V

Ф1

Ф2

Ф2 ![ Ф1

УУН1

|Фп-1 + 2%кп-1 ' Ф2 + 2лк2

_1__ к УУН2

УУНп-1

Вычислитель

а

Фп + 2пкп

Рис. 1.2 - Структурная схема типового фазового пеленгатора, работающего по

методу уточнений [18].

Запишем разность фаз в следующем виде:

Фг =Ф0г + 5г (1.7)

где Ф0г - разность фаз, точно соответствующая углу прихода сигнала, 5 { - ошибка измерений.

Тогда условие правильного устранения неоднозначности запишется в виде:

< 0,5 (1.8)

( 1 \

1

где г)г = — 2ж

5г- ^ -5,

1г-1

Для выяснения физического смысла соотношения (1.6) запишем его в виде:

5-1А 5 Л

2ж11 -1 2ж11

<

Л 21

(1.9)

1

п

1

2

1

Поскольку 5iXI2nli - погрешность измерения cos а на /-ой базе, а XI li - сектор однозначности на той же базе, условие правильного устранения неоднозначности заключается в том, что разность погрешностей измерений на «грубой» базе li_1 и «точной»

базе lt не превосходит половины сектора однозначности по «точной» базе. Если же

li I li+1 >> 1, угловая погрешность на «точной» базе не существенна по сравнению с

погрешностью на «грубой» базе, и условие правильного устранения неоднозначности сводится к тому, что погрешность измерений на «грубой» базе не превышает половины сектора однозначности на «точной».

Условие правильного устранения неоднозначности в n-базовом пеленгаторе описывается совокупностью неравенств (1.8), где i = 2,3,...,п. В соответствии с этим условием вероятность правильного устранения неоднозначности можно в виде выражения:

0,5 0,5

P = J .. J^„-iУ2,. .,Уп)dy2.. dy„ (1.10)

-0,5 -0,5

где Wn-1 (у2,...yn) - плотность распределения вероятностей случайных величин r/i

(1.9).

Случайные величины ri, Г+1 коррелированны между собой даже в том случае, если

фазовые погрешности Si независимы. Поэтому в общем случае вероятность P0 (1.10) не

равна произведению вероятностей правильного устранения неоднозначности при переходе от /-ой базе к /+7-ой.

Особенностью пеленгатора построенного по схеме рис. 1.2 является то, что точность пеленгования определяется самой большой базой, все остальные базы служат для определения сектора однозначности. Часть информации при этом теряется. Это относится ко всем пеленгаторам, построенным по схемам последовательной обработки сигналов.

Другим методом устранения неоднозначности является метод максимального правдоподобия. Его особенность заключается в использовании измерений на всех базах для определения целого числа периодов разности фаз на каждой базе [18, 30, 48].

Антенные системы таких пеленгаторов представляют собой линейные решетки (рис.

1.3).

На антенной системе, состоящей из N -элементов, может быть сформировано п < N -1 линейно независимых фазометрических баз, в которых фазовые погрешности распределены нормально, имеют нулевые средние значения и известную корреляционную матрицу Бф.

л

\z

<Pi

A л/

А-

A2 л/

Л

L

Рис. 1.3 - Линейная антенная решётка фазового пеленгатора.

Предположение о нормальности распределения фазовых погрешностей вытекает из условия, что источником фазовых погрешностей являются внутренние шумы приёмных устройств [17]. Во многих случаях оно остаётся справедливым и при учёте флуктуаций радиоволн на трассах распространения.

Совместную плотность распределения вероятностей совокупности измеренных разностей фаз можно представить в виде выражения:

Wn (ф/и) = k exp | - 2(Ф + к - ñxи)т B^ (ф + к - ñxи) j

(1.11)

где ф =

ч i

Ф2

ЧФп J

вектор-столбец измеренных - разностей фаз в долях 2л, -0,5 <ф.<0,5,

п - количество измерительных баз,

k =

( к 1

v kn J

(п 1

ñx =

x1

V ñn J

вектор-столбец целых частей

разностей фаз на базах, утраченных при измерениях,

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Колядин Николай Александрович, 2015 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. «Радиоэлектронная борьба: радиоразведка и радиопротиводействие» под ред. Цветнова, Изд. МАИ 1998г.;

2. Современная радиоэлектронная борьба. Вопросы методологии / Под ред. В.Г. Радзиевского. М.: Радиотехника, 2006. - 424 с.

3. Защита радиолокационных систем от помех. Состояние и тенденция развития / Под ред. А.И. Канащенкова и В.И. Меркулова. - М.: Радиотехника, 2003. - 416 с.

4. Зарубежные радиоэлектронные средства / Под ред. Ю.М. Перунова. В 4-х книгах. Кн. 2: Системы радиоэлектронной борьбы. - М.: Радиотехника, 2010. - 352 с.

5. Радиоэлектронное подавление информационных каналов систем управления оружием / Под ред. Ю.М. Перунова. - М.:Радиотехника, 2003. - 416 с.

6. Радиомониторинг - задачи, методы, средства / Под ред. А.М. Рембовского. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Горячая линия-Телеком, 2010. - 624 с.

7. Быстров Р.П. Функциональные устройства и элементная база радиолокационных систем / Р.П. Быстров, А.А. Потапов. - М.: РЭНСИТ, 2009, 1(1-2), с. 43-58.

8. Башаринов А.Е. Об оптимальных параметрах многошкальных измерительных систем / А.Е. Башаринов, В.В. Акиндинов // Радиотехника и электроника. - 1963. -Т.8, №1. - С.3-8.

9. Собцов Н.В. Об условиях применения двухшкальных измерительных систем / Н.В. Собцов // Радиотехника и электроника. - 1973. - Т. 16, №3. - С. 636 - 638.

10. Бадулин Н.Н. Экспериментальное исследование рефракции электромагнитных волн в приземном слое атмосферы / Н.Н. Бадулин, А.В. Ерохин, Е.В. Масалов // Радиотехника и электроника. - 1978. - No10. - С. 2027 - 2030.

11. Киселёв О.Н. Экспериментальные исследования медленных вариаций амплитуды и фазы 10-ти сантиметровых радиоволн на приземных трассах. - Изв. вузов СССР. Радиофизика. - 1969. - Т.12, No 1. - С. 9 - 14.

12. Атутов Е. Б. Отражение и преломление плоских волн на границе случайных дискретных сред / Е.Б. Атутов, Ю.Л. Ломухин // Материалы докладов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Научная сессия ТУСУР-2007». - Томск : В-Спектр, 2007. -Ч. 1. - С. 8 - 11.

13. Ахияров В.В. Методы решения задач дифракции на затенённой трассе / В.В. Ахияров // Труды XIII международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь». - Воронеж, 2007. - Т.1. - С. 617 - 622.

14. Полищук Ю.М. Дифракция Френеля на полуплоскостях со статистически неровными границами // Радиотехника и электроника. - 1971. - Т. 16, No 5. -С. 675 - 684.

15. Кашкан А. А. Вопросы статистической теории дифракции. / Ю.М. Полищук, А. А. Кашкан. - Томск : ТГУ, 1974. - 59 с.

16. Зубкович С.Г. Статистические характеристики радиосигналов, отражённых от земной поверхности. - М. : Советское радио, 1968. - 224 с.

17. Цветнов В.В. Воздействие гауссовых помех на двухканальные фазовые системы. Исследование точности и помехоустойчивости фазовых пеленгаторов / В.В. Цветнов. - Л.: Судпромгиз, 1959. - 29 с.

18. Денисов В.П., Дубинин Д.В. Фазовые радиопеленгаторы: Монография. - Томск: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2002. - 251 с.

19. Исследования распространения УВК до расстояния порядка прямой видимости. Калинин А.И., Надененко Л.В. Сб. «Распространение радиоволн». М., «Наука», 1975, стр. 66.

20. Кулемин Г.П., Рассказовский В.Б. Рассеяние радиоволн миллиметрового диапазона поверхностью земли под малыми углами. - Киев: Нукова думка, 1978. - 232 с.

21. Бартон Д. Радиолокационное сопровождение целей при малых углах места / Д. Бартон // ТИИЭР.-1974.-Т. 62, №6.- С. 37.

22. Калинин А.И. Распространение радиоволн и работа радиолиний / А.И. Калинин, Е Л. Черенкова. -М.: Связь, 1971. - 440 с.

23. Кириллов Н.Е. Помехоустойчивая передача сообщений по линейным каналам со случайно изменяющимися параметрами / Н.Е. Кириллов. - М.: Связь, 1971. - 256 с.

24. Михайловский А.И. Статистические моменты ошибок измерения пеленга источника над неровной подстилающей поверхностью / А. И. Михайловский // Радиоэлектроника. - 1991. - No11. - С. 40 - 46.

25. Долуханов М.П. Флуктуационные процессы при распространении радиоволн. -М.: Связь. -1971.

26. Ю.П. Акулиничев. Коэффициенты передачи загоризонтной тропосферной линии при движении, сканировании и разнесении антенн. Радиотехника, 1991, № 12, с. 7175.

27. Шарыгин Г.С. Статистическая структура поля УКВ за горизонтом. - М.: Радио и связь, 1983.

28. Высоковский В.М. Некоторые вопросы дальнего тропосферного распространения УКВ / В.М. Высоковский. - М.: Изд-во АН СССР, 1958. - 155 с.

29. Экспериментальное исследование структуры электромагнитного поля при распространении радиоволн сантиметрового диапазона над земной поверхностью / под ред. Г.С. Шарыгина. - Томск: Изд-во Том. гос. ун-та, 1970. - 127 с.

30. Пространственно-временные искажения сантиметровых радиосигналов на наземных трассах распространения и их влияние на точность пассивных систем местоопределения : моногр. / В.П. Денисов [и др.] ; под общ. ред. д-ра техн. наук, проф. В.П. Денисова. - Томск : Изд-во ТУСУР, 2014. - 502 с.

31. Крутиков М.В. Измерительный комплекс для исследования пространственно-временных искажений радиосигналов трёхсантиметрового диапазона на наземных трассах / Ровкин М. Е., М. В. Крутиков, А. А. Мещеряков, М. В. Осипов, В. А. Зайцев, В. Ю. Бутырин // Известия вузов России, серия Радиоэлектроника. -2006. - № 6. - С. 7-11.

32. Кеннеди Р. Каналы связи с замираниями и рассеянием. М.: Сов. Радио. 1973. 304 с.

33. Ворошилин Е.П. Влияние трассы распространения радиоволн на точность пассивных наземных систем местоопределения с антенными системами в виде линейных решеток. Дисс. канд. техн. наук: 05.12.14/ ТУСУР. - Томск, 2009. ДСП -176 с.

34. Чингаева А.М. Исследование и разработка алгоритмов оценивания оптимальной фильтрации параметров канала с рассеянием во времени и по частоте. Дисс. канд техн. наук: 05.12.13 / Поволжская государственная академия телекоммуникаций и информатики. - Самара, 2007. - 166 с.

35. The Dependence jf Indoor Radio Channel Multi-path Characteristics of Transmit/Receiver. R.J.C. Bultitude [et al.] // IEEE Journal on Selected Areas in Communications. - 1993. - Vol. 11, № 7. - P. 979-900.

36. Ворошилин Е.П. Экспериментальная оценка импульсной реакции канала распространения радиоволн в сантиметровом диапазоне. Ворошилин Е.П., Лебедев В.Ю. Доклады ТУСУР. - Томск, 2008. - №2. - с. 5-9.

37. Рытов С.М. Введение в статистическую радиофизику. Ч. 2./ С.Мю Рытов, Ю.А. Кварцов, В.И. Татарский. - М. Наука, 1978. - 464 с.

38. Кловский Д.Д. Модели непрерывных каналов связи на основе стохастических дифференциальных уравнений // Кловский Д.Д., Конторович В .Я., Широков С.М. -М.: Радио и связь, 1984. - 248 с.

39. Немировский А.С. Борьба с замираниями при передаче аналоговых сигналов. - М.: Радио и связь, 1984. - 208 с.

40. Отчёт по НИР «Пространственно-временные модели ультракоротковолновых сигналов, распространяющихся вдоль неровной земной поверхности». - Томск, 2008. - 250 с.

41. Отчёт по НИР «Анализ и прогнозирование искажений СВЧ радиоволн и звуковых волн при их распространении в неоднородной тропосфере над неоднородной и неровной земной поверхностью». - Томск, 2011. - 439 с.

42. Отчёт по НИР «Развитие учебно-научного радиофизического полигона ТУСУР» по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 гг.)». - Томск, 2011. - 137 с.

43. Агроскин В.И., Никитенко Ю.И. Анализ многоступенчатого и одноступенчатого способов устранения многозначности фазовых отсчетов // Вопросы радиоэлектроники. Серия ОТ. - 1970. - Вып. 3. - С.12.

44. Корнев В.В. Синтез многобазового пеленгатора и устранение неоднозначности оценки пеленга источника излучения при фазовом методе измерения угла прихода электромагнитной волны // Радиопромышленность. -М.: АО "ЦНИИ "Электроника". -2004. -№1. -С. 46-73.

45. Stephen E. Lipsky. Microwave Passive Direction Finding // U.S.A. -SciTech Publishing. -2004. -S. 324.

46. Кургин В.В. Алгоритм формирования однозначных дискриминационных характеристик фазовых пеленгаторов // Дисс. канд. техн. наук: 05.12.14. МИРЭА. -М. 2001.

47. Вязигин И.О. Алгоритм измерения угла сдвига фаз СВЧ сигналов // Дисс. канд. техн. наук: 05.12.14. ОГТУ. -Омск. 2010.

48. Чемаров А.О. Совместное обнаружение и фазовое пеленгование источника радиоизлучения при одновременном обзоре в широкой полосе частот в условиях априорной неопределенности сигнально-помеховой обстановки // Дисс. канд. техн. наук: 05.12.04. ЛЭТИ. -Л. 2009.

49. Файнберг Е.Л. Распространение радиоволн вдоль земной поверхности / Е.Л. Файнберг. - М.: Изд-во АН СССР, 1961. - 496 с.

50. Арсеньян Т.И. Распространение электромагнитных волн в тропосфере // Уч. пособ. ТУСУР. - Томск, 2006. - 169 с.

51. Журавлев А.В. Распространение и отражение узких пучков миллиметровых и сантиметровых радиоволн в приземном атмосферном слое и подповерхностном слое грунта // Дисс. канд. физ.-мат. наук: 01.04.03. -М: РГБ. -2006.

52. Фомичев С.М. Обзор математических моделей каналов связи их применение в телекоммуникационных системах / Фомичев С.М., Абилов А.В. // Ижевск. гос. тенхн. унив. 2001.

53. Акулиничев Ю.П. Теория и методы диагностики многолучевости для повышения помехоустойчивости систем радиолокации и дистанционного зондирования тропосферы. Дисс. док. техн. наук: 05.12.14 / ТУСУР. - Томск, 2002, ДСП. - 298 с.

54. Шипилов С. Э. Восстановление импульсных характеристик и формы радиолокационных объектов при сверхширокополосном импульсном зондировании. Дисс. канд. физ.-мат. наук: 01.04.03 / СО РАН. Институт сильноточной электроники. Томский гос. университет. - Томск, 2003. - 148 с.

55. VanBlaricum M. L., Mittra R. A technique for extracting the poles and residues of a system directly from its transient response // IEEE Trans. Antennas Propagat. 1975. V. 23, № 6. P. 777-781.

56. Sarkar Т. K., Weiner D. D., Jain V. K. Diant S. A. Impulse response determination in the time domain theory // IEEE Trans. Antennas Propagat. 1982. V. 30, №4. P. 657-663.

57. Грузман И.С., Киричук В.С., Косых В.П., Перетягин Г.И., Спектор А.А. Цифровая обработка изображений в информационных системах: Учебное пособие.-Новосибисрк: Изд-во НГТУ, 2002. - 352 c.

58. Чумаков А.С. Основы статистической радиотехники: Учеб. пособие. - Томск: ТУСУР, 2003. - 394 с.

59. Васильев К. К. Теория автоматического управления (следящие системы): Учебное пособие.-2-е изд.- Ульяновск, 2001. - 98 с.

60. Аникин А.С. Методы устранения аномально больших погрешностей пеленгования сканирующего источника радиоизлучения сантиметрового диапазона на наземных трассах. Дисс. канд. техн. наук: 05.12.14 / ТУСУР. - Томск, 2013. - 184 с.

61. Аникин А.С. Анализ совместного применения методов устранения аномальных ошибок в фазовых пеленгаторах, работающих по сканирующему источнику на приземных трассах / А.С. Аникин, В.П. Денисов, Н.А. Колядин // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2013. - № 3(29). - С.5 - 14.

62. Аникин А.С. Анализ зависимости разности фаз на антеннах фазового радиопеленгатора от ориентации направленной антенны источника радиоизлучения в условиях пересечённой местности / А.С. Аникин, В.П. Денисов, М.В. Крутиков, Н. А. Колядин // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2013. - № 2(28). - С.5 - 14.

63. Цветнов В.В. Статистические свойства сигналов и помех в двухканальных фазовых системах. // Радиотехника. - 1957. - Т. 12, №5.

64. Цветнов В.В. Безусловные статистические характеристики разности фаз двух гауссовых случайных процессов. // Радиотехника и электроника. - 1696. - Т. 14, №1. - С. 49.

65. Отчет по проекту: «Анализ и прогнозирование искажений СВЧ радиоволн и звуковых волн при их распространении в неоднородной тропосфере над неоднородной и неровной земной поверхностью», государственный контракт № 02.740.11.0232 в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (промежуточный, этап 2). - Томск, ТУСУР, 2010. - 249 с.

66. В.Е. Гмурман. Теория вероятностей и математическая статистика / 9-е изд., стер. -М.: Высшая школа, 2003.— 479 с.

67. Рассказовский В. Б. Дифракционная модель распространения радиоволн: азимутальные ошибки источника излучения / В.Б. Рассказовский, Ю.Ф. Логвинов //

Матер. IV Междунар. радиоэлектронного форума «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития». Харьков, 18-21 октября 2011 г. - Харьков: ХНУРЭ, 2011. - С. 222-225.

68. Денисов В.П., Колядин Н.А., Крутиков М.В., Скородумов М.П. Экспериментальные исследования антенной системы двухбазового фазового пеленгатора на наземных трассах // Вопросы радиоэлектроники. Выпуск 2. -Москва, 2009г. - стр. 10-16.

69. Денисов В.П., Крутиков М.В., Колядин Н.А., Скородумов М.П.. Экспериментальное исследование антенной системы двухбазового фазового пеленгатора на наземных трассах. - труды научной конференции посвященной 100-летию НИИ «ВЕКТОР» «Научно-технические проблемы в промышленности». г. Санкт-Петербург. 2008 г. - стр. 20-24.

70. Колядин Н. А. Статистические характеристики внутриимпульсных пространственно-временных флуктуаций разности фаз на приземных трассах. // Научно-техническая конференция «Научно-технические проблемы в промышленности: инженерные и производственные проблемы создания технических средств мониторинга электромагнитного поля с использованием инновационных технологий», Санкт-Петербург, 29-31 мая 2012 г.: Труды конференции. - СПб.:К-8, 2012. - стр. 153-159.

71. Н.А. Колядин, Е.Н. Грицаенко, М.В. Крутиков. Внутриимпульсные характеристики разности фаз сантиметровых радиосигналов, принятых на наземных трассах // Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем. -Ульяновск, 2007. - С. 151-153

72. В.П. Денисов, Н.А. Колядин. Исследование возможности исключения аномальных ошибок в фазовых пеленгаторах, работающих по сканирующему источнику // Научная сессия ТУСУР: Материалы докладов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Ч.1. - Томск: В-Спектр, 2009г. - стр. 26-29.

73. Денисов В.П., Колядин Н.А., Мухомор К.Е., Скородумов М.П. Алгоритм устранения аномально больших ошибок в фазовых пеленгаторах, работающих по сканирующему источнику // 16 научная конференция «Радиолокация, радионавигация и связь». - Воронеж, 2010 г.

74. Устранение аномально больших ошибок в двухбазовых фазовых пеленгатора, работающих по сканирующему источнику излучения / В.П. Денисов, Н.А. Колядин, К.Е. Мухомор, М.П. Скородумов // Радиотехника. -2013. -№ 2. -С. 10-17.

75. Леонов А.И. Моноимпульсная радиолокация / Леонов А.И., Фомичев К.И. // - М.: Радио и связь, 1984. - 312 с.

76. Белов В. И. О выборе периодов и длительностей импульсов шкал при устранении неоднозначности в многоканальной фазовой измерительной системе // Радиотехника и электроника. - 1978 - Т.23, №10, е2225

77. Денисов В. П. Вероятностные характеристики одного способа обработки многоканальных фазовых измерений // Радиотехника и электроника, Т. XXVII, №11, 1982, с.21

78. Корн Г. А., Корн Т.М. Справочник по математике // Наука, 1973.

«УТВЕРЖДАЮ»

Ректор Томского государственного университета систем управлении и радиоэлектроники

о пнслрсшш и учебный процесс результатов кандидатской лисссршини H.A. Кол ниши в [ омском государственном университете систем управ.icjiiih и

ради озлектр он и км

Комиссии в составе:

заведующий кафедрой П С д.т.н.. профессор C.B. Мелихов, д.т.н., профессор каф. РТС В.И. Тислснко

составила настоящий АКТ о внедрении результатов диссертационной работы научного сотрудника J1ИИ РТС л ассистента каф. РТС ТУСУР Колядина H.A. в учебный процесс.

Вид внедрешит: использование результатов диссертационной работы при преподавании курсов «Основы теории радиотехнических систем и комплексов» по специальности 210601.65 «Радиоэлектронные системы и комплексы».

Конкретные результаты внедрении

Разработанная автором диссертации методика ВЫЧИСЛЕНИЯ статистических характеристик сигналов по экспериментальным данным используется при выполнении лабораторных работ по курсу «Основы теории радиотехнических систем н комплексов».

Заведующий кафедрой Радиотехнических систем, д.т.н., профессор

Профессор кафедры Радиотехнических систем, д. т.н.