Метод и алгоритмы обработки информации в моноимпульсной системе мониторинга источников радиоизлучения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат наук Филиппов, Роман Николаевич

• Филиппов, Роман Николаевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Филиппов, Роман Николаевич

Содержание

ВВЕДЕНИЕ_6

1 АНАЛИЗ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПОСТАНОВКА НАУЧНОЙ ЗАДАЧИ_14

1.1 Назначение, задачи и структура системы мониторинга источников радиоизлучения_14

1.1.1 Назначение и задачи систем мониторинга ИРИ_15

1.1.2 Мониторинг ИРИ с использованием ИСЗ_17

1.1.2 Структура моноимпульсной системы мониторинга ИРИ_20

1.1.3 Проблемы обработки информации в современных системах мониторинга ИРИ _24

1.2 Методы и алгоритмы определения местоположения источников радиоизлучения в спутниковых системах мониторинга ИРИ_28

1.2.1 Пеленгационный метод _28

1.2.2 Разностно-дальномерный метод_31

1.2.3 Доплеровский метод_33

1.2.4 Сравнительный анализ методов определения местоположения ИРИ с использованием спутников_34

1.2.5 Принцип и методы моноимпульсной пеленгации_36

1.2.6 Алгоритмы амплитудной моноимпульсной пеленгации_40

1.3 Методы и алгоритмы распознавания источников радиоизлучения в системе мониторинга ИРИ_44

1.3.1 Разновидности алгоритмов распознавания_45

1.3.2 Традиционные подходы к разработке алгоритмов распознавания_46

1.3.3 Анализ алгоритмов распознавания ИРИ_51

1.4 Постановка научной задачи исследования Выводы по главе 1_

55

2 ФУНКЦИОНАЛЬНО-СТРУКТУРНАЯ ДЕКОМПОЗИЦИЯ ПРОЦЕССА

ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ И АНАЛИЗ СИГНАЛОВ ИРИ_59

2.1 Структурно-параметрический подход к проектированию системы обработки информации_59

2.1.1 Модель состояний ИРИ_60

2.1.2 Многоуровневая модель наблюдений_63

2.2 Анализ импульсных сигналов ИРИ_65

2.2.1 Кодирование импульсных сигналов_67

2.2.2 Импульсная модуляция _70

2.3 Метод формирования описаний импульсных сигналов ИРИ_74

2.4 Методика расчета весовых коэффициентов параметров импульсных сигналов_80

Выводы по главе 2_84

3 АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ_86

3.1 Алгоритм первичной обработки информации_87

3.2 Алгоритм вторичной обработки информации_96

3.2.1 Итерационный алгоритм определения местоположения ИРИ_97

3.2.2 Алгоритм осреднения реперных направлений_102

3.2.3 Алгоритм траекторной обработки_107

3.3 Алгоритм третичной обработки информации_112

Выводы по главе

117

4 ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ С

ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ИРИ _119

4.1 Имитационная модель системы мониторинга ИРИ_120

4.1.1 Цель, задачи и структура имитационной модели системы мониторинга ИРИ_121

4.1.2 Алгоритм имитационного моделирования системы мониторинга ИРИ _124

4.2 Реализация модели системы мониторинга ИРИ_128

4.2.1 Программа имитации радиоэлектронной обстановки_131

4.2.2 Программа первичной обработки информации_

4.2.3 Программа вторичной обработки информации_

4.2.4 Программа распознавания_137

4.2.5 Программа анализа ошибок вычисления параметров_140

4.2.6 Комплекс управления базами данных_142

4.3 Исследование алгоритмов обработки информации_145

4.3.1 Использование имитационной модели для оценки эффективности алгоритмов определения местоположения и распознавания_

4.3.2 Исследование алгоритмов определения местоположения_

4.3.3 Исследование алгоритма распознавания_

Выводы по главе 4_160

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ _161

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ_163

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод и алгоритмы обработки информации в моноимпульсной системе мониторинга источников радиоизлучения»

Введение

Современное состояние технического прогресса характеризуется бурным развитием измерительно-информационных систем (ИИС), использующих в качестве носителей измерительной аппаратуры искусственные спутники Земли (ИСЗ). Такие спутниковые ИИС решают задачи навигации, космической геодезии и геофизики, связи, мониторинга, военной разведки и многие другие. Наиболее известными ИИС являются спутниковые навигационные системы (СНС) «GPS/Navstar» (США), «ГЛОНАСС» (Россия) и «GALILEO» (ЕС), единая служба поиска и спасения на базе СНС «Цикада» и «KOCnAC-SARSAT», системы связи и управления воздушным (AEROSAT) и морским (MARSAT, INMARSAT) движением, системы радиоэлектронного наблюдения «Целина» и другие.

Системы мониторинга источников радиоизлучения (ИРИ) предназначены для получения информации о системах радиоизлучения в заданном географическом районе, что позволяет осуществлять контроль работы различных ИРИ на предмет соответствия заявленным характеристикам, а также производить сбор и анализ объективной информации по ИРИ. Большое значение имеет получение достоверной информации об ИРИ, отличающихся различными видами модуляции параметров импульсных сигналов, а также точное определение их местоположения.

Оценка параметров импульсных сигналов с различными видами модуляции, определение местоположения и распознавание ИРИ являются основными задачами для целого класса радиоэлектронных систем, к которому относятся системы мониторинга ИРИ. Исследования этих задач отражены в работах С.А. Вакина, В.Н. Вапника, В.А. Вартанесяна, A.JI. Горелика, Ю.И. Журавлева, Н.Г. Загоруйко, Е.В. Кузина, В.Г. Небабина, А.И. Леонова, Р. Гонсалеса, В.Г. Радзиевского, Д.Р. Родса, A.A. Сироты, В.А. Скрипкина, Дж. Ту, К. Фу, Э. Ханта, А.Я. Червоненкиса, Я.Д. Ширмана, Л.Н. Шустова и др.

Следует отметить вклад в исследование этих задач В.Г. Радзиевского и A.A. Сироты. В работах этих авторов большое внимание уделяется вопросу использования системного подхода при решении задач синтеза радиоэлектронных систем.

Проблема охвата обширных территорий требует применения систем мониторинга ИРИ, размещенных на геостационарных и высокоэллиптических орбитах ИСЗ. При этом для существенного снижения стоимости космического сегмента и экономии затрат на построение системы спутникового мониторинга ИРИ стремятся использовать минимально возможное количество спутников.

На практике при реализации систем мониторинга ИРИ для решения задачи определения местоположения применяют в основном разностно-дальномерный и моноимпульсный пеленгационный методы. Для разностно-дальномерной системы мониторинга ИРИ требуется запуск в космос не менее 3-х спутников. При реализации моноимпульсной системы мониторинга ИРИ достаточно одного спутника, что значительно уменьшает ее стоимость.

Таким образом, дальнейшее развитие и совершенствование методов и алгоритмов обработки информации в спутниковых моноимпульсных системах мониторинга ИРИ, позволяющих повысить точность определения местоположения и распознавания источников радиоизлучения, является актуальной научной и практической задачей.

Объектом исследования является процесс обработки информации в моноимпульсной системе мониторинга источников радиоизлучения.

Предметом исследования являются методы и алгоритмы решения задач обработки информации для определения местоположения и распознавания ИРИ в моноимпульсной системе мониторинга источников радиоизлучения.

Целью исследования является повышение эффективности функционирования моноимпульсной системы мониторинга источников радиоизлучения за счет обеспечения требуемой точности определения местоположения и распознавания большего количества типов ИРИ путем разработки новых алгоритмических и программных средств обработки параметров импульсных сигналов при амплитудной моноимпульсной пеленгации ИРИ.

Научной задачей, решаемой в диссертационной работе, является разработка метода формирования описаний импульсных сигналов и методики расчета весовых коэффициентов их параметров, позволяющей учитывать информативность каждого параметра, а также новых алгоритмов определения местоположения и распознавания при амплитудной моноимпульсной пеленгации ИРИ.

Для достижения цели диссертационной работы и решения научной задачи необходимо решение следующих задач:

- выполнить анализ проблем в области определения местоположения и распознавания ИРИ в системах мониторинга;

- разработать метод формирования описаний импульсных сигналов;

- разработать методику расчета весовых коэффициентов параметров импульсных сигналов, используемых при решении задачи распознавания ИРИ;

- разработать алгоритмическое и программное обеспечение для определения местоположения и распознавания ИРИ в моноимпульсной системе мониторинга;

- разработать имитационную модель моноимпульсной системы мониторинга ИРИ для оценки эффективности предложенных решений.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы системного анализа, имитационного моделирования, теории вероятностей, математической статистики, математического анализа и анали-

тической геометрии, теории радиолокации, объектно-ориентированного программирования.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников.

В первой главе выполнен анализ предметной области. Рассмотрены задачи мониторинга источников радиоизлучения. Приведена структура моноимпульсной системы мониторинга источников радиоизлучения. Рассмотрены методы и алгоритмы определения источников радиоизлучения в спутниковых системах мониторинга ИРИ. Показано, что при реализации системы мониторинга ИРИ на базе одного спутника для определения местоположения источников радиоизлучения необходимо использовать амплитудный моноимпульсный метод пеленгации. Рассмотрены методы и алгоритмы распознавания импульсных источников радиоизлучения по параметрам их сигналов. Анализ алгоритмов распознавания показал, что они, как правило, используют простые формализованные описания сигналов. Поэтому применение этих алгоритмов не всегда позволяет выполнять правильное распознавание современных ИРИ, излучающих импульсные сигналы с модулированными параметрами.

В заключительной части первой главы выполнена постановка научной задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены вопросы функционально-структурной декомпозиции процесса обработки информации. Показано, что при проектировании системы обработки информации, входящей в состав системы мониторинга ИРИ, требуется частичное определение ее структуры. Кроме того, общая модель функционирования этой системы должна состоять из двух взаимосвязанных моделей: модели состояний (МС) объектов и модели наблюдений (МН) этих объектов. Модель состояний содержит достаточно полное описание ИРИ в терминах интересующих параметров и характеристик. Модель наблюдений реализует формализованное описание процесса добывания

и обработки информации об ИРИ. Выполнен анализ импульсных сигналов ИРИ и предложен новый метод формирования описаний этих сигналов. Показано, что для обеспечения универсальности описания большинства импульсных сигналов современных ИРИ достаточно формировать пять структур описания этих сигналов. Предложена методика расчета весовых коэффициентов параметров импульсных сигналов, позволяющая учитывать информативность каждого параметра при решении задачи распознавания ИРИ.

Третья глава посвящена разработке алгоритмов обработки информации. Рассмотрены алгоритмы первичной обработки информации, вторичной обработки информации и распознавания ИРИ. Предложены итерационный алгоритм и алгоритм осреднения реперных направлений (АОРН) для определения местоположения ИРИ в амплитудных моноимпульсных системах. Итерационный алгоритм основан на пошаговом вычислении угла направления на ИРИ в измерительном треугольнике рабочей зоны наблюдения. Алгоритм АОРН позволяет учитывать нелинейность пеленгационной характеристики диаграммы направленности антенны на краю рабочей зоны наблюдения. Предложен алгоритм распознавания ИРИ, основанный на использовании набора признаков, характеризующих структуру импульсной последовательности сигналов.

В четвертой главе выполнено исследование алгоритмов обработки информации. Рассмотрена оценка эффективности обработки информации в системе мониторинга ИРИ. Для проведения исследования алгоритмов обработки информации разработана имитационная модель системы мониторинга ИРИ. Реализованы программа имитации радиоэлектронной обстановки, программный комплекс обработки информации и программа анализа ошибок вычисления параметров. Результаты исследования на имитационной модели показали, что при использовании разработанных алгоритмов обработки информации точность определения местоположения и количество распознанных ИРИ больше по сравнению с существующими алгоритмами.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработан метод формирования описаний импульсных сигналов ИРИ на основе набора признаков, характеризующих структуру импульсной последовательности сигналов;

2. Разработана методика расчета весовых коэффициентов параметров импульсных сигналов, позволяющая учитывать информативность каждого параметра при решении задачи распознавания ИРИ;

3. Разработан итерационный алгоритм определения местоположения ИРИ в амплитудных моноимпульсных системах, основанный на пошаговом вычислении угла направления на ИРИ в измерительном треугольнике рабочей зоны наблюдения;

4. Разработан алгоритм осреднения реперных направлений для определения местоположения ИРИ в амплитудных моноимпульсных системах, позволяющий учитывать нелинейность пеленгационной характеристики диаграммы направленности антенны на краю рабочей зоны наблюдения;

5. Разработан алгоритм распознавания ИРИ, основанный на использовании набора признаков, характеризующих структуру импульсной последовательности сигналов, который может быть использован не только в моноимпульсных системах, но и в других пассивных радиолокационных системах, в том числе и разностно-дальномерных.

Достоверность и обоснованность научных результатов, выводов и рекомендаций диссертации основана на корректном использовании математического аппарата, применении законов и положений теории радиолокации, имитационном моделировании, а также подтверждается экспериментальной проверкой предложенных метода и алгоритмов на реальных данных. Выводы и предложения диссертационного исследования не противоречат известным теоретическим и практическим результатам, сформулированным в трудах отечественных и зарубежных ученых в данной области исследований.

Практическая значимость работы связана с необходимостью осуществлять мониторинг функционирования различных ИРИ и получать необходимую информацию о реальном использовании радиочастотного спектра в различных областях народного хозяйства (наземный, воздушный и морской транспорт, радиоэлектронная промышленность, военно-промышленный комплекс и др.). Разработанное алгоритмическое и программное обеспечение предназначено для использования в составе моноимпульсной системы мониторинга ИРИ.

На защиту выносятся:

1. Метод формирования описаний импульсных сигналов ИРИ на основе набора признаков, характеризующих структуру импульсной последовательности сигналов;

2. Методика расчета весовых коэффициентов параметров импульсных сигналов, используемых при решении задачи распознавания ИРИ;

3. Итерационный алгоритм определения местоположения ИРИ в амплитудных моноимпульсных системах;

4. Алгоритм осреднения реперных направлений для определения местоположения ИРИ в амплитудных моноимпульсных системах;

5. Алгоритм распознавания ИРИ в пассивных радиолокационных системах.

Апробация работы. Научные положения и практические рекомендации диссертационной работы в целом, а также отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на научном молодежном симпозиуме «Искусственный интеллект: междисциплинарный подход» (г. Тверь, 2008), Всероссийской конференции «Совершенствование системы управления организацией в современных условиях» (г. Пенза, 2004), на международных научно-технических конференциях «Компьютерные технологии в управлении, диагностике и образовании» (г. Тверь, 2002), «Современные сложные системы управления» (г. Тверь, 2004), «Региональная система профессионального

технического образования» (г. Тверь, 2007), «Математические методы и информационные технологии в экономике, социологии и образовании» (г. Пенза, 2007-2012), «Информационно-вычислительные технологии и их приложения» (г. Пенза, 2011), «Интеграция науки и образования - производству и экономике» (г. Тверь, 2012), «Современные информационные технологии в управлении качеством» (г. Пенза, 2013), а также на научных семинарах кафедры ЭВМ ТвГТУ.

Внедрение. Результаты диссертационной работы были внедрены в ЗАО «Межгосударственная акционерная компания - СКАЛА» (г. Москва), ОАО «Научно-производственная организация «Орион» (Московская обл., г. Крас-нознаменск).

1 Анализ предметной области исследования и постановка научной задачи

1.1 Назначение, задачи и структура системы мониторинга источников радиоизлучения

Радиоэлектронная промышленность - одна из наиболее наукоемких отраслей промышленности, связанная с разработкой и производством радиоэлектронных систем и приборов промышленного, оборонного и другого назначения. Значительная часть радиоэлектронной продукции (электронные компоненты, радиоэлектронные узлы, блоки, модули и т.д.), производимой радиоэлектронной промышленностью, предназначена для хранения, обработки и передачи информации. Эта продукция определяет интеллектуальные возможности изделий, составной частью которых она является, позволяет расширить функциональные возможности человека на Земле и в космическом пространстве.

Радиоэлектронная промышленность оказывает значительное влияние на развитие современной техники, во многом благодаря ее достижениям улучшаются такие характеристики техники как надежность, точность, дальность и др. [104].

Настоящая диссертация посвящена разработке метода и алгоритмов обработки информации, реализуемых в программном обеспечении обработки информации для спутниковой системы мониторинга ИРИ (рисунок 1.1). Это программное обеспечение является составной частью блоков (систем) обработки информации, выпускаемых предприятиями радиоэлектронной промышленности и входящих в состав наземного комплекса программно-аппаратных средств системы мониторинга ИРИ (рисунок 1.4).

1.1.1 Назначение и задачи систем мониторинга ИРИ

Мониторинг ИРИ - это деятельность, осуществляемая с целью контроля радиоэлектронной обстановки и измерения параметров сигналов ИРИ, излучающих в различных частотных диапазонах.

Системы мониторинга ИРИ предназначены для получения информации об источниках радиоизлучения в заданном географическом районе и позволяют:

- осуществлять контроль различных ИРИ;

- выполнять анализ помеховой обстановки;

- собирать данные об использовании радиочастотного спектра (РЧС).

Отсутствие контроля ИРИ снижает эффективность и дисциплину использования РЧС. Поэтому система мониторинга ИРИ должна способствовать выявлению нарушений использования радиочастотного спектра, основными причинами которых являются:

- ошибки планирования, выделения и назначения частот;

- изменения предписанных режимов эксплуатации ИРИ;

- изменения технических характеристик ИРИ при их эксплуатации;

- несанкционированное излучение ИРИ;

- постановка помех.

В последнее время интенсивно производится сбор данных, которые позволяют объективно оценить реальность перечисленных угроз. Сбор и систематизация таких данных - одна из основных задач системы мониторинга ИРИ. При этом накапливаемые данные должны использоваться в процессе принятия решений по совершенствованию мероприятий по контролю ИРИ. В связи с этим система мониторинга ИРИ должна обеспечивать сбор, анализ, систематизацию и запись информации по ИРИ.

Информация по ИРИ, как правило, включает следующие сведения:

- технические данные об активных источниках радиоизлучений (параметры (несущая частота, длительность импульсов, период следования им-

пульсов, вид модуляции и другие), диаграммы направленности антенн (ДНА), мощность излучения и т.д.), позволяющие их идентифицировать;

- типы источников радиоизлучения;

- принадлежность ИРИ к известным типам объектов (носителям ИРИ);

- количество обнаруживаемых источников радиоизлучения;

- местоположение и территориальная плотность ИРИ;

- параметры движения носителей ИРИ.

В процессе изучения технических характеристик и особенностей источников радиоизлучения, можно определить область их применения и принадлежность. При сопоставлении этих данных с известными характеристиками источников, полученными ранее с использованием тех же самых или других средств, можно сделать вывод о назначении активных технических средств. Если установлены типы и количество источников радиоизлучения, то можно сделать выводы относительно активности и радиоэлектронном обеспечении интересующих объектов.

Кроме того, техническая информация содержит сведения о новых источниках радиоизлучения и их характеристиках, используемых впервые. Для получения такой информации средствами мониторинга источников радиоизлучения выявляются новые, ранее неизвестные источники радиоизлучения, отличающиеся диапазоном частот, параметрами импульсного сигнала и другими характеристиками.

Для анализа и обработки добываемой информации также большое значение имеют точная фиксация времени начала и конца работы излучающих источников и правильное определение их местоположения. Эти данные позволяют установить степень активности радиоэлектронных средств в определенной территориальной зоне.

Таким образом, система мониторинга ИРИ решает следующие задачи:

1. Измерение параметров сигналов наблюдаемых ИРИ (несущей частоты, длительности импульсов, времени прихода импульсов и др.);

2. Формирование описаний сигналов наблюдаемых ИРИ на основе обработки измеренных параметров этих сигналов;

3. Определение местоположения и параметров движения ИРИ;

4. Распознавание типа источника радиоизлучения;

5. Определение принадлежности ИРИ к известным типам носителей;

6. Запись полученной информации об ИРИ в базы данных для последующего анализа.

Спутник

Воздушный носитель ИРИ

Наземный носитель ИРИ

Пункт управления

Морской носитель ИРИ

Наземный носитель ИРИ

Наземный носитель ИРИ

1.1.2 Мониторинг ИРИ с использованием ИСЗ

В состав спутниковых систем мониторинга ИРИ, как правило, входят антенно-приемные средства, размещаемые на борту ИСЗ, и наземная часть обработки данных, подступающих со спутника по высокоскоростным радиоканалам передачи информации (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1- Спутниковая система мониторинга ИРИ Спутниковые системы мониторинга ИРИ, как правило, реализуются с использованием пассивных антенно-приемные средств, так как они предполагают использование пассивного метода наблюдения (рисунок 1.2) и обладают рядом важных преимуществ: - скрытность применения;

- необходимая дальность действия достигается существенно меньшими энергетическими и массогабаритными затратами;

- частотные характеристики антенн и приёмников могут быть реализованы в широком диапазоне, что обеспечивает возможность обнаружения и определения местоположения ИРИ различного назначения;

- применение специальных средств и алгоритмов обработки сигнальной информации позволяет определять широкий перечень параметров сигналов (несущей частоты, длительности импульсов, периода повторения импульсов, вида модуляции и др.), который обеспечивает высокую вероятность правильного определения типа и носителя ИРИ.

Рисунок 1.2 - Пассивный метод наблюдения: 1 - спутник; 2 - антенна; 3 -диаграмма направленности (ДН) антенны; 4 - направление наблюдения; 5 -плоскость наблюдения; 6 - подспутниковая точка (ПСТ); 7 - точка прицеливания; 8 - поверхность Земли; 9 - зона наблюдения; N - нормаль Таким образом, спутниковые системы, оснащённые пассивной аппаратурой автоматического определения местоположения и распознавания ИРИ с соответствующей обработкой накапливаемой информации, обладают функ-

циональным преимуществами, которые повышают эффективность их применения.

Схема измерения параметров сигналов ИРИ с борта ИСЗ представлена на рисунке 1.3. Качество измерений, производимых с помощью приемной аппаратуры, установленной на борту спутников, зависит от соответствующих характеристик используемой антенной системы. Для измерения параметров ИРИ с высокой точностью в исследуемом географическом районе необходимо применять антенны с узкой ДН. Основными характеристиками ДН являются: ширина ДН, уровень боковых лепестков и их пространственное распределение относительно главного лепестка, коэффициент рассеяния.

Рисунок 1.3 - Схема измерения параметров сигналов ИРИ с борта ИСЗ: 1 - орбита; 2 - траектория наблюдений; 3 - траектория ПСТ; 4 - экватор Коэффициент рассеяния определяет влияние, оказываемое на принимаемое излучение от ИРИ в наблюдаемом географическом районе излучением от ИРИ в близлежащих районах (в направлениях вне главного лепестка). Чем выше коэффициент рассеяния, тем больше ошибка измерений. Размеры зоны, излучение из которой на входе приемника свободно от влияния боковых лепестков, зависят от ширины диаграммы направленности антенны и от расстояния приемника до наблюдаемого района. Таким образом, очевидна

N

/

5

необходимость использования антенн с более узкой диаграммой направленности. Однако такие антенны имеют большие размеры, поэтому их использование не всегда возможно из-за массогабаритных ограничений, возникающих при использовании космических аппаратов.

1.1.2 Структура моноимпульсной системы мониторинга ИРИ

Для определения местоположения ИРИ в спутниковых системах на практике применяют три основных подхода: пеленгационный, разностно-дальномерный, доплеровский. Рассмотрим структуру моноимпульсной системы мониторинга ИРИ (рисунок 1.4), основанной на использовании пелен-гационного подхода определения местоположения ИРИ.

Структура системы мониторинга ИРИ (рисунок 1.4) состоит из трех основных частей:

- бортовой комплекс;

- комплекс аппаратно-программных средств;

- пункт управления.

В состав бортового комплекса входят аппаратно-программные средства, размещаемые на борту спутника. Комплекс аппаратно-программных средств системы мониторинга ИРИ выполняет задачи разделения сигнально-информационного потока (СИП), измерения и анализа параметров сигналов, цифровой обработки информации (ЦОИ). Система ЦОИ включает первичную обработку информации (ПОИ), вторичную обработку информации (ВОИ) и систему распознавания (РАСП). Оборудование пункта управления включает автоматизированные рабочие места (АРМ) операторов, вычислительные средства для анализа и записи информации об ИРИ.

В состав бортовой аппаратуры, как правило, входят:

- сверхширокополосные антенны, которые позволяют обеспечивать обнаружение, определение местоположения и распознавание практически всех существующих типов ИРИ в большом диапазоне длин волн;

- совместимые с антеннами по диапазонам входных частот приёмники с усилением и детектированием сверхвысокочастотных сигналов, обеспечивающие высокую чувствительность и допустимую межканальную неидентичность для определения местоположения с необходимой точностью и на достаточном расстоянии;

- видеоусилители, обеспечивающие необходимую полосу пропускания и коэффициент усиления детектированных сигналов ИРИ.

Бортовой комплекс

л2

1?

НАС

ЙН

-144

КПУТ

—»1 пцос)—з> апк ппи

' | м|' /]з

—»1 пцос)—^

Пункт управления

АРМ

АРМ

ИНТ

Комплекс аппаратно-программных средств системы мониторинга ИРИ

Система разделения СИП

7Х

АПК ППИ

га

Система измерения и анализа параметров сигналов

ПОИ

Система обработки информации!

вой

РАСП А V

ИНТ А

Рисунок 1.4 - Структура моноимпульсной системы мониторинга ИРИ: Л1, Л2, ЛЗ - лучи; КАС - коммутатор антенной системы;

ПУТ - приемно-усилительный тракт; КПУТ - коммутатор ПУТ;

ПЦОС - плата цифровой обработки сигналов; АПК ППИ - аппаратно-программный комплекс приема/передачи информации; ИНТ - интерфейс Моноимпульсные системы, использующие пеленгационный подход, основаны на вычислении и преобразовании фазовых и/или амплитудных соотношений в приёмных каналах, подключенных к антеннам, которые имеют определённые ДН и определённым образом ориентированы на ИРИ. Как пра-

вило, при проектировании спутниковых систем мониторинга ИРИ делают выбор в пользу способа амплитудного пеленгования как наиболее устойчивого к искажениям измерений.

Антенная система (АС) амплитудной моноимпульсной системы пеленгации состоит из нескольких антенн, ДН которых частично перекрываются. На рисунке 1.5 приведена структурная схема амплитудной моноимпульсной системы пеленгации с антенной системой из трех лучей Л1, Л2, ЛЗ (рисунок 1.5). Лучи разнесены относительно центра АС по азимуту и углу места, направления их осей привязаны к центру АС. Выбор трех лучей связан тем, что это минимально необходимое количество лучей для определения моноимпульсного пеленга в двумерном пространстве. Кроме того, количество лучей больше трех легко представляется сочетаниями из трех лучей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Филиппов, Роман Николаевич, 2013 год

Список использованных источников

1. Аверьянов В.Я. Разнесенные радиолокационные станции и системы. -Минск: Наука и техника, 1978.

2. Айвазян С.А., Бухштабер В.Н., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика. Классификация и снижение размерности. - М.: Финансы и статистика, 1989.

3. Бабич O.A. Обработка информации в навигационных комплексах. - М.: Машиностроение, 1991.

4. Байлов В.В., Плаксиенко B.C. Средства радиоэлектронного наблюдения: Учебное пособие. - Таганрог: Изд-во ТТИ, 2009.

5. Бакулев П.А., Степин В.М. Методы и устройства селекции движущихся целей. - М.: Радио и связь, 1986.

6. Безверхий В., Олейников А., Маргелов А. и др. Современные средства для пассивного автоматического пеленгования и идентификации PJTC и их носителей // Современные технологии автоматизации. - 2005. №2. - С. 62-66.

7. Белавин О.В. Основы радионавигации. - М.: Сов. радио, 1977.

8. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. - М.: Мир, 1989.

9. Борисов Ю.П., Цветное В.В. Математическое моделирование радиотехнических систем и устройств. - М.: Радио и связь, 1985.

10. Бусленко Н. П. Моделирование сложных систем. - М.: Наука, 1978.

11. Вакин С.А., Шустов JI.H. Основы радиопротиводействия и радиотехнической разведки. -М.: Сов. радио, 1968.

12. Вапник В.Н., Червоненкис А.Я. Теория распознавания образов (статистические проблемы обучения). - М.: Наука, 1974.

13. Вартанесян В.А. Радиоэлектронная разведка. - М.: Воениздат, 1991.

14. Васильев В.И. Распознающие системы. Справочник. - Киев: Наукова думка, 1983.

15. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. Учеб. пособие для втузов. - 2-е издание., стер. - М.: Высш. шк., 2000.

16. Вознюк В.В., Зайцев С.А. Космическая система радиотехнического мониторинга на основе группировки низкоорбитальных малогабаритных космических аппаратов // Изв. вузов. Приборостроение. - 2005. - Т. 48. - № 6. -С. 26-31

17. Гайдышев И. Анализ и обработка данных: специальный справочник -Спб: Питер, 2001.

18. Гельцер A.A., Мещеряков A.A., Баженов В.Ю., Кухтин В.К. Способ многоканального пеленгования наземных источников радиоизлучений с борта космического аппарата, находящегося на геостационарной орбите // Сборник трудов Муромского института им. В.К. Зворыкина. - Муром: МИ ВлГУ, 2010.

19. Горелик A.JL, Барабаш Ю.Л., Кривошеев О.В., Эпштейн С.С. Селекция и распознавание на основе локационной информации / Под ред. А. JI. Горелика. - М.: Радио и связь, 1990.

20. Горелик А.Л., Скрипкин В.А. Методы распознавания: Учеб. пособие для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1989.

21. Григорьянц В.Г. Введение в курс радиолокационной аппаратуры. - М.: Издательство Московского университета, 1962.

22. Гришин Ю.П., Ипатов В.П., Казаринов Ю.М. и др. Радиотехнические системы / Под ред. Ю.М. Казаринова. - М.: Высшая школа, 1990.

23. Демин В.П., Куприянов А.И., Сахаров A.B. Радиоэлектронная разведка и радиомаскировка. - М.: МАИ, 1997.

24. Дуда Р., Харт П. Распознавание образов и анализ сцен. - М.: Мир, 1976.

25. Дюран Б., Оделл П. Кластерный анализ. - М.: Финансы и статистика, 1977.

26. Ермаков С.М., Михайлов Г.А. Статистическое моделирование. - М.: Наука.

27. Иванов Н.М., Онищенко B.C., Шевчук В.Н. Метод разделения лучей поляризованного электромагнитного поля // Антенны, 2009. №9. С. 52-58.

28. Караваев В.В., Сазонов В.В. Статистическая теория пассивной радиолокации - М.: Радио и связь, 1987.

29. Кондратьев B.C., Котов А.Ф., Марков Л.Н. Многопозиционные радиотехнические системы / Под. ред. В.В. Цветнова. - М.: Радио и связь, 1986.

30. Коростылев A.A., Клюев Н.Ф., Мельник Ю.А. и др. Теоретические основы радиолокации / Под. ред. В.Е. Дулевича. - М.: Сов. радио, 1978.

31. Косенко Г.Г. Критерии информативности при различении сигналов. -М.: Радио и связь, 1982.

32. Кузьмин С. 3. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информации. - М.: Радио и связь, 1986.

33. Кукес И.С., Старик М.Е. Основы радиопеленгации. - М.: Сов. радио, 1964.

34. Лебедев В.Ю. Вторичная обработка данных в пассивной радиолокационной системе // Труды 2-й Всероссийской научно-технической конференции по проблемам создания перспективной авионики «Авионика-2003». - Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2003, с. 297-302.

35. Лапко A.B. Непараметрические методы классификации и их применение. - Новосибирск: Наука, 1993.

36. Леонов А.И., Васенев В.Н., Гайдунов Ю.Н. и др. Моделирование радиолокационных систем / Под. Ред. А. И. Леонова. - М.: Сов. радио, 1979.

37. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. - М.: Радио и связь, 1984.

38. Лесков М.М., Баранов Ю.К., Гаврилюк М.И. Навигация. - М.: Транспорт, 1986.

39. Малютин Ю.М., Экало A.B. Применение ЭВМ для решения задач идентификации объектов. - Д.: Изд-во ЛГУ, 1988.

40. Мандель И. Д. Кластерный анализ. - М.: Финансы и статистика, 1988.

41. Мельников Ю.П. Методы оценки эффективности воздушной радиотехнической разведки. - Изд. МО РФ, 1996.

42. Методы и средства высокоинформативных радиолокационных измерений. -Зарубежная радиоэлектроника, 1991, №1 (спец. выпуск).

43. Миленький A.B. Классификация сигналов в условиях непределенности. -М.: Сов. радио, 1975.

44. Миркин Б.Г., Черный Л.Б. Об измерении близости между различными разбиениями конечного множества объектов. - Автоматика и телемеханика, 1970, №5.-с. 120-127.

45. Миронов В.А., Радзиевский В.Г. Особенности навигационно-временного обеспечения радиоэлектронных систем в условиях конфликта. -Радиотехника, 1998,№6. - с. 4-9.

46. Многопозиционные радиотехнические системы / Под ред. В.В. Цветно-ва. - М.: Радио и связь, 1986.

47. Мудров В.И., Кушко Л.В. Методы обработки измерений. - М.: Радио и связь, 1983.

48. Небабин В. Г., Сергеев В. В. Методы и техника радиолокационного распознавания. - М.: Радио и связь, 1984.

49. Обработка сигналов в радиотехнических системах / Под ред. А.П. Лу-кошкина. - М.: Изд. ЛГУ, 1987.

50. Обработка сигналов и многоканальных РЛС / Под ред. А.П.Лукошкина. - М.: Радио и связь, 1984.

51. Палий А.И. Радиоэлектронная борьба. - М.: Воениздат, 1989.

52. Патрик Э. Основы распознавания образов. / Под ред. Б.Р. Левина. - М.: Сов. радио, 1980.

53. Радзиевский В.Г., Сирота A.A. Базовые статистические модели процесса радиотехнической разведки в ходе противодействия радиолокационным средствам. - Радиотехника, 1992, №1-2. - с. 24-31.

54. Радзиевский В.Г., Сирота A.A. Особенности синтеза алгоритмов обработки информации при анализе состояния сложных радиоэлектронных объектов противодействия. - Информационный конфликт в спектре электромагнитных волн (Приложение к журналу «Радиотехника»), 1994. - с. 4-13.

55. Радзиевский В.Г., Сирота A.A. Особенности функционирования и основные характеристики многопозиционных систем определения координат радиоизлучающих объектов. - Радиотехника, 1999, №6. - с. 62-68.

56. Радзиевский В.Г., Сирота A.A., Борисов Ю.А. Оценка координат источников измерений в многопозиционных радиотехнических системах при наличии смешанного входного потока сигналов и помех. - Радиотехника, 1996, №6.-с. 43-49.

57. Радзиевский В.Г., Сирота A.A. Информационное обеспечение радиоэлектронных систем в условиях конфликта. - М.: ИПРЖР, 2001.

58. Радиолокационные станции обзора Земли / Под. ред. Г.С. Кондратен-кова. - М.: Радио и связь, 1983.

59. Радионавигационные системы летательных аппаратов / Под ред. П.С. Давыдова. -М.: Транспорт, 1980.

60. Радиоэлектронные системы: основы построения и теория / Ширман Я.Д., Лосев Ю.И., Минервин H.H., Москвитин C.B., Горшков С.А., Леховиц-кий Д.И., Левченко Л.С. / Под. ред. Я.Д. Ширмана. - М.: ЗАО «МАКВИС», 1998.

61. Разиньков С. Н., Сирота А. А. Оценка эффективности первичной и вторичной обработки импульсных радиосигналов в системах пассивной радиолокации // Измерительная техника. - 2004. № 2. - С. 53-58.

62. Саврасов Ю.С. Алгоритмы и программы в радиолокации. - М.: Радио и связь, 1985.

63. Свистов В. М. Радиолокационные сигналы и их обработка. М.: Сов. радио, 1977.

64. Седякин Н.М. Элементы теории случайных импульсных потоков. - М.: Сов. радио, 1965.

65. Селекция и распознавание на основе локационной информации / Под ред. А.Л.Горелика. - М.: Радио и связь, 1990.

66. Семенова М.Ю., Логинов A.A., Морозов O.A. Алгоритмы повышения точности оценки пеленга в задаче амплитудной моноимпульсной пассивной локации // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. -Нижний Новгород: ННГУ, 2010. №5(2). - С. 358-362.

67. Семенова М.Ю., Логинов A.A., Морозов O.A. Влияние погрешностей настройки каналов приема на устойчивость алгоритмов моноимпульсной пеленгации // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. -Нижний Новгород: ННГУ, 2012. №4(1). - С. 114-117.

68. Сетевые спутниковые радионавигационные системы / Под ред. П.П. Дмитриева, B.C. Шебшаевича. - М.: Радио и связь, 1982.

69. Сирота A.A. Вероятностные модели формирования результирующего вектора наблюдений в многоуровневых многопозиционных системах. - Радиотехника, 1998, №6. - с. 10-14.

70. Сосулин Ю.Г. Теоретические основы радиолокации и радионавигации. - М.: Радио и связь, 1992.

71. Теоретические основы радиолокации / Под ред. В.Е. Дулевича. - М.: Сов.радио, 1978.

72. Ту Дж., Гонсалес Р. Принципы распознавания образов. - М.: Мир, 1978.

73. Филиппов Р.Н., Волков М.В. Анализ характеристик, определяющих эффективность автоматизированных систем управления и методов их оценки // Вестник Воронежского государственного технического университета. -Воронеж, 2009. Т.5, №3. С. 53-57

74. Филиппов Р.Н. Методика оценки информативности параметров сигналов радиоэлектронных средств // Сборник трудов IV Международной конференции «Современные сложные системы управления». - Тверь, 2004. С. 4346.

75. Филиппов Р.Н. Модель системы распознавания // Сборник статей XX Международной научно-технической конференции «Математические методы и информационные технологии в экономике, социологии и образовании», Пенза, 2007. С. 66-69.

76. Филиппов Р.Н. Модель системы распознавания импульсных сигналов // Вестник Тверского государственного технического университета: Научный журнал. Тверь: ТГТУ, 2005. Вып. 6. С. 50-54.

77. Филиппов Р.Н. Определение набора признаков при решении задач построения систем распознавания образов // Сборник материалов всероссийской научно-практической конференции «Совершенствование системы управления организацией в современных условиях». - Пенза, 2004. С. 84-86

78. Филиппов Р.Н., Волков М.В. Оценка информативности параметров распознаваемых объектов методом энтропии // Вестник Воронежского государственного технического университета. - Воронеж, 2009. Т.5, №3. С. 105106.

79. Филиппов Р.Н. Программа имитации радиоэлектронной обстановки как средство разработки имитационно-математических моделей для оценки эффективности средств радиотехнической разведки // Сборник статей XXIX Международной научно-технической конференции «Математические методы и информационные технологии в экономике, социологии и образовании». -Пенза, 2012. - С. 92-94.

80. Филиппов Р.Н. Распознавание модулированных импульсных сигналов // Сборник трудов международной научно-технической конференции «Компьютерные технологии в управлении, диагностике и образовании (КТУДО-2002)». - Тверь, 2002. С. 225-228.

81. Филиппов Р.Н., Хабаров А.Р. Алгоритм распознавания радиоэлектронных средств по описаниям сигналов // Сборник статей Международной научно-прикладной конференции «Современные информационные технологии в управлении качеством». - Пенза, 2013. С. 78-79

82. Филиппов Р.Н., Хабаров А.Р. Выбор системы параметров для описания сигналов радиоэлектронных средств // Сборник статей Международной научно-прикладной конференции «Современные информационные технологии в управлении качеством». - Пенза, 2013. С. 79-82

83. Филиппов Р.Н., Хабаров А.Р. Пеленгационный метод определения местоположения источников радиоизлучения // Сборник статей Международной научно-прикладной конференции «Современные информационные технологии в управлении качеством». - Пенза, 2013. С. 82-84

84. Филиппов Р.Н., Хабаров А.Р. Программа имитации сигнально-целевой обстановки для имитационно-математических моделей оценки эффективности средств радиотехнической разведки // Вестник Тверского государственного технического университета: Научный журнал. Тверь: ТвГТУ, 2012. Вып. 22. С. 110-113.

85. Филиппов Р.Н., Хабаров А.Р. Программа имитации сигнально-целевой обстановки для оценки эффективности радиотехнических средств // Сборник трудов межрегиональной научно-технической конференции "Интеграция науки и образования - производству и экономике". Тверь: ТвГТУ, 2012. т.2. С. 19.

86. Финкелыитейн М.И. Основы радиолокации. - М.: Радио и связь, 1983.

87. Фомин Я.А., Тарловский Г.Р. Статистичекая теория распознавания образов. - М.: Радио и связь, 1986.

88. Фукунага К. Введение в статистическую теорию распознавания: Пер. с англ. - М.: Наука, 1979.

89. Хан Г., Шапиро С. Статистические методы в инженерных задачах. -М.: Мир, 1969.

90. Царьков Н.М. Многоканальные радиолокационные измерения. - М.: Сов. радио, 1980.

91. Цыпник Я.З. Основы информационной теории идентификации. - М.: Наука, 1984.

92. Черняк В.С, и др. Многопозиционные радиолокационные станции и системы. - Зарубежная радиоэлектроника, 1987, №1.

93. Черняк B.C. Многопозиционная радиолокация. - М.: Радио и связь, 1993.

94. Шаракшанэ А.С., Железнов И.Г. Испытания сложных систем. - М.: Высшая школа, 1974.

95. Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетике. - М.: ИЛ, 1963.

96. Ширман Я. Д. Теоретические основы радиолокации. - М.: Советское радио, 1970.

97. Ширман Я.Д., Горшков С.А. Проблемы теории радиолокационного распознавания. - Киев: Междунар. научно-техн. конфер. «Соврем, радиолокация», 1994.

98. Augustin К.A. New Approach to Automatic Target Recognition. - IEEE Trans, on Aerosp.and El.Syst., 1992, №1.

99. Barton D.K. Modern Radar Systems. - Norwood, Ma: Artech House, 1988.

100. Bell S., Grubber R. JEM Modelling and Measurment for Radar Target Identification. - IEEE Trans, on Aerosp.and El.Syst., 1993, №1.

101. Bhanu В., Jones T. Image Understanding Research For Automatic Target Recognition. - IEEE Aerosp.and El.Syst. Magaz., 1993, №10.

102. Brown W., Swonger M.A. Prospectus for Automatic Target Recognition. -IEEE Trans, on Aerosp.and El.Syst., 1989, №3.

103. Smith C., Goggans P. Radar Target Identification. - IEEE Anten..and Prop.Magaz., 1993, №2.

104. Государственная программа Российской Федерации «Развитие электронной и радиоэлектронной промышленности на 2013-2025 годы».

105. ГОСТ Р 8.739-2011 Государственная система обеспечения единства измерений. Эталоны для координатно-временных измерений. Основные положения. Способы выражения погрешностей.

Список сокращений

АС - антенная система

АОРН - алгоритм осреднения реперных направлений

АРМ - автоматизированное рабочее место

вой - вторичная обработка информации

да - диаграмма направленности

ИМ - имитационная модель

ИРИ - источник радиоизлучения

исз - искусственный спутник Земли

кт - координатная точка

мн - модель наблюдений

мс - модель состояний

осш - отношение сигнал-шум

ПОИ - первичная обработка информации

пос - первичная обработка сигналов

пм - пеленгационный метод

пет - подспутниковая точка

РАСП - система распознавания

РДМ - разностно-дальномерный метод

РЛС - радиолокационная станция

рр - режим работы

РС - радиоэлектронная система

РЧС - радиочастотный спектр

РЭО - радиоэлектронная обстановка

РЭС - радиоэлектронное средство

сип - сигнально-информационный поток

ско - среднеквадратическое отклонение

той - третичная обработка информации

Словарь терминов

Видеоимпульс - кратковременное отклонение физического параметра,

несущего информацию, от установленного значения. Источник - объект, излучающий радиосигнал,

радиоизлучения (ИРИ)

Моноимпульсная - метод измерения РЛС угловых координат объекта, ко-радиолокация торый основан на определении угловой ошибки положения антенны, направленной на объект, по принятому одиночному импульсному сигналу. Определение - вычисление координат ИРИ.

местоположения ИРИ

Пеленгатор

Пеленгование ИРИ

Подспутниковая точка (ПСТ) Радиоипульс

- радиотехническое устройство, предназначенное для пеленгования объектов, излучающих радиосигналы.

- прямая (пеленг), на которой расположен ИРИ.

- точка, в которой радиус-вектор спутника пересекает земную поверхность.

- отрезок высокочастотного колебания определенной формы. Радиоимпульсы используют для передачи информации в радиосвязи и радиолокации.

Радиоэлектронная - совокупность условий, факторов и данных, характери-обстановка (РЭО) зующих положение, состояние, назначение, возможности и характер действий ИРИ, а также параметры различных излучений искусственного и естественного происхождения в заданном районе и в определенное время.

Радиоэлектронное средство (РЭС)

Разностно-дальномерная система (метод) навигации

Режим РЭС

Система радиомониторинга Спутниковая радионавигационная система (СРНС) Угломерная система (метод) определения местоположения ИРИ

- радиотехническое средство, состоящее из одного или нескольких передатчиков и/или приемников, антенн и вспомогательного оборудования.

Метод определения координат источника (навигации), основанный на вычислении попарных разностей времен прихода сигнала. При пассивной навигации для каждой пары спутников определяется разность времен прихода сигнала от источника излучения, при активной навигации - разность времен прихода отраженных от объекта собственных сигналов.

вид работы РЭС, в котором оно решает определенную функциональную задачу

с неизменным алгоритмом функционирования.

- радиотехническое средство, предназначенное для изучения и контроля радиоэлектронной обстановки.

- система навигации (определения координат объектов) с использованием электромагнитных сигналов СВЧ-диапазона и ИСЗ в качестве опорных радионавигационных точек.

- метод расчета координат ИРИ, основанный на использовании линий пеленга (углов прихода радиоволны в горизонтальной плоскости) минимум от двух радиопеленгаторов или пеленгатора, перемещающегося в пространстве.