Методы определения параметров сигналов источников радиоизлучения бортовыми радиотехническими комплексами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Славянский Андрей Олегович

• Славянский Андрей Олегович
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Славянский Андрей Олегович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ОБЗОР МЕТОДОВ ОБНАРУЖЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЕЛЕНГАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ И РАДИОСВЯЗНЫХ СИГНАЛОВ

Выводы по главе

ГЛАВА 2 МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ СИГНАЛОВ ИСТОЧНИКОВ РАДИОЗЛУЧЕНИЯ

2.1. Фазовый метод обнаружения радиосигналов

2.2 Многоканальные энергетические и взаимокорреляционные методы обнаружения

2.3 Обнаружение и обработка сверхширокополосных сигналов с применением архитектуры цифровых каналов

2.4 Метод итеративного поиска направления на источник радиоизлучения с использованием базы данных известных образцов сигнала

2.5 Цифровая фильтрация при работе в сверхширокой полосе

Выводы по главе

ГЛАВА 3 МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФАЗОВОГО СДВИГА МЕЖДУ ПРИЕМНЫМИ КАНАЛАМИ, ОЦЕНКА ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

3.1 Обработка широкополосных сигналов

3.2 Обработка радиосвязных сигналов

3.3 Преобразование Гильберта

3.4 Применение многопозиционных методов определения координат при решении задач местоопределения источников радиоизлучения

Выводы по главе

ГЛАВА 4 МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛОВ ИСТОЧНИКОВ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ, ОЦЕНКА ТОЧНОСТНЫХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

4.1 Определение частоты для широкополосных сигналов

4.2 Определение частоты для радиосвязных сигналов

4.3 Определение параметров сложных широкополосных сигналов

4.4 Определение параметров сложных радиосвязных сигналов

4.5 Перспективные методы определения параметров сложных сигналов

Выводы по главе

ГЛАВА 5 АРХИТЕКТУРА ПРОГРАММНОГО И АППАРАТНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО БЛОКА ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ И УПРАВЛЕНИЯ, ПРИЕМА И ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

5.1 Описание и обоснование выбора состава технических и программных средств

5.2 Описание программного обеспечения электронного блока

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение А. Программно-математическое обеспечение

Приложение Б. Акты о внедрении результатов работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы определения параметров сигналов источников радиоизлучения бортовыми радиотехническими комплексами»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Основными средствами, обеспечивающими обнаружение воздушных, наземных и надводных объектов, являются радиотехнические средства (РТС). К ним могут быть отнесены технические устройства, действие которых основано на использовании электромагнитной энергии радиоволн для получения информации о целях, мониторинга, обеспечения навигации, управления и решения других задач [1].

Во время проведения операции Вооруженных сил России в Сирии была практически отработана концепция авиационно-космического разведывательно-ударного контура. В его состав входили разведчики подразделений Сил специальных операций с комплексами разведки управления и связи «Стрелец», беспилотники-разведчики («Орлан» и «Форпост»), самолеты-разведчики (Ту-204Р, А-50), КА видовой и радиотехнической разведки («Персона», «Барс-М», «Лотос-С»). Вся информация в режиме реального времени централизовано собиралась и обрабатывалась в Национальном центре управления обороной Минобороны РФ.

Сегмент автоматизированной системы управления войсками и оружием российских вооруженных сил, развернутый в конкретном районе, продемонстрировал свою высокую эффективность [2, 47].

Тем не менее, существующие системы радиотехнического мониторинга (РТМ), созданные коллективами под руководством генеральных и главных конструкторов А.Г. Рапопорта, И.Ф. Иванова, А.А. Лебедя, требуют дальнейшего развития для повышения тактико-тактических характеристик и создания новых космических средств РТМ [3, 4, 5] c сокращенным временем обработки данных и анализа информации непосредственно на борту носителя с целью снижения нагрузки на бортовую аппаратуру передачи информации (БАПИ).

Степень разработанности темы. В настоящее время усилия таких государств, как США, Китай и Япония направлены на создание собственных

систем многофункциональных космических группировок, включающих средства радиолокационного (с режимом селекции движущихся целей) и радиотехнического мониторинга. Наибольших успехов в ЕС достигла Франция, которая произвела успешный вывод на орбиту ряда микро-КА РТМ. Использование малых типовых КА в качестве универсальных платформ-носителей является устойчивой тенденцией в развитии подобных систем.

Анализ программ НИОКР, долгосрочных планов и программ развития космических средств РТМ, реализуемых в ведущих зарубежных странах, показал [6, 39-46], что основным направлением исследований в ходе разрешения научно-технических проблем при их создании является [7, 8, 9, 48-53] разработка космических пеленгаторов с многоканальными приемными устройствами и параллельной программной обработкой сигналов на борту аппарата, требующая увеличения производительности бортовых вычислительных систем с одновременным трендом на оптимизацию алгоритмов обнаружения, распознавания и классификации сигнала по его основным признакам. В данном контексте актуальна задача разработки потоковых методов и алгоритмов цифровой обработки сигналов с их реализацией на специальных вычислителях с применением программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Это и определило направление диссертационной работы

Объектом исследования является цифровая обработка сигналов в реальном масштабе времени при наличии помех.

Предметом исследования являются методы и алгоритмы определения параметров сигналов источников радиоизлучения (ИРИ) для бортовых комплексов.

Целью работы является повышение точности, разрешающей способности и достоверности определения параметров источников радиоизлучения бортовыми специальными комплексами.

Задачи исследования.

1. Анализ существующих методов обнаружения, определения фазовых характеристик и параметров узкополосных и широкополосных радиосигналов, в том числе анализ применимости данных методов для их реализации на специальных вычислителях с применением ПЛИС.

2. Разработка методов и алгоритмов обнаружения сигналов источников радиоизлучения для реализации в составе бортовой аппаратуры многоканальных приемных устройств космического базирования.

3. Разработка методов и алгоритмов определения фазового сдвига между приемными каналами многоканального приемного устройства с повышенными требованиями к точности оценки разности фаз при сохранении ограничений на тактовую частоту оцифровки и обработки сигналов в составе бортовой аппаратуры.

4. Разработка методов и алгоритмов определения параметров узкополосных и широкополосных сигналов источников радиоизлучения, в том числе при работе в режиме обработки сверхширокополосных (СШП) сигналов.

5. Оценка точностных характеристик предложенных методов и алгоритмов, анализ результатов практического применения и разработка предложений по модернизации апробированных в составе бортовой аппаратуры алгоритмов.

6. Разработка программного обеспечения (ПО) моделирования, тестирования и оценки характеристик предложенных алгоритмов и методов.

7. Разработка архитектуры программного и аппаратного обеспечения электронного блока цифровой обработки и управления, приема и передачи информации с повышенными показателями надежности и безотказности работы цифровой системы управления существующих и перспективных многоканальных приемных устройств космического базирования.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

1. Разработан фазовый метод обнаружения радиотехнических сигналов, основанный на анализе параметров свертки сигналов в приемных каналах с квадратурными составляющими в опорном канале, применимый для создания помехоустойчивых систем и устройств из состава бортовой аппаратуры многоканальных приемников космического базирования.

2. Разработаны алгоритмы определения частотных параметров узкополосных и широкополосных радиосигналов в режиме реального времени, основанные на использовании параметрически управляемых частотных фильтров, реализующие синхронное детектирование с опорными сигналами заданных дискретных частот.

3. Разработаны методы обнаружения и определения параметров фазовой и частотной манипуляций узкополосных сигналов на основе статистического анализа формы сверток сигналов в приемных каналах с опорным сигналом, генерируемого по результатам спектрального анализа входного многокомпонентного процесса.

4. Предложена архитектура программного и аппаратного обеспечения электронного блока цифровой обработки и управления, приема и передачи информации на основе микросхемы типа «система-на-кристалле», реализующая разработанные методы и алгоритмы обнаружения и определения параметров сигналов.

Практическая значимость. В процессе диссертационного исследования были получены следующие практические результаты:

1. Разработаны и реализованы в бортовой аппаратуре с применением программируемых логических интегральных схем методы определения частотных и фазовых параметров сигналов узкополосных и широкополосных ИРИ в масштабе реального времени с определением местоположения по получаемой информации о пеленгах (патент на полезную модель «Устройство определения параметров радиотехнических сигналов», № RU174924U1).

2. Разработаны потоковые алгоритмы обработки откликов сигналов и реализованы программные средства с их применением в «системе-на-кристалле»

устройства построения радиолокационного изображения в составе радиолокационной станции с синтезированной апертурой (патент на полезную модель «Устройство построения радиолокационного изображения с помощью радиолокационной станции с синтезированной апертурой», № RU180088U1).

3. Реализованы и апробированы в реальных проектах блоки цифровой обработки сигналов, реализующие предложенные методы и алгоритмы в режиме реального времени.

Комплекс разработанных средств имеет следующую практическую значимость:

1. Позволяет сократить время обработки данных на 40% в сравнении с действующими фазовыми пеленгаторами космического базирования и анализа выявленной информации бортовыми специальными комплексами, что повышает информативность подобных систем с возможностью увеличения скорости передачи данных и сокращения периодичности наблюдения практически в два раза.

2. Может быть использован в качестве основы комплекса программного обеспечения существующих и перспективных фазовых пеленгаторов космического базирования для решения задач радиоуправления, радиомониторинга и радиоэлектронной борьбы.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы системного анализа, математического и имитационного моделирования, методы цифровой обработки сигналов, методы функционального и объектно-ориентированного программирования. Практическая реализация алгоритмов и моделирование осуществлялось с использованием пакета прикладных программ MATLAB ^018^ языков программирования VHDL/Verilog.

Основные защищаемые положения.

1. Методы обнаружения узкополосных и широкополосных радиосигналов, реализуемые с применением пространственно-энергетической селекции на основе энергетического и взаимокорреляционного методов, позволяют повысить

отношение сигнал/шум на 15-20 дБ и снизить вероятность ложного срабатывания обнаружителя до 0.02.

2. Алгоритм определения фазового сдвига между приемными каналами многоканального приемного устройства, основанный на дискретном преобразовании Гильберта, имеет точности определения разности фаз, сравнимые с потенциально достижимыми, и не обладает смещением и зависимостью от величины разности фаз и частоты сигнала, а также темпа оцифровки.

3. Методы определения параметров радиосигналов, модифицированные по результатам практического применения в составе бортовых комплексов, обеспечивают разрешение по частоте до 1.5 кГц при обеспечении повышения уровня сигнал/шум не менее, чем на 30 дБ для узкополосных сигналов, определение параметров радиотехнических сигналов при уровне сигнал\шум от 0 дБ с учетом ограничений по затрачиваемым ресурсам аппаратной логики.

4. Архитектура программного и аппаратного обеспечения электронного блока цифровой обработки и управления, приема и передачи информации, реализуемого на основе микросхем «система-на-кристалле», позволяющая реализовать методы и алгоритмы обработки сигналов ИРИ с повышением показателей надежности и безотказности работы цифровой системы управления существующих и перспективных многоканальных приемных устройств космического базирования.

Апробация результатов работы проводилась в 7 докладах на 6 конференциях, из которых 4 всероссийские и 2 международные:

1. VI Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем» («РАДИОИНФОКОМ - 2022»). 2022 г.

2. XVII научно-техническая конференция «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли». Адлер. 2021 г.

3. Заседание научно-технического совета военно-промышленной комиссии Российской Федерации. Санкт-Петербург. 2018 г.

4. Секция XI Всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь». Москва. 2018 г.

5. XIII научно-техническая конференция «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли». Адлер. 2016 г.

6. XVIII конференция молодых ученых «Навигация и управление движением» с международным участием. Санкт-Петербург. 2016 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 6 статей в рецензируемых журналах из Перечня ВАК, 4 доклада в сборниках трудов российских и международных конференций с 2017 по 2023 гг. Получено 2 патента на полезную модель и подана заявка на патент на изобретение:

1. Патент на полезную модель «Устройство определения параметров радиотехнических сигналов» № 174924;

2. Патент на полезную модель «Устройство построения радиолокационного изображения с помощью радиолокационной станции с синтезированной апертурой» № 180088.

3. Заявка на патент «Устройство определения пеленагационных параметров узкополосных радиосигналов» №2022128322, заявл: 31.10.2022.

Внедрение результатов работы. Основные результаты работы были внедрены:

1. В ОКР:

1.1 СЧ ОКР «Разработка и изготовление образца цифровой системы управления и обработки информации бортовой специальной аппаратуры 14В120» (АО «ЦНИРТИ им. академика А.И. Берга», 2012-2016 г.г., идентификатор государственного контракта 9317187312341010128000019);

1.2 СЧ ОКР «Разработка технических предложений в части схемно-технических решений и корректировка конструкторской документации блока БС ПМЖИ.468332.105 в обеспечение замены электронной компонентной базы иностранного производства на отечественные аналоги, устаревшей и снятой с производства электронной компонентной базы иностранного производства» (АО

«ЦНИРТИ им. академика А.И. Берга», 2014-2017 г.г., номер государственного контракта 124-ВС06/13/423);

2. В НИР:

2.1 СЧ НИР «Проведение экспериментальных летных исследований ЭО МНКП в части выполнения полетов носителя РСА при различных режимах работы РСА» (АО «ВНИИ «Градиент», 2019 г., идентификатор государственного контракта 1719187143472452466001996);

Личный вклад автора. Все основные научные результаты диссертации получены лично автором, либо при его непосредственном участии. Автором разработаны методы и алгоритмы, представленные в диссертации. Проведено их моделирование, натурные аппаратурные испытания и реализация в составе разработанных и серийно выпускаемых блоков цифровой обработки и управления из состава бортовых комплексов авиационного и космического базирования.

Соответствие паспорту специальности. Область научного исследования соответствует пунктам № 3 «Разработка и исследование новых радиотехнических устройств и систем, обеспечивающих улучшение характеристик точности, быстродействия, помехоустойчивости» и № 5 «Разработка и исследование алгоритмов, включая цифровые, обработки сигналов и информации в радиотехнических устройствах и системах различного назначения, в том числе синтез и оптимизация алгоритмов обработки» паспорта специальности 2.2.13 Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения. По совокупности представленных решений и основных положений диссертационная работа соответствует технической отрасли науки.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и двух приложений. В тексте Приложения А приведены листинги .т-файлов программного обеспечения моделирования, проводившегося с применением пакета прикладных программ МАТЬАВ Я2018Ь. Полный объем диссертации 184 страницы с 58 рисунками и 4 таблицами. Список литературы содержит 74 наименования.

ГЛАВА 1 ОБЗОР МЕТОДОВ ОБНАРУЖЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЕЛЕНГАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ И РАДИОСВЯЗНЫХ СИГНАЛОВ

Измерение пеленга на ИРИ, от которого был принят радиосигнал, называется радиопеленгацией. Основной метод системы радиотехнического мониторинга для радиопеленгатора - использование амплитудной или фазовой характеристики нескольких антенн, чтобы судить, с какого направления идет электромагнитная волна. Системы пеленгации можно классифицировать на системы сравнения амплитуд, системы сравнения фаз, матричные пеленгационные системы, вращательные доплеровские пеленгационные системы и другие системы в соответствии с методами пеленгации.

Методы радиопеленгации, основанные на сравнении амплитуд

Метод сравнения амплитуд относится к измерению направления прихода сигнала посредством сравнения относительной амплитуды принятых сигналов с различных антенн или одной и той же антенны в разное время.

В случае наличия двух антенн А и В предположим, что амплитуда сигнала, передаваемого от излучателя к разведывательной антенне, равна Л(Х), коэффициент усиления приемников равен КА и Кв, функциями диаграммы направленности двух ближайших к антенне передатчиков являются ¥А(в) и Гв(0), соответственно, а осевые направления двух антенн различны. Угол между осевым направлением двух антенн составляет а угол пересечения составляет в ^2.

Пеленг может быть получен путем измерения амплитуды огибающей видеосигнала двух каналов приема. Поскольку один импульс является минимально необходимым для пеленгации, этот метод также называется методом сравнения амплитуд моноимпульсов.

Методы радиопеленгации, основанные на сравнении фаз

Метод интерферометрической пеленгации относится к методу измерения направления приходящих волн с использованием разности фаз принимаемых сигналов на разных волновых фронтах. Поскольку этот метод предназначен для получения пеленга путем сравнения фаз между двумя антеннами, его также называют методом сравнения фаз. Теоретически, поскольку фазовый интерферометр также может достигать моноимпульсной пеленгации, ее также называют фазовой моноимпульсной пеленгацией.

Фазовый метод пеленгации использует оценку разности фаз вызванной разностью хода до каждой из используемых антенн, так как разность фаз ф имеет период 2л, и, если фаза превышает это значение, может возникнуть фазовая неоднозначность, что не позволяет определить истинное направление излучателя. Разность фаз ф может быть измерена путем квантования различными методами цифровой обработки сигналов, которые рассматриваются в настоящей диссертационной работе. Кроме того, перед оценкой разности фаз ф необходимо измерить частоту или длину волны принятого сигнала. Другими словами, фазовый пеленгатор должен измерять частоту сигнала, поэтому актуальным является решение данной задачи в составе бортовой аппаратуры.

Ошибка измерения пеленга возникает из ошибки измерения фазы Лф и ошибки измерения длины волны (или частоты) Л Л.

Значение ошибки измерения угла относится к входному углу 0. Когда азимутальный угол совпадает с осью антенны (0 = 0°), ошибка измерения угла минимальна; когда азимутальный угол совпадает с базовой линией антенны (0 = 90°), ошибка измерения угла ошибка близка к бесконечности, и пеленгация невозможна. Следовательно, входной угол не должен быть слишком большим и, как правило, должен быть ограничен в пределах ± 45°.

Погрешность измерения угла также относится к расстоянию между двумя антеннами (базам). Чтобы получить высокую точность измерения углов, база должна быть достаточно длинной, то есть должен использоваться интерферометр

с длинной базой. Это противоречит однозначному угловому условию интерферометра, которое требует, чтобы база была меньше половины длины волны.

Чтобы разрешить конфликт между высокой точностью измерения углов и неоднозначность углов обзора, обычно используется многобазовый интерферометр (фазовый пеленгатор), когда интерферометр с более короткой базой определяет угол обзора, а интерферометр с более длинной базой определяет точность измерения угла.

Помимо методов сравнения амплитуды и фаз, существует множество других методов пеленгации, например, метод пеленгации с антенной Адкока, обычно используемый в радиотехническом мониторинге связных ИРИ, пеленгатор Вулленвебера, метод пеленгации Доплера и методы пеленгации с несколькими лучами, такие как многомодовый многолучевой пеленгатор с круговой решеткой и многолучевой пеленгатор с подающим линзой. Но в данной диссертационной работе будут рассмотрены методы, применяющиеся в современных космических системы радиопеленгации, использующие фазовые методы с применением неоднородной линейной решетки антенн.

Выводы по главе 1

1. Область исследований и тема диссертационной работы «Методы и алгоритмы обработки и определения параметров сигналов источников радиоизлучения для бортовых специальных комплексов» являются актуальными.

2. На основе выполненного анализа источников и научных проблем развития космических средств РТМ основным направлением исследований в ходе разрешения научно-технических проблем при их создании является разработка космических пеленгаторов с многоканальными приемными устройствами и параллельной программной обработкой сигналов на борту аппарата, требующая увеличения производительности бортовых вычислительных систем с

одновременным трендом на оптимизацию алгоритмов обнаружения, распознавания и классификации сигнала по его основным признакам.

3. Для достижения цели исследования необходимо разработать:

1) методы и алгоритмы обнаружения сигналов источников радиоизлучения для реализации в составе бортовой аппаратуры многоканальных фазовых пеленгаторов космического базирования.

2) методы и алгоритмы определения фазового сдвига между приемными каналами многоканального приемного устройства с повышенными требованиями к точности оценки разности фаз при сохранении ограничений на тактовую частоту оцифровки и обработки сигналов в составе бортовой аппаратуры.

3) методы и алгоритмы определения параметров узкополосных и широкополосных сигналов источников радиоизлучения, в том числе при работе в режиме СШП пеленгации.

4) методы оценки точностных характеристик предложенных методов и алгоритмов, анализа результатов практического применения и предложения по модернизации апробированных в составе бортовой аппаратуры алгоритмов.

5) программное обеспечение моделирования, тестирования и оценки характеристик предложенных алгоритмов и методов.

6) архитектуру программного и аппаратного обеспечения электронного блока цифровой обработки и управления, приема и передачи информации с повышенными показателями надежности и безотказности работы цифровой системы управления существующих и перспективных фазовых пеленгаторов космического базирования.

ГЛАВА 2 МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ СИГНАЛОВ ИСТОЧНИКОВ РАДИОЗЛУЧЕНИЯ

Обнаружение радиосигналов ИРИ

В общем случае радиосвязное поле можно описать как многокомпонентную среду упОО, представляющую собой совокупность полезных и мешающих сигналов, которые имеют различный временной характер, степень детерминированности и характеристики случайности. Использование комбинации различных видов селекции позволяют свести ее к двухкомпонентной, которая содержит аддитивную смесь сигнала и помехи:

Многообразие радиосвязных сигналов, подлежащих обнаружению, может быть достаточно полно описано, используя случайные процессы, свойства которых определяются временными, спектральными и корреляционными характеристиками. В зависимости от априорной информации, имеющейся при обнаружении, сигналы можно разделить на: детерминированные, квазидетерминированные и шумовые. Детерминированные сигналы - сигналы с полностью известными параметрами. Квазидетерминированные сигналы -сигналы с частично неизвестными параметрами. Шумовые сигналы - случайные стационарные процессы.

В теории статистических решений показано, что при обнаружении сигнала на фоне белого шума оптимальное решающее правило основано на сравнении отношения правдоподобия Л(у0) с некоторым нормированным порогом Uп0p:

Для выбора порога при отсутствии вероятностей наличия и отсутствия сигнала в процессе у0(:) используется критерий Неймана-Пирсона.

При обнаружении детерминированного сигнала 8(1,1) на фоне белого шума алгоритм оптимального обнаружителя соответствует вычислению корреляционного интеграла и сравнению его с порогом:

г* =-

г

1 ^ т

С

(3)

где - эффект на выходе обнаружителя;

Т - постоянная интегрирования в обнаружителе;

Sоп(t, I) - копия сигнала.

Такой обнаружитель получил название когерентного обнаружителя, структура которого приведена на рисунке 1, где ЛТП - линейный тракт приёмника; ПФ - полосовой фильтр; П - перемножитель; ГКС - генератор когерентного сигнала; ПУ - пороговое устройство.

УМ ЛТП ПФ у10 п Инг л ПУ

^ Ж1р

ГКС

н,

<

н„

Рисунок 1 - Структура когерентного обнаружителя

При приёме квазидетерминированных и шумовых сигналов оптимальными являются авто-, взаимокорреляционные и энергетические алгоритмы обнаружения. Алгоритмы обнаружения квазидетерминированного или шумового сигналов на фоне белого шума в случае авто-, взаимокорреляционного и энергетического обнаружителей имеют вид:

1 ^

где 2а, - эффект на выходе авто-, взаимокорреляционного и энергетического

обнаружителей;

I] - величина временного сдвига, вносимого линией задержки (ЛЗ) в автокорреляционный обнаружитель для декорреляции помехи;

Ат - временное рассогласование между процессами у0100 и у020).

Структуры авто-, взаимокорреляционного и энергетического обнаружителей приведены на рисунке 2.

Рисунок 2 - Структуры автокорреляционного (а), взаимокорреляционного (б) и энергетического (в) обнаружителей

Таким образом, задача оптимального обнаружения радиосвязных сигналов может быть решена только при использовании нескольких разновидностей обнаружителей. На тип используемого обнаружителя и его структуру, существенное влияние оказывает степень априорной неопределённости о виде и параметрах обнаруживаемого сигнала.

При неизвестной частоте несущей и времени проведения сеанса связи структура обнаружителя модифицируется с целью разрешения частотно-

временной неопределенности. В этом случае оптимальным решением является использование многоканального когерентного квадратурного обнаружителя. Структура одного канала такого обнаружителя приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Квадратурный обнаружитель

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Славянский Андрей Олегович, 2023 год

использования

Преобразование Отображение

Радона сигнала на

интегральные

проекции.

Отображение из Преобразование Радона позволяет

пространства сигнала определить то, как точка данных в

(или пространства пространстве назначения получается

источника) в из данных в пространстве источника

пространство

параметров (или

пространство

назначения)

Преобразование Предназначен для

Хафа обнаружения прямых

линий на • Пространство Хафа учитывает, как

изображениях с точка данных в пространстве

использованием источника получается из данных в

шаблона. пространстве назначения.

Математически • Дискретная версия преобразования

идентичен Радона

преобразованию

Радона

Сферы

Метод Примечания

использования

Разделение Применение метода

«слепых» весов, который

сигналов обеспечивает

ортогональную

проекцию набора

смесей сигналов. Учитывая полученные сигналы и

Критерии, предположения относительно

используемые в передаточной функции цели, метод

методе, включают пытается восстановить переданные

моменты совместной сигналы.

функции плотности

вероятности или

соответствия

произвольному

словарю или базису.

Сферы

Метод Примечания

использования

Общий Многофакторный • Может найти скрытую

компонентный анализ или анализ информацию в исходных данных.

анализ нескольких • Реализован на основе методов

собственного переменных, корреляции для разделения

разложения. рассматриваемых как источников.

единое целое. • Информация в сигнале делится на

Общий многомерный два подпространства -

метод, при котором подпространство сигнала и шумовое

сигналы подпространство.

декоррелируются, а • Метод работает путем

затем компоненты преобразования в новый набор

извлекаются в некоррелированных переменных -

порядке убывания их основных компонентов.

дисперсий. • Недостаток: только если исходные

Компоненты переменные являются гауссовыми,

представляют собой некоррелированные основные

линейные компоненты также независимы,

ортогональные потому что PCA использует только

комбинации, статистику 2-го порядка, например,

которые дисперсии. (Переменные с

максимизируют гауссовыми распределениями имеют

общую дисперсию нулевую статистику выше 2-го

порядка.)

Сферы

Метод Примечания

использования

Факторный Является формой • Основан на методах корреляции

анализ общего для разделения источников.

компонентного • Извлеченные факторы

анализа с представляют собой линейные

добавлением комбинации, которые

дополнительных максимизируют общую часть

терминов для дисперсии, то есть скрытые базовые

моделирования шума конструкции.

приемника • Метод использует различные

подпрограммы оптимизации, и

результат, зависит от используемой

подпрограммы оптимизации и

исходных точек для этих

подпрограмм.

Сферы

Метод Примечания

использования

Независимый Обобщение метода • Предполагается, что передаваемый

компонентный общего сигнал и любые шумовые

анализ компонентного компоненты не являются

анализа и метода гауссовыми и статистически

разделения «слепых» независимы.

сигналов • Требование (допущение)

статистической независимости

отличает метод от других процедур.

• Метод находит набор значимых

исходных сигналов, которые

статистически независимы друг от

друга.

• Отсутствие корреляции является

более слабым свойством, чем

независимость: в то время как

независимость подразумевает

отсутствие корреляции, отсутствие

корреляции не подразумевает

независимость.

• Метод является более

чувствительным к шуму и

предполагает, что сигналы являются

продуктом мгновенных линейных

комбинаций независимых

источников. Есть два основных

предположения: источники

независимы и не являются

гауссовыми.

• Независимость - более сильное

условие для разделения сигналов -

это мера ковариации всех моментов

функции вероятности.

Метод Сферы использования Примечания

Ортогонализация по Граму-Шмидту Декоррелирует сигналы • Метод зависит от первоначального выбора среди сигналов, удаления этого выбранного сигнала и проецирования оставшегося сокращенного набора сигналов на плоскость более низкой размерности. • Правильный первоначальный выбор, таким образом, имеет решающее значение

Алгоритм классификации нескольких сигналов Непараметрическая процедура оценки частоты собственного анализа • Лучшая характеристика разрешения и оценки частоты, чем у классических методов, особенно при высоких отношений белого шума. • Производительность хуже при наличии цветного шума. • Собственное разложение дает собственные значения убывающего порядка и ортонормированные собственные векторы. Результирующие спектры не считаются истинными оценками спектров мощности, так как мощность сигнала не сохраняется.

Одними из наиболее привлекательных методов являются методы оценки пространственного спектра, используемые для оценки пространственной частоты согласно выходному сигналу элементов и для определения других параметров. Среди методов оценки пространственного спектра распространен алгоритм множественной классификации сигналов (MUSIC), характеризующийся высокой точностью и сверхразрешением. Он основан на корреляции выходного сигнала массива векторов, разложении на собственные значения через корреляционную

матрицу и получении пространственного спектра Рми (еш) для идентификации нескольких пространственных сигналов, а затем - получения пеленга на ИРИ:

где а - вектор экспонент для частоты ш, лежащей в некотором заданном диапазоне; и - /-ый собственный вектор ковариационной матрицы, соответствующий шумовому подпространству.

По сравнению с традиционным методом радиопеленгации метод оценки пространственного спектра имеет следующие выдающиеся преимущества:

1. Высокая точность. Современные методы цифровой обработки позволяют использовать различные сложные математические инструменты и, по сравнению с традиционными методами, теоретически достигаемая точность намного выше.

2. Высокое разрешение, выходящее за пределы рэлеевского предела и позволяющее разрешить несколько сигналов, попадающих в один луч (поэтому его также называют пеленгатором сверхвысокого разрешения).

3. Возможность пеленгации нескольких сигналов, поступающих одновременно.

4. Способность выполнять пеленгацию определенного количества когерентных источников и разрешать прямые и отраженные сигналы в определенных условиях.

Основными недостатками данного метода являются чувствительность к искажению модели сигнала, большая вычислительная нагрузка и размер данных. Чувствительность создает трудности в практическом применении. Большой размер данных и вычислительная нагрузка могут повлиять на его возможности в реальном времени. Однако с развитием современных компьютерных технологий эти проблемы, наконец, будут разумно решены, и эта система будет иметь очень привлекательную перспективу применения.

Выводы по главе 4

1. Описан алгоритм определения несущей частоты ШПС различной длительности. При малой длительности (до 1 мкс) импульса вероятность правильного определения находится в допустимых пределах при положительных соотношениях сигнал/шум, что допустимо, исходя из тактики применения подобных сигналов.

После получения результатов практического применения указанного алгоритма выявилась нестабильность в определении несущей частоты ШПС, что потребовало дополнительного исследования и формирования нового алгоритма для определения несущей частоты, в частности предлагается использовать набор частотных фильтров, осуществляющих синхронное детектирование с опорными сигналами заданных дискретных частот.

2. Разработан и реализован на ПЛИС алгоритм обнаружения УПС, использующий БПФ и позволяющий реализовать обнаружение при низких отношений сигнал/шум за счет разрядности БПФ и наличия накопления с сохранением требуемого частотного разрешения и ограничений по затрачиваемым ресурсам аппаратной логики.

3. Определение типа и параметров ЧМ-сигналов осуществляется по результатам определения частотных характеристик сигнала. Определение типа и параметров ФКМ-сигналов осуществляется по результатам расчета разности фаз между сигналом в базовом канале и им же, но задержанном.

4. В целях определения параметров сложных радиосвязных сигналов предложены алгоритмы, в основе которых лежит анализ формы свертки: при частотной манипуляции она имеет синусоидальную форму с частотой, равной разности частот между определенной средней частотой, на которой генерируется опорный сигнал, и реальной частотой сигнала.

Анализ формы свертки производится статистическим анализом повторяемости длительности периода, при котором сохраняется знак разности между текущим и предыдущим отсчетом свертки.

5. Использование СШП сигналов требует подходов к обработке сигналов, выходящих за рамки классических методов, разработанных для узкополосных сигналов с постоянной длиной волны. Ни один метод не может обеспечить полностью удовлетворительное решение для обработки сигнала для всех применений.

Разработчик должен найти наилучший метод на основе типа принимаемого сигнала, характеристик цели (то есть материала, геометрии, размера относительно пространственного разрешения сигнала) и целей анализа сигнала. Различные цели и задачи потребуют разных подходов. Разработка методов анализа сигналов, основанных на методах, представленных здесь, может значительно увеличить эффективность СШП пеленгации.

ГЛАВА 5 АРХИТЕКТУРА ПРОГРАММНОГО И АППАРАТНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО БЛОКА ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ И

УПРАВЛЕНИЯ, ПРИЕМА И ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

5.1 Описание и обоснование выбора состава технических и программных

средств

В целях реализации методов и алгоритмов обработки сигналов, описанных главах 2-4 настоящей диссертационной работы, предлагается использование электронного блока цифровой обработки и управления, приема и передачи информации, реализованного с применением микросхем аналого-цифрового преобразования (АЦП) типа AD9249 и микросхем система-на-кристалле (СнК) типа АРРИА 10AS066H3F34I2SG, которые обладают наиболее подходящими характеристиками [27, 28] по вычислительным ресурсам и скоростям преобразования информации.

Программное обеспечение электронного блока цифровой обработки и управления должно выполнять следующие функции:

- выполнять загрузку кода инициализации в СнК АРРИА с учетом требований:

• загрузка должна произойти в течение 2-3 секунд с момента подачи питания на один из полукомплектов вычислителя,

• должна иметься возможность записи прошивки оператором по внешнему интерфейсу (USB) в энергонезависимую память по нескольким адресам,

• в случае неправильной инициализации (например, по контрольной сумме при чтении с одного из адресов) должна повториться загрузка с другого смещения,

• должен выводиться по запросу из FPGA/ARM статус загрузки (количество раз, по какому смещению загружена), номер включенного полукомплекта для записи в формуляр телеметрической информации,

• должна обеспечиваться инициализация ARM-контролера для поддержания управления блоком и бортовой специальной аппаратурой (БСА), приемом и выдачей массивов входной и выходной информации, цифровой обработки сигналов с плавающей точкой;

- выполнять инициализацию АЦП с учетом требований:

• должна обеспечиваться синхронизация каналов АЦП с точностью до 100пс между 16 каналами на каждой плате,

• должен обеспечиваться обмен платы АЦП с включенным полукомлпектом вычислителя,

• должен выводиться по запросу статус включения той или иной платы АЦП, статуса корректности выдачи питания на АЦП для записи в формуляр телеметрической информации;

- выполнять контроль питания электронных модулей с учетом требований:

• должно обеспечиваться резервирование схем вторичного питания,

• должен выводиться по запросу статус включения того или иного каскада питания (работает основной или резервный источник питания) для напряжений, создаваемых на плате, статуса корректности выдачи питания на полукомлпект для записи в формуляр телеметрической информации;

- обеспечивать прием и анализ синхроимпульса 1Гц с учетом требований:

• должен обеспечиваться прием синхросигнала от внешнего источника,

• должен обеспечиваться отсчет времени в секундах, синхронный с данным сигналом,

• внутренние таймеры в мкс/мс, должны быть синхронизированы с внешним синхроимпульсом с точностью до 1мкс;

- обеспечение приема и анализа сигналов аналогового обнаружения от внешних блоков и узлов БСА;

- обеспечение информационного обмена с внешними блоками и узлами

БСА;

- прием служебных массивов;

- передача команд управления и приема телеметрической информации от

БСА;

- формирование команды начала наблюдения;

- должна быть реализована возможность самодиагностики и реконфигурирования (в случае непрохождения теста на корректность) прошивок;

- должно обеспечиваться формирование формуляров служебной, специальной и телеметрической информации;

- должна обеспечиваться передача формуляров через контролер обмена в

БСА;

- выполнение функций цифровой обработки сигналов, описанных в главах 2-4 настоящей диссертационной работы.

Структурная схема соединения аппаратных блоков в СнК АРРИА представлена на рисунке 53.

Рисунок 53 - Структурная схема аппаратных блоков в СнК АРРИА.

Контроллер IOLink реализуется в ПЛИС и отвечает за сопряжение вычислительной системы с внешними подсистемами блока. Контроллер подключен к мосту HPS-to-FPGA СнК АРРИА со смещением 0x2000000 и генерирует транзакции по интерфейсу IOLink взаимодействия с блоками и узлами из состава БСА под управлением ARM CPU.

Контроллер АЦП предназначен для приема последовательных 12-разрядных посылок данных от двух комплектов АЦП, расположенных на плате АЦП, распараллеливание этих данных и выдачи на модуль цифровой обработки сигналов (ЦОС).

Модуль управления, dds_spi_conf, служит для конфигурации цифрового синтезатора сигналов, DDS, по последовательному интерфейсу SPI. Модуль посылает команды управления процессом конфигурации и данные. DDS служит для формирования двух тактовых сигналов АЦП и одного тактового сигнала

ПЛИС. DDS расположен на плате АЦП и имеет встроенный генератор с внешним кварцевым резонатором. Конфигурация микросхемы DDS хранится в специальном конфигурационном файле, который подключен к проекту. Этот файл содержит коды конфигурации, хранящиеся в памяти ПЛИС - регистрах, и адреса этих регистров. Заполнение конфигурационного файла происходит с помощью дополнительного программного обеспечения фирмы, производителя микросхемы DDS. Информация, хранящаяся в памяти, каждый раз после старта работы блока, автоматически, прописывается по последовательному интерфейсу в конфигурационные регистры DDS.

Контроллер секундной метки осуществляет мажоритарный контроль сигналов секундной метки. Секундная метка считается принятой, если присутствуют одновременно хотя бы двух сигналов из трёх входных сигналов 1 Гц. Импульсные синхросигналы секундной метки по трем каналам являются сдублированными цепями с трансформаторным входом и выходом.

Подсистема загрузки ПО должна удовлетворять следующим требованиям:

- резервирование загрузочных образов ПО с механизмом определения «неработающих» образов (механизм watchdog или аналогичный);

- резервирование физических хранилищ критических данных (памяти прошивок, памяти массивов с коэффициентами и т. п.) с механизмом переключения/поиска рабочего хранилища;

- наличие внешнего интерфейса, позволяющего выполнять загрузку ПО в энергонезависимую память и диагностику блока в сборе;

- наличие отладочного порта (UART или аналогичный) для супервизора (MCU или CPLD), никак не связанный с другими блоками;

- должна работать минимальная диагностика при неработоспособной внутренней системе питания;

- должен быть предусмотрен механизм удаленной загрузки в объёме наличия энергонезависимой памяти временного хранения ПО;

- резервирование тактовых генераторов для АРРИА, а также супервизора (MCU/CPLD);

- наличие механизма управления последовательностью включения питания и сигналами сброса функциональных узлов блока;

- должен быть предусмотрен механизм включения питания полукомплектов блока в корректной последовательности без вмешательства других сложно-функциональных блоков;

- должен быть предусмотрен механизм выдачи формуляра диагностической информации при отказе микросхем АРРИА;

- должен быть предусмотрен механизм контроля статусов загрузки, измерения номиналов напряжений питания, энергопотребления, температуры;

- должен быть предусмотрен интерфейс Ethernet, подключенный к портам микросхемы АРРИА. Рекомендуется вывести также дополнительный интерфейс Ethernet от HPS-подсистемы АРРИА. Интерфейс Ethernet планируется использовать для высокоскоростной передачи данных с АЦП из внутренней памяти АРРИА при отладке блока;

- на плате должен быть выведен разъем JTAG. Все микросхемы, имеющие интерфейс JTAG должны быть объединены в цепочку. При этом должна быть возможность схемотехнически (например, с помощью нулевых резисторов) настраивать цепочку: включать и отключать из цепочки произвольную микросхему.

Ниже представлены предложения по структурно-функциональной организации подсистемы загрузки ПО и диагностики блока. Конечный вариант может быть сформулирован, как компромиссное решение, учитывающее преимущества и недостатки предложенных вариантов.

На рисунке 54 представлена структурная схема подключения к микросхеме АРРИА элементов подсистемы загрузки, хранения ПО и диагностики соответствующая предложению 1.

загрузки ПО

Рисунок 54 - Схема подключения к микросхеме АРРИА элементов подсистемы загрузки/хранения ПО и диагностики (предложение 1).

Функции MCU:

- измерение всех номиналов напряжений питания схемы;

- измерение температуры схемы;

- измерение энергопотребления схемы в процессе работы (измерение потребляемого тока);

- управление последовательностью подачи питания на функциональные блоки. При этом, по умолчанию, питание должно подаваться в правильной последовательности без участия MCU;

- перезагрузка функциональных узлов платы (формирование сигнала

reset);

- контроль сигналов power good от стабилизаторов питания, сигналов успешности загрузки АРРИА (процессорной подсистемы (HPS) и FPGA);

- обмен данными с HPS АРРИА по UART, обмен данными с FPGA АРРИА по SPI, 2-4 линии общего назначения к GPIO портам FPGA АРРИА;

- управление режимами загрузки АРРИА с помощью сигналов BSEL/MSEL.

По умолчанию АРРИА грузится из QSPI0. Из QSPI0 загружается загрузчик первого уровня, который загружает прикладное ПО (для CPU0/CPU1 и ПЛИС), которое хранится в микросхемах QSPI1, QSPI2. Резервирование прикладного ПО осуществляется в смещениях QSPI1, QSPI2. Также QSPI2 хранит резервную копию QSPI1. Этот режим должен поддерживаться без участия MCU, то есть должен работать при выключенным MCU. Рекомендуется предусмотреть возможность извне не подавать питание на MCU.

В качестве MCU предлагается использовать контроллер с ядром ColdFire V2 фирмы Freescale (теперь NXP). MCU должен контролировать успешность загрузки ПО в АРРИА. В случае неуспеха имеет возможность переключить режим загрузки на загрузку FPGA из микросхемы EPCQ-L FLASH. Этот режим предусмотрен для двух случаев:

1 Отказала микросхема QSPI0. В данном случае производится загрузка первичного загрузчика в FPGA и дальше загрузка CPU0/CPU1 и FPGA прикладным ПО из микросхем QSPI1/QSPI2. После загрузки в таком режиме система способна функционировать, как и прежде, в боевом режиме.

2 Отказала процессорная подсистема (CPU0/CPU1) АРРИА. В данном случае производится загрузка первичного загрузчика, как и в первом случае, в FPGA. Система пытается загрузить CPU0/CPU1. Если все попытки загрузки CPU0/CPU1 завершаются неудачей, то выдается соответствующая диагностическая информация по IOLink.

Использование варианта загрузки из EPCQ-L FLASH позволяет загрузить систему в случае отказа QSPI0 и избежать необходимость резервирования данной микросхемы. Резервирование данной микросхемы планируется избежать, чтобы не добавлять в схему коммутатор SS и логики формирования дополнительных

сигналов управления коммутатором, то есть по возможности ограничится прямыми соединениями микросхем по типу «точка-точка» в целях надежности.

Преимущество использования EPCQ-L FLASH видится и в том, что она позволяет предусмотреть защиту для двух типов отказов.

Должна быть поддержана возможность подключения к линиям JTAG в обход модуля USB Blaster. Также должна быть поддержана возможность конфигурировать с помощью нулевых резисторов конфигурацию JTAG цепочки: в цепочке АРРИА и MCU, либо каждый по отдельности.

Для загрузки ПО и диагностики предлагается использовать один USB канал, который будет разветвляться на три с помощью микросхемы USB HUB: один канал для программирования памятей QSPI/EPCQ-L через АРРИА по JTAG, второй - для диагностического интерфейса к АРРИА, третий - для программирования и диагностического канала к MCU (программировать по JTAG данную микросхему не очень удобно с точки зрения имеющихся инструментальных средств).

Модуль USB Blaster рекомендуется реализовать на базе микросхемы серии MAX (Altera/Intel). Для данной микросхемы должен быть предусмотрен отдельный порт JTAG для программирования.

Блоки USB HUB, USB BLASTER, USB <-> UART, FT2232 предлагается питать от USB, чтобы они были неактивны в боевом режиме БС и тем самым не оказывали влияния на его порты ввода/вывода.

На рисунке 55 представлена структурная схема подключения к микросхеме АРРИА элементов подсистемы загрузки, хранения ПО и диагностики соответствующая предложению 2.

Рисунок 55 - Схема подключения к микросхеме АРРИА элементов подсистемы загрузки/хранения ПО и диагностики (предложение 2).

Предложение 2 отличается от предложения 1 тем, что, вместо MCU и схемы USB BLASTER используется микросхема CPLD. Для повышения надежности возможно использование радиационно стойкой микросхемы [29]. Также предусмотрено резервирование микросхемы QSPI FLASH, которая хранит загрузчик первого уровня (QSPI0-1, QSPI0-2). Управление доступом к микросхемам QSPI FLASH с системным ПО осуществляется с помощью ресурсов CPLD.

Загрузка ПО в микросхемы QSPI FLASH, подключённые к CPLD, осуществляется посредством интерфейса UART и контролируется прошивкой CPLD.

В схему добавлена микросхема FT232H, которая позволяет организовать доступ к интерфейсу JTAG со стороны персонального компьютера оператора через единый диагностический канал (USB). На плате должен быть предусмотрен

отдельный разъем JTAG, позволяющий выполнять подключение к JTAG-цепочки в обход FT232H.

Выбор способа организации средств диагностики и тестирования (СДТ) блока должен быть обусловлен следующими требованиями:

-СДТ должны поддерживать имитацию сопряженного с блоком внешнего оборудования и возможность тестового прогона блока с возможностью отслеживания его состояния и журналирования поступающих от него информационных сообщений;

-СДТ должны поддерживать возможность тестирования части встроенного ПО для CPU ARM и FPGA;

-при проектировании СДТ следует максимизировать долю исходных кодов, унифицированных для тестирования в режимах симуляции и натурного тестирования.

Поскольку имитация внешнего оборудования не является вычислительно сложной задачей, при натурном тестировании на оценочной плате ответная часть функционирует на инструментальном персональном компьютере общего назначения (ИПК) в виде специальной программы-имитатора. Плата сопрягается с ИПК с помощью одного из аппаратных интерфейсов, имеющихся на ИПК. Поскольку интерфейс IOLink является относительно низкоскоростным, в качестве интерфейса сопряжения был выбран UART.

В силу разности реализации низкоуровневого интерфейса и операционной среды для режимов тестирования встроенного ПО, возникает проблема максимальной унификации ПО для данных режимов.

Код для FPGA моделируется посредством RTL-симулятора. Проблема интеграции кода для CPU может решаться несколькими способами.

Первым способом является использование виртуальной платформы (компьютерной модели СнК АРРИА), официально поставляемой производителем. В рамках данной модели имитируется CPU и некоторое количество его периферии на SystemC. Преимуществом данного подхода является возможность запуска и тестирования полностью неизменного скомпилированного кода для

CPU ARM. Недостатками являются следующие аспекты: моделируется не вся аппаратура СнК, а только её часть, ориентация на платформу Linux на инструментальном ПК, сложность конфигурирования.

Вторым способом является моделирование ПО в RTL-симуляторе. В этом случае код для CPU стыкуется с RTL напрямую посредством SystemC. Код CPU ARM компилируется в нативном виде ИПК. Преимуществом данного подхода является относительная простота организации модели, высокая скорость работы, однако, отсутствует готовая инфраструктура для моделирования периферии, а также накладываются определенные ограничения на архитектуру ПО (например, блокирование потока в таком коде без продвижения модельного времени приведет к зависанию модели). Тем не менее, поскольку организация ПО с блокировками потока является нежелательной и в целевом коде (возникает опасность зависаний), данный вариант был выбран в качестве рабочего.

Организация СДТ представлена на рисунке 56.

Рисунок 56 - Организация СДТ блока.

Обмен с программой-имитатором по интерфейсу UART может быть реализован со стороны ПО для CPU ARM несколькими способами.

Первый способ - это использование аппаратного блока UART в СнК АРРИА 10. Преимуществом является то, что контроллер UART не разрабатывается самостоятельно, а используется готовый. Недостатком является то, что аппаратный контроллер имеет программную модель, отличную от контроллера IOLink в FPGA.

Альтернативный способ - имитация UART в FPGA. В этом случае в прошивке FPGA можно предусмотреть контроллер, который имеет программную модель, альтернативную контроллеру IOLink, а посылки IOLink передаются но интерфейсу UART. Возможность перенесения драйвера IOLink в CPU ARM в платформо-независимую часть и относительная простота реализации UART в FPGA обуславливает выбор данного варианта.

Для обеспечения возможности вставки событий (framing и секундные метки) в поток данных UART поверх протокола UART был реализован протокол IOLink-over-UART. Протокол предусматривает обмен потоком байтов от ведущего к ведомому и наоборот в формате, аналогичном интерфейсу IOLink. Кроме того, протокол предусматривает возможность вставлять в потоки байтов специальные посылки (сигналы). Сигналом является специальный байт 0x5a. Для экранирования сигнала в потоке байтовых данных предусмотрен специальный экранирующий байт 0x55. Экранирующий байт вставляется перед байтом данных, соответствующим сигналу или экрану. Данный механизм поддерживается программно со стороны ИПК и на уровне контроллера в ПЛИС со стороны блока. Со стороны ведущего событие генерируется в начале каждой транзакции по IOLink (аналог сигнала CF). В обратную сторону сигнал выполняет функцию секундной метки.

5.2 Описание программного обеспечения электронного блока

В состав СнК АРРИА входит три блока, которые можно использовать для реализации алгоритмов БС: два процессорных ядра (CPU0, CPU1) общего назначения и блок программируемой логики (ПЛИС).

Предлагается использовать доступные процессорные ядра в режиме ассиметричной мультипроцессорности. На первом ядре (CPU0) реализовать функции первичной инициализации оборудования (БОМ, АЦП) и циклограмму обмена, на втором ядре (CPU1) - реализовать циклограмму наблюдения и функции по цифровой постобработки сигналов. Предлагается использовать

операционную систему реального времени (FreeRTOS или RTEMS) для диспетчеризации процессов на СРШ с целью предотвращения захвата вычислительного ядра одним из процессов.

В таблице 4 приведено описание распределения компонентов ПО по функциональным узлам СнК АРРИА.

Таблица 4 - Распределение компонентов ПО по функциональным узлам СнК

срио CPU1 ПЛИС

Циклограмма обмена: Циклограмма Блок контроля работы

• Цикл обмена наблюдения: БС ^й-процессор)

(процесс) • Цикл наблюдения

• Чтение СлИ (процесс)

(набор функций) • Отправка команд

• Чтение ТМИ БУММ, БШМ

(набор функций) (набор функций)

• Создание

формуляров

(набор функций)

• Драйвер БАПИ

(набор функций)

• Драйвер SBUS

(набор функций)

• Драйвер ЮLink

(набор функций)

Инициализация Цифровая Блок ЦОС

системы (задача, постобработка сигналов Контроллер ЮLink

выполняется при (процесс): Контроллер АЦП

старте): • ПО для ARM Контроллер секундной

• Проверка каналов (набор функций) метки и команды ПК4

срио CPU1 ПЛИС

передачи данных • ПО для NEON Контроллер FLASH-

(набор функций) (набор функций) памяти

• Драйвер АЦП • Драйвер FLASH-

(набор функций) памяти (набор

• Драйвер БЬАБН- функций)

памяти (набор

функций)

• Инициализация

БОМ (набор

функций)

В таблице 4 приведено описание распределения компонентов ПО по функциональным узлам СнК АРРИА.

В блоке ПЛИС предлагается разместить независимый блок контроля работы БС ^ой-процессор) для мониторинга и контроля работы ПО на процессорных ядрах, а также контроля показателей температуры и напряжений в контрольных точках. Контроль данных показателей предполагается выполнять посредством обмена данными с внешним супервизором - микроконтроллером, установленном на плате блока и измеряющим соответствующие показатели.

Блок контроля работы должен поддерживать выдачу формуляра телеметрической информации. Это предлагается сделать исходя из принятого предположения, что процесс загрузки и работы ПО ПЛИС менее подвержен отказам, чем загрузка и работа ПО процессорных ядер, так как аппаратная база обладает меньшей функциональной сложностью.

На рисунках 57^58 представлены связи между компонентами ПО блоками. На них представлены следующие блоки:

1 Цикл обмена - процесс управления обменом. Генерирует события вызова других функций в соответствии с тактами секундной метки, а также отвечает за генерацию 30 секундной метки для других процессов.

2 Цикл наблюдения - процесс управления наблюдением. Контролирует последовательность исполнения микропрограмм наблюдения (МП), заданных в массиве режимов. Отвечает за переход по дискретам МП, формирование управляющих сигналов к подсистеме ЦОС и процессам командного и информационного обмена с блоками и узлами БСА.

3 Чтение СлИ: набор функций чтения массивов служебной информации.

4 Чтение ТМИ - набор функций сбора телеметрической информации о состоянии блока, а также оборудования, подключенного к БСА. Собранная информация в дальнейшем используется для создания комплекта формуляров телеметрической информации.

5 Отправка команд на перестройку оборудования (гетеродин, фильтры, усилители).

6 Создание формуляров - набор функций создания формуляров служебной, специальной и телеметрической информации. Процесс отвечает только за упаковку данных, предоставляемых другими процессами, в формат, пригодный для передачи в бортовую аппаратуру передачи информации.

7 Драйвер БАПИ - набор функций для взаимодействия с контроллером шины Манчестер. Процесс отвечает за надежный информационный обмен с контролем состояния каналов обмена, повтором передачи в случае ошибки и сменой канала в случае отказа приемо-передающего оборудования.

8 Драйвер SBUS - набор функций для работы с контроллером интерфейса SBUS. Используется для информационного обмена с блоками и узлами БСА.

9 Драйвер IOLink - набор функций для реализации надежного информационного обмена по интерфейсу IOLink с контролем состояния аппаратных линий, повтором передачи в случае ошибки и сменой канала в случае отказа.

10 Контроллер LINK (IOLink) - контроллер аппаратного интерфейса LINK.

11 ЦОС - процесс, реализующий цифровую обработку сигнала с АЦП. Взаимосвязь между компонентами подсистемы ЦОС представлена на рисунке 64.

12 Драйвер АЦП - набор функций для настройки и контроля состояния АЦП, а также микросхем генераторов тактового сигнала на АЦП.

13 Контроллер АЦП - контроллер аппаратного интерфейса АЦП и микросхем генераторов тактового сигнала АЦП.

14 Драйвер FLASH-памяти - набор функций работы с FLASH-памятью.

15 Контроллер FLASH-памяти - аппаратный контроллер интерфейса доступа к FLASH-памяти, установленной в блоке.

Рисунок 57 - Взаимосвязь компонентов ПО блока по данным и управлению.

Рисунок 58 - Взаимосвязь компонентов ПО подсистемы ЦОС блока по данным и

управлению.

В СнК АРРИА предусмотрены отдельные механизмы для надежной [30, 31] загрузки HPS и FPGA. HPS и FPGA могут конфигурироваться раздельно, либо один из блоков может сначала конфигурироваться сам, а затем конфигурировать другой. Загрузка по-отдельности выглядит следующим образом:

Загрузка FPGA может производиться в активном либо пассивном режиме. Прошивки защищены CRC.

В пассивном режиме [32, 33, 34] в систему устанавливается внешний микроконтроллер или CPLD, и он считывает прошивку из flash, контролирует процесс загрузки и переключается на резерв в случае необходимости.

При использовании активного режима (Active Serial) нужна микросхема EPCQ-L и поддерживается схема с безопасной прошивкой:

1) Устанавливается режим загрузки (MSEL) «Active Serial».

2) Во флеш-накопитель типа EPCQ-L записываются две прошивки: прикладная и безопасная. Безопасная прошивка записывается по фиксированному адресу, для прикладной прошивки также инициализируется указатель.

3) При подаче питания производится загрузка прикладной прошивки [35]. При неудаче (несоответствие CRC) производится 2 дополнительные попытки.

4) При отказе загрузки прикладной прошивки производится загрузка безопасной прошивки.

Загрузка HPS:

1) Режим загрузки (BOOTSEL/BSEL) устанавливается «с flash-памяти».

2) CPU0 выполняет встроенный загрузчик первого уровня BootROM. Считав режим загрузки, CPU0 производит поиск образа программы (далее SSBL, в качестве неё может выступать, собственно, загрузчик второго уровня, например, uboot, или же целевая программа небольшого объема), её копирование в On-chip RAM и передачу управления. Размер SSBL ограничен 224 КБ (без аутентификации, или 208 КБ с аутентификацией). SSBL защищен CRC. В QSPI может размещаться до 4-х экземпляров SSBL, в случае несоотвествия CRC производится автоматический поиск следующего образа (при неудачных 4-х загрузках CPU0 загружается из FPGA). Формат хранения SSBL приведен в АРРИА 10 HPS TRM (a10_5v4), Fig. A-19.

3) CPU0 выполняет SSBL. Разработка механизмов загрузки «больших» программ, а также CPU1, реализуется разработчиком (возможный формат: длина-образ-CRC, плюс несколько экземпляров по заранее известным адресам).

Использование различных схем дает следующие плюсы и минусы [36, 37]:

1) Раздельное конфигурирование HPS и FPGA

+: для загрузки HPS и FPGA предусмотрены встроенные механизмы надежной загрузки

-: эти механизмы разные для HPS и FPGA, для FPGA поддерживается только одна запасная прошивка

-: нужны отдельные флешки для HPS и FPGA

2) FPGA конфигурируется первым, и HPS из нее

+: прошивка для HPS защищена механизмом защиты прошивки для FPGA -: неудобство разработки и отладки ПО HPS (нужно пересобирать прошивку FPGA)

-: поддерживается только одна запасная прошивка

-: необходимость хранить ПО для загрузки и/или работы HPS внутри FPGA -: кроме флешки для FPGA, скорее всего, потребуется флешка и для HPS (для «больших» программ, CPU1 и т.д.)

3) HPS загружается первым и далее загружает FPGA через блок FPGA Manager (flash-память, подключенная к FPGA, не используется)

+: можно поддержать произвольный протокол защиты прошивки FPGA и унифицировать этот протокол с защитой «большой» программы для CPU0 и программы для CPU1

+: упрощение поддержки динамической реконфигурации -: необходимо сделать драйвер для прошивки FPGA через блок FPGA Manager

В целом, наиболее перспективным видится 3-й вариант, но требуется экспериментальное подтверждение его работоспособности.

Выводы по главе 5

1. Предложена архитектура программного и аппаратного обеспечения электронного блока цифровой обработки и управления, позволяющая реализовать методы и алгоритмы обработки сигналов, описанные в разделах 2-4 настоящей диссертационной работы, и повысить показатели надежности и безотказности работы цифровой системы управления существующих и перспективных фазовых пеленгаторов космического базирования.

2. Разработанное программное и аппаратное обеспечение электронного блока цифровой обработки и управления позволит выполнять сканирование и анализ радиочастотного эфира согласно поддиапазонам и частотным участкам, заданным в сеансе наблюдения, реализуемые на основе микросхемы типа «система-на-кристалле».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты диссертационного исследования нашли непосредственное применение при разработке новой отечественной цифровой системы управления и обработки информации бортовой аппаратуры в части создания новых принципов реализации потоковой обработки для задач радиотехнического наблюдения поверхности Земли.

В соответствии с поставленной целью в результате теоретических и экспериментальных исследований получены следующие основные результаты:

1. Исследованы и обоснованы предложенные автором новые математические и численно-аналитические методы реализации алгоритмов обнаружения и определения фазовых и частотных параметров узкополосных и широкополосных сигналов ИРИ в режиме реального времени при наличии естественных помех.

2. Разработаны методы обнаружения узкополосных и широкополосных радиосигналов, реализуемые с применением пространственно-энергетической селекции на основе энергетического и взаимокорреляционного методов, позволяющие повысить отношение сигнал/шум на 15-20 дБ и снизить вероятность ложного срабатывания обнаружителя до 0.02.

3. Предложен алгоритм определения фазового сдвига между приемными каналами многоканального приемного устройства, основанный на дискретном преобразовании Гильберта, имеющий точности определения разности фаз, сравнимые с потенциально достижимыми (до 1 градуса), и не обладающий смещением и зависимостью от величины разности фаз и частоты сигнала, а также темпа оцифровки.

4. Разработаны методы определения параметров радиосигналов, модифицированные по результатам практического применения в составе бортовых комплексов, обеспечивающие разрешение по частоте до 1.5 кГц при обеспечении повышения уровня сигнал/шум не менее, чем на 30 дБ для

узкополосных сигналов, определение параметров радиотехнических сигналов при уровне сигнал\шум от 0 дБ с учетом ограничений по затрачиваемым ресурсам аппаратной логики.

5. Проведены полунатурные испытания встроенного программного обеспечения бортовой аппаратуры, реализующего разработанные методы и алгоритмы, по результатам которых подтверждено повышение точности определения несущей частоты сигнала до десятков кГц, пеленга (направляющих синусов) - до 0,0001, что приводит к значительному уменьшению количества размножений пеленгов ИРИ на одном участке наблюдения и, как следствие, уменьшению количества ложных источников радиоизлучений, наносимых на карту исследуемого района.

6. Предложена архитектура программного и аппаратного обеспечения электронного блока цифровой обработки и управления, приема и передачи информации, реализуемого на основе микросхем «система-на-кристалле», позволяющего реализовать методы и алгоритмы обработки сигналов ИРИ с повышением показателей надежности и безотказности работы цифровой системы управления существующих и перспективных радиотехнических систем космического базирования за счет использования резервируемых многоканальных аналого-цифровых преобразователей и реконфигурируемых вычислительных процедур с контролем целостности кода на базе СнК.

Список сокращений и условных обозначений

АЦП - аналого-цифровое преобразование

БАПИ - бортовая аппаратура передачи информации

БСА - бортовая специальная аппаратура

ВП - вейвлет-преобразование

ГКС - генератор когерентного сигнала

ДПФ - дискретное преобразование Фурье

ИПК - инструментальный персональный компьютер общего назначения

ИРИ - источник радиоизлучения

КА - космический аппарат

ЛЗ - линия задержки

ЛТП - линейный тракт приёмника

МП - микропрограмма наблюдения

НИОКР - научно-исследовательская и опытно-конструкторская работа

ОБП - обеспечение безопасности плавания

ОВЦ - обнаружение воздушных целей

ОМП - оценка максимального правдоподобия

ОНЦ - обнаружение надводных целей

ППРЧ - псевдослучайная перестройка рабочей частоты

ПУ - пороговое устройство

ПФ - полосовой фильтр

РЛС - радиолокационные станции

РТР - радиотехническая разведка

РРТР - радио- и радиотехническая разведка

РТС - радиотехнические средства

РФ - разность фаз

РЭС - радиоэлектронные средства

СДТ - средства диагностики и тестирования

СКО - среднеквадратическое отклонение

СнК - система-на-кристалле

СШП - сверхширокая полоса

УКВ - ультракороткие волны

УПС - узкополосный сигналы

ФКМ - фазовая кросс-модуляция

ФМн - фазовая манипуляция

ФНЧ - фильтр нижних частот

ФПКБ - фазовый пеленгатор космического базирования

ЦОС - цифровая обработка сигналов

ЦПП - цифровой понижающий преобразователь

ЦСУОИ - цифровая система управления и обработки информации

ЧВР - частотно-временное разложение

ШПС - широкополосный сигнал

Список литературы

1. Макаренко С.И. Использование космического пространства в военных целях: современное состояние и перспективы развития систем информационно -космического обеспечения и средств вооружения // Системы управления, связи и безопасности. - 2016. - N 4. - С.161-213.

2. Леонков А., Космический эшелон разведки блестяще сработал в Сирии / А.Леонков // Еженедельник Звезда - 2018. - 13 февраля.

3. Department of Defense. Military critical technologies list, Space Systems Technology. 2014.

4. Space Vehicle Design, Second Edition — USA, AIAA, 2004.

5. Wilkinson, Mark. The Changing Paradigms of Satellite Reconnaissance, Creating Opportunities in the Small Satellite Industry. The 20th AIAA/USU Conference on Small Satellites, 2006.

6. Изюмов Д.Б., Кондратюк Е.Л. Перспективы развития космических средств радио- и радиотехнической разведки ведущих зарубежных стран // Инноватика и экспертиза. - 2017. N 2 (20). - С.234-242.

7. Space Technology Guide. Department of Defense, FY2000—01. Office of the Secretary of Defense, 2000.

8. Makarenko S.I. (2016) Ispol'zovanie kosmicheskogo prostranstva v voennykh tselyakh: sovremennoe sostoyanie iperspektivy razvitiya sistem informatsionno-kosmicheskogo obespecheniya i sredstv vooruzheniya» [Use of outer space for military purposes: current status and prospects of development of systems of information and space security and weapons]. Available at: http://sccs.intelgr.com/archive/2016-04/09-Makarenko.pdf.

9. Steshenko V., Garshin V. (2012) Perspektivy razvitiya elektronnykh komponentov dlya bortovoy apparatury kosmicheskikh system [Prospects of development of electronic components for on-Board equipment of space systems] Elektronnye komponenty [Electronic components].

10. Савватеев Ю.И., Тихонова О.В., Мартиросов В.Е., Куликов Г.В. Синтез и структуризация оптимальных систем пространственно-временной обработки сигналов, принимаемых на фоне структурно-детерминированных помех // Радиотехника и электроника. - 2019. - Т. 64. - № 2. - С. 186-190

11. Захаров А.В., Хачумов В.М. Алгоритмы CORDIC. Современное состояние и перспективы. // Программные системы: теория и приложения, М.: Физматлит, 2004, с. 353-372.

12. W. Namgoong. A channelized digital ultrawideband receiver. IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 2, pp. 502-510, May 2003.

13. Joni Polili Lie, Chong Meng See, Boon Poh Ng. Ultra wideband direction finding using digital channelization receiver architecture. IEEE Communications Letters, vol. 10, iss. 2, pp. 85-87, February 2006.

14. Obradovic, Vuk, Okiljevic, Predrag, Kozic, Nadica, Ivkovic, Dejan. Practical implementation of digital down conversion for wideband direction finder on FPGA. Scientific Technical Review. 66. pp.40-46. October 2016.

15. Rong Fan, Wensheng Qiao, Li Wang, Yang Liu and Xueke Ding. An iterative direction finding algorithm with ultra-small apertures. ICIC International. Volume 14, Number 1. pp.227-241. February 2018.