Оценка разности времени прихода сигналов в космических многопозиционных разностно-дальномерных системах радиомониторинга при многолучевом распространении радиоволн тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.14, кандидат наук Миронов Михаил Владимирович

• Миронов Михаил Владимирович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Миронов Михаил Владимирович

1.1.1 Системы спутниковой связи

1.1.2 Радиолокационные средства

1.2 Анализ факторов, определяющих погрешности измерения

параметров сигналов

1.2.1 Разностно-дальномерный метод оценки координат

1.2.2 Погрешности измерения времени прихода сигнала

1.2.3 Влияние тропосферы

1.2.4 Влияние ионосферы

1.2.5 Шумы приемников

1.2.6 Рельеф местности

1.2.7 Результирующая погрешность измерения времени прихода

сигнала

1.3 Выводы

2 РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЦЕНКИ РАЗНОСТИ ВРЕМЕНИ ПРИХОДА СИГНАЛОВ

2.1 Математическая модель сигналов ИРИ

2.2 Математическая модель канала РРВ

2.2.1 Учёт отражений от неровностей подстилающей поверхности

2.2.2 Учёт отражений радиоволн от одиночных объектов

2.2.3 Модель принимаемого сигнала

2.3 Обзор методов определения разности времени прихода сигналов при многолучевом распространении

2.3.1 Метод максимального правдоподобия

2.3.2 Пороговый метод

2.3.3 Адаптивный пороговый метод

2.3.4 Инверсный корреляционный метод

2.3.5 Методы сверхразрешения

2.4 Разработка метода оценки разности времени прихода сигналов в условиях многолучевости

2.5 Выводы

3 АНАЛИЗ РАЗРАБОТАННОГО МЕТОДА ОЦЕНКИ РАЗНОСТИ ВРЕМЕНИ ПРИХОДА

3.1 Метод выбора порогового уровня для оценки длительности импульсной характеристики

3.2 Статистические характеристики погрешности оценки разности времени прихода сигналов

3.3 Влияние эффекта Доплера на характеристики разработанного

метода

3.4 Выводы

4 ПРОВЕРКА РАЗРАБОТАННОГО МЕТОДА ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ

4.1 Инверсный метод проведения экспериментальных исследований с использованием сигналов спутниковых навигационных систем

4.2 Описание аппаратуры для экспериментальных исследований

4.3 Описание трасс РРВ, на которых проводились эксперименты

4.4 Экспериментальная оценка повышения точности оценки

разности времени прихода сигналов

4.5 Выводы

Заключение

Список литературы Приложение А

121

Введение

Актуальность темы исследования. Современную жизнь невозможно представить без использования различных радиоэлектронных средств: радиорелейной, сотовой и спутниковой связи; теле- и радиовещания; радиолокационных и радионавигационных систем различного назначения и т.п. Задачей радиомониторинга является контроль функционирования радиоэлектронных средств, получение информации о работающих средствах в определённой местности, определение их типа и основных характеристик. Радиотехническая разведка (как подвид радиомониторинга) является одним из эффективных способов обеспечения боевой деятельности войск в случаях военных конфликтов и позволяет выявлять расположение наземных источников радиоизлучения (ИРИ) по их собственному излучению [1, 2]. Поэтому создание и улучшение тактико-технических характеристик систем радиомониторинга является актуальной задачей.

Под наземными источниками в настоящей диссертации подразумеваются излучающие радиосредства различного назначения, находящиеся на поверхности суши, моря или в воздушном пространстве над поверхностью Земли. В зависимости от назначения, основными видами наземных ИРИ являются средства радиосвязи и радиолокационные системы. По способу базирования все существующие источники излучения можно разделить на подвижные и стационарные. Для систем мониторинга наибольший интерес представляют подвижные источники, так как координаты стационарных источников известны и интереса в плане разведки не представляют. Поэтому из обозначенных выше источников рассмотрим системы спутниковой связи (ССС) и радиолокационные станции (РЛС), которые устанавливаются на подвижные объекты (подвижные сухопутные объекты, военные и гражданские самолеты и корабли и т.д.).

Современное состояние. Наиболее перспективными системами радиомониторинга являются космические системы, поскольку они обладают рядом преимуществ: высокой оперативностью, глобальным характером обзора и отсутствием недоступных для мониторинга участков земной поверхности. Решению задачи оценки координат ИРИ с помощью космических систем радиомониторинга по-

священо не так много работ ввиду специфики данной тематики, в открытой печати можно ознакомиться с работами Ю.П. Акулиничева, В.И. Тисленко, Г.С. Ша-рыгина, А.А. Савина, Л.Л. Гусевой, А.Ф. Котова и др. [3 -10].

В космических системах радиомониторинга возможно применение различных методов местоопределения ИРИ. Анализ доступной научно-технической литературы показал, что данных о таких системах крайне мало, примерами таких систем являются французские ESSAIM и ELISA (Electronic Intelligence by SAtellite - радиотехническая разведка с помощью спутников) [11, 12]. В Российской Федерации подобные системы находятся на стадии проектирования [13, 14, 15]. Автором диссертации совместно с научным руководителем и сотрудниками научной группы при выполнении НИР «Концепция перспективных пассивных космических систем радиомониторинга наземных источников излучения» в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (гос. контракт № 02.740.11.0183) была предложена структура космической системы радиомониторинга [16-19].

Рассмотренные системы являются многопозиционными и состоят из группировок малых космических аппаратов (МКА), находящихся на низких круговых орбитах. Для оценки координат ИРИ в многопозиционных системах наиболее часто применяется разностно-дальномерный метод (РДМ), который основан на вычислении разности времени прихода сигналов ИРИ в разнесенные приемные пункты системы.

Направленные антенны наземных и корабельных РЛС ориентированы, как правило, вдоль земной поверхности. Поэтому система космического радиомониторинга в большинстве случаев предполагает прием прямого сигнала, излученного по боковому лепестку диаграммы направленности (ДН) антенн наземных источников. При этом главный лепесток ДН антенны ИРИ направлен вдоль земной поверхности, что вызывает многочисленные отражения от элементов местности и местных предметов. Отраженные сигналы складываются в приемной антенне с прямым, что приводит к искажениям формы сигнала, и, соответственно, к увеличению погрешности оценки разности времени прихода сигналов.

Вследствие временной и пространственной нестационарности принимаемых сигналов модель канала распространения и учет искажений формы сигналов при анализе и синтезе систем радиомониторинга требуют специального исследования.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование метода оценки разности времени прихода сигналов наземных источников радиоизлучения в космических многопозиционных системах радиомониторинга в условиях многолучевого распространения.

Объектом исследования является многопозиционная космическая система радиомониторинга наземных источников радиоизлучения.

Предметом исследования являются погрешности определения координат ИРИ, возникающие из-за особенностей распространения радиоволн.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач.

1. Обзор параметров излучения и режимов работы основных типов ИРИ, подлежащих мониторингу.

2. Анализ факторов, определяющих погрешность измерения времени прихода сигналов и их разности в нескольких приемных пунктах.

3. Обоснование математической модели канала распространения радиоволн (РРВ) и модели сигналов ИРИ в месте расположения приемной аппаратуры с учетом отражения радиоволн от элементов местности и местных предметов.

4. Анализ существующих методов и алгоритмов оценки разности времени прихода сигналов и оценка пригодности их использования в условиях многолучевого распространения радиоволн.

5. Разработка метода оценки разности времени прихода сигналов, устойчивого к влиянию многолучевого распространения радиоволн.

6. Получение статистических характеристик погрешности оценки разности времени прихода сигналов разных типов для различных условий распространения радиоволн разработанным методом путем цифрового моделирования.

7. Проверка разработанного метода по экспериментальным данным.

Методы исследования

Поставленные задачи решены методами математического анализа и

численного моделирования, а также с помощью экспериментальных исследований.

Научная новизна проведенных исследований и полученных в работе результатов заключается в следующем.

1. Разработан метод оценки разности времени прихода сигналов, основанный на оценке длительности отклика канала распространения радиоволн и взаимно-корреляционном методе, который является устойчивым к многолучевому распространению радиоволн и не требует априорной информации об импульсной характеристике канала РРВ, форме и параметрах сигнала ИРИ.

2. Для разработанного метода получены статистические зависимости точности оценки разности времени прихода для различных значений длительности и ширины спектра сигнала в широком диапазоне вариаций параметров канала РРВ.

3. С использованием экспериментальных данных, полученных на наземных трассах, доказана работоспособность разработанного метода.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что разработанный метод позволяет повысить точность оценки разности времени прихода по сравнению с обычно применяемым корреляционным методом и может быть использован как в космических, так и в наземных многопозиционных системах радиомониторинга, что подтверждается результатами экспериментальных исследований.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Установлено, что в условиях приема бокового излучения направленных антенн типичным является преобладание сигналов, отраженных от местных предметов, что приводит к увеличению погрешности оценки разности времени прихода сигналов по положению максимума огибающей взаимной корреляционной функции, величина которой для трасс «Земля - КА» может достигать 3 микросекунд.

2. Разработанный метод, основанный на оценке длительности отклика канала распространения радиоволн в каждом приемном пункте и заключающийся

в определении временных положений крайних отсчетов огибающей взаимной корреляционной функции и прибавлении к ним (или вычитании из них) оцененных длительностей отклика канала РРВ, позволяет производить оценку разности времени прихода без знания формы и параметров излученного сигнала и канала распространения радиоволн и повысить точность оценки по сравнению с корреляционным методом.

3. Результаты обработки экспериментальных данных, полученных на наземных трассах РРВ, доказывают, что разработанный метод позволяет уменьшить среднее значение погрешности оценки разности времени прихода в 1,5.8,7 раз (в зависимости от трассы РРВ) и СКО оценки в 2,2.15,3 раз по сравнению с корреляционным методом.

Обоснованность научных положений и достоверность результатов исследования работы подтверждается согласованностью результатов теоретических исследований, имитационного моделирования и экспериментальной проверки.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы были использованы при выполнении НИР «Концепция перспективных пассивных космических систем радиомониторинга наземных источников излучения», гос. контракт № 02.740.11.0183 в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России 2009-2011 гг.», что подтверждается актом внедрения (приведен в Приложении А).

Личный вклад

Автором диссертационной работы выполнен анализ условий функционирования космических систем радиомониторинга; разработан метод оценки разности времени прихода сигналов, послуживший основой диссертации. Автор в составе научного коллектива НИИ РТС ТУСУР участвовал в проведении экспериментов в области распространения радиоволн сантиметрового диапазона на пересечённых наземных трассах. Программы имитационного моделирования и обработки экспериментальных данных разработаны лично автором. Часть опубликованных работ написана в соавторстве с научным руководителем и

сотрудниками научной группы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оценка разности времени прихода сигналов в космических многопозиционных разностно-дальномерных системах радиомониторинга при многолучевом распространении радиоволн»

Апробация работы

Основные научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях.

1. Всероссийские научно-технические конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР», г. Томск, 2010 - 2013 гг.

2. Международная конференция по СВЧ, радиолокации и системам связи «М1КО№>, г. Вильнюс, Литва, 2010 г.

3. Всероссийская научно-техническая конференция «Космическая радиолокация», г. Муром, 2010 г.

4. Научно-техническая конференция молодых специалистов ОАО «Информационные спутниковые системы» им. М.Ф. Решетнева «Разработка, производство, испытания и эксплуатация космических аппаратов и систем», посвященная 50-летию полета в космос Ю.А. Гагарина, г. Железногорск, 2011 г.

5. Международный симпозиум по СВЧ, радиолокации и дистанционному зондированию «МЕЕ8», г. Киев, Украина, 2011 г.

6. Международный симпозиум по дистанционному зондированию и наукам о Земле «ЮЛЕ^», г. Мюнхен, Германия, 2012 г.

Публикации по теме диссертации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 18 работах, из них 5 публикаций в рецензируемых журналах из перечня ВАК, 2 статьи в периодических журналах, 4 - в сборниках докладов международных конференций, 5 - в сборниках докладов всероссийских конференций, 1 коллективная монография. Получен 1 патент на изобретение.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 102 наименований, 1 приложения. Общий объем работы составляет 132 страницы, в том числе 68 рисунков и 11 таблиц.

1 АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ

РАДИОМОНИТОРИНГА НА ТРАНСАТМОСФЕРНЫХ ТРАССАХ

1.1 Анализ перспективных источников радиоизлучения, подлежащих

мониторингу

Объектами мониторинга могут являться излучающие средства различного назначения, находящиеся на поверхности суши, моря или в воздушном пространстве над поверхностью Земли. В зависимости от назначения, основными видами источников радиоизлучения являются средства радиосвязи и радиолокационные средства.

1.1.1 Системы спутниковой связи

Наиболее эффективной системой спутниковой связи в восточном полушарии является ССС INMARSAT [20]. Ее основными преимуществами являются относительная дешевизна оборудования, надежность работы, простота обслуживания, возможность быстрого оснащения аппаратурой мобильных объектов, в том числе и самолетов, возможность обеспечения связи между разнотипной аппаратурой. Кроме того, могут использоваться коммерческие ССС на базе низкоорбитальных космических аппаратов (НКА), таких как Iridium (1,5-1,7 ГГц) и Globalstar (1,9-2,5 ГГц) и ICO. В таблице 1.1 перечислены некоторые коммерческие ССС, работающие в диапазоне частот 1350-2700 МГц [20].

Таблица 1.1 - Коммерческие ССС

Наименование ССС Диапазон частот, МГц

ИНМАРСАТ 1525-1560

ИРИДИУМ 1616-1626,5

ИТАЛСАТ 1530-1559

ГЛОБАЛСТАР 1610-1625,5

ICO 1980-2010

АРАБСАТ 2600

ИНСАТ 2555-2635

INMARSAT-Р 1980-2010

Помимо коммерческих разрабатываются и совершенствуются новые специализированные ССС: NATO, DSCS, Flitsatcom, Leasat, Afsatcom, Milstar, Sicral, Scynet и др. Краткие характеристики этих систем приведены ниже.

CCC NATO предназначена для использования в странах Западной Европы, а также в значительной части районов Атлантического океана. С 1986 года в систему входили спутники третьего поколения NATO-3, два центра управления - основной и резервный. Система работает в диапазоне 8,7 ГГц в режимах цифровой передачи с временным уплотнением каналов. Используются четырехпозиционная фазовая модуляция и многостанционный доступ. Пропускная способность около 682 телефонных (32 кбит/с), 400 телеграфных каналов и около 200 среднеско-ростных каналов передачи данных. Диаметры антенн стационарных земных станций (ЗС) 12,8-14,2 м; мощность передатчиков 5 кВт; эквивалентная изотропно-излучаемая мощность (ЭИИМ) 94...95 дБВт. Мобильные станции имеют антенны диаметром 6,4 м, ЭИИМ - 86...88 дБВт.

ССС DSCS (США) является основной системой глобальной связи отдельных правительственных учреждений. Она обеспечивает связь для стационарных баз, а также мобильных абонентов стратегического и тактического звеньев управления. ССС DSCS обеспечивает потребности глобальной системы оперативного управления, военно-политического руководства США, наземных мобильных сил, а также осуществляет дипломатическую связь США и стран - союзников.

Система DSCS-3 является цифровой со скоростью передачи 2,4; 4,8; 16; 32 и 48 бит/с. Основной рабочий диапазон 8,7 ГГц. На ИСЗ дополнительно размещен ствол ДЦВ диапазона 0,4/0,2 ГГц, работающий в интересах системы Afsatcom.

Обсуждаются вопросы возможности и целесообразности развития системы в диапазоне 7... 14 ГГц, что позволит существенно повысить помехозащищенность каналов, а при необходимости - использовать спутники иных коммерческих систем в диапазоне 14/11 ГГц. Земные станции, в зависимости от диаметра антенны, делятся на большие (диаметр антенны 18,3 м), средние (12,2 м) и малые (6,1 м).

Для повышения помехозащищенности каналов используются методы псевдошумовой модуляции, аппаратура помехозащиты АЫЮЗС-28 с псевдослучайным законом перестройки частоты (ППРЧ). Уровень помехозащиты до 28 дБ при скорости передачи информации в канале 2,4 кбит/с.

Корабельными ССС сантиметрового диапазона системы DSCS являются станции AN/WSC-6 и AN/WSC-7. Станция AN/WSC-6 имеет антенну диаметром 1,2 м, добротность приемной системы 11 дБ/К и ЭИИМ 75 дБВт. Некоторые тактико-технические характеристики (ТТХ) этих ССС приведены ниже в таблице 1.2 [20]. Система спутниковой связи Flitsatcom (США) обеспечивает связь в районах от 70° с.ш. до 70° ю.ш.

Таблица 1.2 - ТТХ станций спутниковой связи DSCS

Характеристики Военные ССС Коммерческие ССС

Системы ЕШва1:сот, ББСБ ЕШва1:сот, ЫМаг, ББСБ Коммерческие ББСБ

Диапазон частот, ГГц: - передача - прием 7,9-8,4 7,25-7,75 7,9-8,4; 43,545,5 7,25-7,75; 20,2-21,2 7,9-8,4 7,25-7,75 7,9-8,4; 6; 14 7,25-7,75; 4,1

Кол-во каналов 96 До 96 До 20 -

Скорость передачи информации (кбит/с) - канальная - суммарная 0,075-2,4 0,075-2,4 до 230,4 2,4 64 2,4 до 64

Вид модуляции АМ, ЧМ, ФМ ФРМ

Мощность передатчика, кВт 8 0,5 0,25 0,5-4

Тип и размер антенны Параболоид 1,2; 2,1 м Параболоид 1,2 м Параболоид 0,195 м; 1,42 м 2,45-3,66 -БУС Параболоид 0,3 - 1,5 м

Стационарные, подвижные и корабельные станции имеют антенны диаметром 0,6 м и добротность приемных систем соответственно 9 и 10 дБ/К. Станции, размещаемые на самолетах, имеют антенны диаметром 0,5 м и добротность приемной системы 8 дБ/К. Спектральная плотность мощности ЗС - 36 Вт/Гц. Эти же станции используются в системе Milstar.

Система спутниковой связи Leasat (США) включает четыре рабочих и один резервный спутник и средства управления. Комплекс ЗС, используемый в системе Leasat, тот же, что и в системе Flitsatcom. Основные параметры спутников Leasat следующие:

• диапазоны частот: 7,25...7,5 ГГц; 7,975...8,025 ГГц;

• число каналов: 6 по 25 кГц; 5 по 5 кГц; 1 по 500 кГц;1 по 25 кГц;

• ЭИИМ: 26 дБВт для каналов с полосой 25 кГц; 16,5 дБВт для каналов с полосой 5 кГц; 28 дБВт для каналов 500 кГц;

• коэффициент усиления антенны 16 дБ для СМВ; 12.. .14 дБ для ДЦВ;

• поляризация - круговая.

Типичным пунктом связи систем является самолетная станция AN/ASC-21, обеспечивающая одновременную работу по пяти каналам, из которых два дуп-

лексных работают в полосе спутниковых каналов 500 кГц, один дуплексный - в полосе спутникового канала 5 кГц и два полудуплексных - также в полосе 5 кГц. Передатчики (пять) с выходной мощностью 100 Вт (ЗС AN/ARC-171) могут поочередно подключаться к входам усилителей с выходной мощностью 1000 Вт. Антенны станции (две передающие и одна приемопередающая) выполнены в виде плоских фазированных решеток и установлены в верхней части фюзеляжа под собственными обтекателями.

Система спутниковой связи Skynet (Великобритания) работает в диапазоне 8,7 ГГц, а с вводом спутников Skynet-IV - и в диапазоне ДЦВ (0,4/0,2 ГГц). На начальном этапе работы системы (спутник Skynet-IA) использовались мобильные и стационарные ЗС четырех типов 1, 2, 3, 4 (антенны 6,4 и 12,8 м, ЭИИМ 90... 100 дБВт). Пятый тип станций использовался на кораблях (антенна диаметром 1,83 м, мощность передатчика 5 кВт).

1.1.2 Радиолокационные средства

Широкий спектр и специфика решаемых задач привели к большому разнообразию типов РЛС.

В зависимости от решения конкретной задачи радиолокационные средства подразделяют на РЛС систем управления воздушным движением, РЛС обнаружения воздушных или наземных (надводных) целей, РЛС наведения зенитных управляемых ракет систем противовоздушной обороны (ПВО), РЛС поиска космических летательных аппаратов (КЛА) и сближения с ними, самолётные РЛС кругового или бокового обзора и т.д. [21 - 23].

В зависимости от места установки РЛС различают наземные, морские, самолётные, спутниковые РЛС и т.д.

По техническим характеристикам РЛС подразделяют: по несущей частоте (рабочему диапазону длин волн) - на РЛС метрового, дециметрового (ДМ), сантиметрового (СМ), миллиметрового (ММ) и др. диапазонов; по методам и режи-

мам работы - на РЛС импульсные и с непрерывным излучением, когерентные и с некогерентным режимом работы и т.д.

Наибольшее количество РЛС работает в диапазонах 1000-2000 МГц, 2000-4000 МГц, 4000-8000 МГц и 8000-11000 МГц. По излучаемой мощности все РЛС делятся на три группы: мощные, средней мощности и маломощные.

РЛС большой мощности имеют пиковую мощность излучения более 5 МВт, они составляют примерно 10% от общего количества РЛС. В основном, это РЛС раннего обнаружения системы контроля воздушно-космического пространства. К ним относятся:

1. РЛС систем противоракетной обороны (ПРО) крупных городов и промышленных объектов. Они образуют радиолокационный комплекс, включающий РЛС обнаружения, сопровождения и опознавания целей и РЛС наведения противоракет, работающие, главным образом, в СМ, реже в ДМ диапазонах волн. Такая многофункциональная РЛС содержит фазированную антенную решетку с несколькими сотнями передатчиков с импульсной мощностью каждого от 0,1 до 1 Вт и несколькими тысячами параметрических усилителей, установленных во входных цепях приёмников.

2. РЛС слежения за искусственными спутниками Земли (ИСЗ) и измерения их траекторий. Эти РЛС с параболическими антеннами обеспечивают в режиме слежения определение угловых координат ИСЗ с точностью порядка нескольких угловых минут при коническом сканировании и порядка 1 угловой минуты при моноимпульсном методе.

Большинство РЛС большой мощности являются стационарными и расположены в пунктах с известными координатами, поэтому не являются первоочередными объектами мониторинга.

РЛС средней мощности имеют пиковую мощность излучения от десятков кВт до единиц МВт.

Примером РЛС средней мощности могут служить РЛС самолетов дальнего радиолокационного обнаружения (ДРЛО) [21]. Аппаратура ДРЛО предназначена для обнаружения и опознавания воздушных целей в радиусе 300-700 км во всем

диапазоне высот, для обнаружения надводных объектов, обработки, передачи данных о воздушной и морской обстановке на наземные командные пункты, управления наведением своих самолетов на цели. Помимо радиолокационных станций, аппаратура самолетов ДРЛО содержит аппаратуру связи на частотах до 900 МГц, излучение которой также может быть использовано для обнаружения, определения координат и траектории полета самолетов. В таблице 1.3 приведены данные некоторых иностранных РЛС средней мощности [21 - 23].

Таблица 1.3 - Характеристики РЛС средней мощности

Типы РЛС Частота, МГц Мощность, кВт Длительность импульса, мкс Ширина ДН, а/ р, град.

АК/ЕР8-17, 115 175-220 5000 500-4000 0,9-4/0,9-4

АК/ЕР8-46, 79 90-450 100-1000 1-40 1..2/1..2

АК/8Р8-27, 29 150-225 190-2000 1-30,60 4/30

АК/АР8-125, 138, 139 390-460 1000 5-19 8/21

АК/ЫРО-50 390-1590 400 3,0 1,8/40

8ЯЕ-А6, ТЯ8-2101 500-1000 50-500 2-4 6,5/35

АК/БР8-80 1670-1690 50 1 -

АК/БР8-7А-С, АТСЯ-2Т 1200-1400 2000-5000 1-6 1,4/18

АК/БР8-37 1300-1450 650-750 0,1-0,5 1,2/1,3

Мк23ТА8 1260-1400 200 0,2; 3-4; 43 3,3

АК/8Р8-65 1215-1365 12 5 6/16

АК/БР8-56, 36 1200-1700 100 0,8 1,4/6,2

А8Я-803 1000-1400 18 0,8 1,4/40

АА8Я, АЯ8Я-3 1280-1350 2000 1-5 1,7/34

АК/МРО-18,31 2200-2300 10-750 0,25-0,9 2,5/2,5

АК-БР8-89, 90 2700-3540 200-5000 1-4 3,2/0,9

АК/СР8-4, АК/МР8- 2700-3200 1000 0,5-2 3,2/0,9

14

AN/CPS-6B, AN/MPS-23, AN/TPS-27 2700-3200 500-5000 1-4 0,S5/6,0

AN/SPS-4S,52 2S60-31S0 16-2400 0,2-27 1,1/2,3

RAMPART 2700-2900 250-1000 0,5-1,0 -

AN/SPN-43 3590-3700 S50 0,25; 0,6 1,5/45

AN/APY-1,2 3175-3425 900 0,5-1,5; 15-30; S0-S4 1/5,5

AN/TPQ-37, 3S 2700-3500 200-1000 0,5-2 -

AN/FPQ-10, AN/MPS-25, 36 5400-6900 250-1000 0,25-24 0,5/5,0

AN/TPQ-1S 4000-5900 100-3000 0,25-1,0 1,4/1,4

ALKOR, AN/FSS-7 5400-5900 4000 10 0,33/0,33

AN/FPS-26 5400-6600 150-5000 0,3-0,5 2,3/-

APTIOS, FRESCAN 5300-5900 500-3000 2,5 0,9/0,9

AN/MPS-16, AN/TPS-37, 40 5250-6600 200-1000 0,5-2 1,6/2,S

AN/MPQ-46 ELDORADO 5300-5600 750-1200 0,5-S0 1,2/1,2

AN/FPS-6S 5450-5650 250-350 0,5; 2,0 2/25

AN/SPS-10,67 53S0-5SS0 2S5-500 0,1-3 1,5/16

AN/SPG-49, 51, 55, 56 5400-5900 30-3000 0,1-3 1,6/1,6

AN/FPS-4, TRS-2300 10000-11000 3000 2,25 2/25

AN/TPS-100, 106 9000-9400 200-300 0,5-2 2/0,S

AFR-150 S500-9600 50-1500 0,5-0,S 2,5/2,5

AN/TPW-25 10000 250 0,5-2,3 1,4/0,75

AN/FPN-62 S200-10000 40 0,1-1 0,5/2,2

AN/TPN-1S 9000-10000 50-200 0,25-0,5 0,S/4

К^-40 9200-10000 20-250 0,1-5 7/7

АК/АРО-65 9000-9800 10-15 0,25-2; 10-50 2,8/2,8

АК/8РК-35, 42 9000-9400 200 0,2; 0,8 1,1/3,5

АК/ВР8-15, 6 8000-10000 50-350 0,1; 0,5 3/13

АК/АРО-156 12000-18000 60 0,2-30 1/40

АК/8РК-46 33000-33400 50 0,2 0,57/0,57

Группу РЛС малой мощности составляют маломощные (от единиц Вт до единиц кВт) РЛС. К ним относятся сухопутные РЛС управления огнем, обзорные и трассовые РЛС аэродромного обеспечения, РЛС опознавания самолетов, некоторые навигационные РЛС.

РЛС малой мощности, как правило, имеют сложные сигналы и сигналы с изменяющимися параметрами, что требует для их обнаружения и идентификации использования поимпульсной обработки в широком частотном канале (до 500 МГц). Примеры характеристик РЛС малой мощности даны в таблице 1.4.

Таблица 1.4 - Характеристики РЛС малой мощности

Некоторые типы РЛС Частота, МГц Мощность, кВт Длительность импульса, мкс Ширина ДН, а/р, град.

АК/АРХ-72,76, М8Я-4400/5 1000-1040 1,5-5 0,8-0,9 -

8САОАТО-М 10000-10250 1,7-5,0 0,2-3 1,7/35

Мк95 10000-10250 2 Непр. излучение -

АК/8РО-62, АК/АРО-73 8500-12000 2-10 Непр. излучение -

АК/8РК-41 15400-15700 2 0,22; 0,38 2/2

1.2 Анализ факторов, определяющих погрешности измерения

параметров сигналов

1.2.1 Разностно-дальномерный метод оценки координат

Общая теория методов пассивного определения местоположения (координат) и параметров движения излучающих объектов применительно к задачам радионавигации, радиолокации, радиоуправления достаточно полно представлена в современной специальной литературе [24 - 27].

Все рассматриваемые методы определения координат сводятся к нахождению на заданной поверхности или в пространстве точек пересечения линий (или поверхностей) положения (ЛП), вид которых зависит от применяемого метода и измеряемых навигационных величин. Линии или поверхности положения являются геометрическим местом точек для измеренных значений навигационных величин. В качестве одной из поверхностей положения может быть использована поверхность Земли, аппроксимируемая различными моделями геоида.

Разностно-дальномерный метод, реализуемый в многопозиционных системах местоопределения, требует одновременной регистрации сигнала от источника радиоизлучения сразу в нескольких приемных пунктах системы. В зависимости от задач, решаемых такой системой, минимальное число спутников, которые должны зафиксировать сигнал, составляет от трех до четырех. Данное требование обусловливает применение антенн с широкой диаграммой направленности (с малым коэффициентом усиления). Использование антенн с широкой ДН является достоинством системы, поскольку они могут быть достаточно простыми, что позволяет уменьшить габариты аппаратуры. Уменьшение уровня сигнала при использовании слабонаправленных антенн можно компенсировать за счет размещения КА системы на более низких орбитах. Реализация РДМ требует наличия шкалы единого времени во всех пунктах системы и точной привязки их координат, что может быть обеспечено системой спутниковой радионавигации ГЛОНАСС.

В работах [28-30] приведены результаты моделирования разностно-дальномерного метода оценки координат для нескольких вариантов группировки МКА, полученные автором диссертационной работы.

Погрешность оценки координат ах ИРИ разностно-дальномерным методом определяется следующим образом [27, 31]:

N

I (о,) "2

а2 = „"'■„„ (1.1)

N-' N

II

N-' N Бт2(0г -0*)

_2 2

,='к=г+' а, -ак

где 0г - угол, характеризующий касательную к /-ой линии положения; аг - сред-неквадратическое отклонение линии положения, соответствующей измеряемому параметру (погрешность определения линии положения); N - количество баз в системе (под базой понимается расстояние между приемными пунктами).

Под погрешностью определения линии положения будем понимать расстояние между истинной и оцененной линией положения в заданной точке, выражение для которой имеет вид [31]:

а = саАт (12)

1 2Б1П у/2'

где аДх - СКО оценки разности времени прихода сигнала в два приемных пункта, у - угол, под которым видна база из точки расположения ИРИ, с - скорость распространения радиоволны.

СКО оценки разности времени прихода сигнала аДх можно выразить через СКО измерения времени прихода сигнала ах в каждый из двух приемных пунктов:

Г , л л-'

а

1 1

+ ■

«■2 _2

Чах' а,2 У

(1.3)

1.2.2 Погрешности измерения времени прихода сигнала

Для СКО оценки времени прихода сигнала при некоррелированных факторах, которые являются причиной появления вариаций оценки, справедливо соотношение [7]:

где ахг - среднеквадратическая ошибка, вызванная г-тым источником погрешности, N - количество источников.

Время прихода сигнала измеряется с погрешностью по следующим причинам:

а) флуктуации положения сигнала на временной оси из-за особенностей распространения радиоволн (вариации скорости распространения вдоль трассы, флуктуации коэффициента преломления атмосферы, влияние собственных шумов приемников);

б) искажения формы принимаемых сигналов, которые возникают, например, при многолучевом характере распространения радиоволн;

в) погрешности синхронизации, обусловленные расхождением временных шкал в разных приемных пунктах системы.

Рассмотрим влияние каждого фактора на погрешность оценки времени прихода.

Флуктуации диэлектрической проницаемости воздуха, поглощение в газах и рассеяние энергии на гидрометеорах оказывают основное влияние на распространение волн в тропосфере. Считают, что при распространении волн частотой менее 10 ГГц дисперсией и поглощением в газах можно пренебречь [32 - 34].

(1.4)

1.2.3 Влияние тропосферы

Вследствие неоднородности диэлектрической проницаемости среды происходит изменение групповой скорости распространения сигнала с = с0 / п(к), (с0 -скорость распространения света в вакууме; п(к) - коэффициент преломления тропосферы на высоте И над поверхностью Земли, п(к) >1), которая становится отличной от скорости света в вакууме.

Тропосферная погрешность измерения времени прихода сигнала при углах места Р> 5° определяется следующим образом [34]:

1

^(Р) = Ап(к) = п(к) -1. (1.5)

Среднее значение тропосферной погрешности может быть скомпенсировано с помощью расчетных поправок. Если рассчитать поправки для средних параметров тропосферы, то их погрешность а не превышает 10 % от величины поправки атр(р).

Значение показателя преломления определяется метеопараметрами: температурой, атмосферным давлением и давлением водяного пара (влажностью). Поскольку метеопараметры изменяются случайным образом в пространстве и во времени, то показатель преломления также является случайным. Показатель преломления в тропосфере определяется тремя составляющими: регулярной, которая определяется средними значениями метеопараметров; крупномасштабными неод-нородностями, в том числе неоднородностями в виде протяженных в горизонтальном направлении слоев; мелкомасштабными неоднородностями, свойства которых могут быть описаны с помощью однородной изотропной модели турбулентности.

Регулярная составляющая показателя преломления характеризуется явно выраженной зависимостью от высоты над поверхностью Земли. Наиболее часто

используется экспоненциальная модель для среднего профиля [33]:

- к

п(Н) = 1 +10-6 • , (1.6)

где N - индекс преломления у поверхности Земли, И - высота точки приема, й -характерный масштаб изменения индекса преломления.

До высоты 1 км экспоненциальная модель хорошо аппроксимируется линейной функцией. Среднее за год значение индекса преломления N может изменяться от 240 ^единиц в условиях сухого климата и до 400 ^единиц в условиях повышенной влажности (тропики и субтропики). Изменения значения индекса преломления в течение дня летом составляют в среднем до 20 ^единиц, зимой -до 5 ^единиц. Среднемесячные значения индекса преломления N в средних широтах могут изменяться на 30-60 N -единиц в течение года.

Прогнозирование изменения индекса преломления в горизонтальных слоях затруднено. В среднем индекс преломления изменяется незначительно (менее 0,1-0,5 N -единиц/100 м). На сухопутных трассах, проходящих над пересеченной местностью (холмы, лес, участки водной поверхности и т.п.), возможны изменения индекса преломления до 2 N -единиц/100 м. Изменения индекса преломления наиболее выражены при резкой смене метеоусловий, в частности, при прохождении фронтов. Погрешность измерения времени запаздывания сигнала за счет горизонтальных неоднородностей составляет несколько наносекунд.

Значения погрешности а для различных углов Р, рассчитанные по формулам (1.5) и (1.6) для средних значений N =300 и ё=8 км, приведены в таблице 1.5.

Таблица 1.5 - Тропосферная составляющая погрешности измерения времени прихода сигнала

Р, град 90 10 5

а , нс хтр ? 3,3 19,2 33,9

Однородная изотропная модель турбулентности позволяет оценить влияние мелкомасштабных неоднородностей. В [34] приведено выражение для дисперсии фазового пути в тропосфере:

а\ = 0,065 • СЕ2 • В • , (1.7)

где С\ - структурная характеристика показателя преломления, В - длина трассы распространения, - масштаб неоднородности.

Структурная характеристика С82 в тропосфере может достигать величины □ 10-13 см-23, внешний масштаб неоднородности - порядка 1 км. Протяженность трассы распространения В в тропосфере редко превышает 100 км. При таких значениях получаем увеличение фазового пути на величину а ~ 15 см. Для рассматриваемой системы можно пренебречь флуктуациями протяженности трассы, обусловленными влиянием мелкомасштабных неоднородностей тропосферы.

Многолучевой характер формирования поля в месте приема, характерный для тропосферного канала РРВ, является причиной частотно-селективных замираний, наблюдаемых в том случае, когда задержка между прямым и отраженным сигналами больше величины, обратной ширине спектра сигнала. Влияние замираний на искажения формы сигнала возрастает по мере увеличения отношения ширины спектра сигнала к интервалу частотной корреляции передаточной характеристики канала РРВ. При частотно-селективных замираниях групповой путь теряет смысл, так как одновременно имеется несколько путей распространения сигнала.

1.2.4 Влияние ионосферы

Ионосфера Земли начинается с высоты 100 км, на высотах 300.400 км электронная концентрация в ионосфере достигает максимального значения, далее с увеличением высоты значение концентрации уменьшается по экспоненциальному закону и на высоте 900 км составляет приблизительно 10% от максимального значения [33, 36].

Групповая скорость сигнала в ионосфере определяется коэффициентом преломления на высоте И над поверхностью Земли п(к): с = с0 • п(к), где с0 - ско-

рость света в вакууме, п(к) <1. Коэффициент преломления в ионосфере п(к) зависит от частоты сигнала и при значениях />100 МГц определяется приближенным соотношением:

Ап(к) * 1 - п(к) = 40,3 • Ы(к)//2, (1.8)

где N (к) - электронная концентрация ионосферы на высоте к (в эл/см3); /- несущая частота сигнала (в кГц).

Ионосферная погрешность оценки времени прихода сигнала при распространении сигнала от наземного объекта до зенитного космического аппарата оценивается следующим образом [36]:

1

ион (Р) = - {Мк^к, Ап(к) = 1 - п(к). (1.9)

С 0

Вертикальный профиль величины Ап(к) зависит от высоты и может быть представлен в виде:

- при к < к = -00 км, Ап(к) = 0;

- при к < к < к = 300 км Ап(к) линейно возрастает до Апт, где Апт -максимальное значение Ап(к);

- при к < к < к = 400 км Ап(к) остается постоянным и равным Апт;

- при к < к = 400 км Ап(к)=Апт • ехр(-(к - к )/ а), где а =200 км.

Используя данную аппроксимацию для Ап(к), формулу для оценки ионосферной погрешности измерения времени распространения сигнала до зенитного КА представим в виде:

ст'хион = -ЬэАпт, Ьэ = 0,5(к - к) + (к - к) + а = 400 км. (1.10)

ион с э т э

Параметр Ьэ можно назвать толщиной эквивалентной ионосферы, у которой Ап(к)=Апт на высотах к = 200...600км и вне этих высот Ап(к) =0.

Ионосферная погрешность стхион горизонтного КА определяется следующим образом [33]:

<ион = ¿»он/С08(У), у) = ^3 ^3 + к3 ) , (1.11)

где у - угол между радиолучом от горизонтного КА и местной вертикалью на высоте И3 =400 км (середина эквивалентной ионосферы); Я3 - радиус Земли.

В результате вычислений получим значение у =73° и соответственно

а1он = 3,3 • а'шон . Для пригоризонтного КА можно считать, что а"шон = 3 • а'шон .

Рассчитаем погрешность измерения времени прихода сигнала для несущих частот:/=1000 МГц, / =3000 МГц,/=10000 МГц по формулам (1.10) и (1.11). В средних широтах в зимний день в годы максимальной солнечной активности максимальная электронная концентрация на высотах 300...400 км может достигать N = 3 • 106 эл/см3. Расчетные данные приведены в таблице 1.7.

Таблица 1.7 - Ионосферная составляющая погрешности измерения времени прихода сигнала

Частота, МГц а' , нс хион ? а" , нс хион ?

1000 101,2 303,6

3000 13,9 41,7

10000 1,6 4,8

Ночью и летом ионосферная погрешность будет в несколько раз меньше. В годы минимальной солнечной активности эта погрешность даже в зимний день в 5...6 раз меньше приведенных в таблице 1.7 максимальных значений.

1.2.5 Шумы приемников

Известно, что потенциальная точность оценки времени прихода зависит от ширины спектра сигнала и отношения энергии сигнала к спектральной плотности мощности шума. В работе [7] Ю.П. Акулиничевым на основании неравенства Рао-Крамера получено выражение для дисперсии оценки разности времени прихода сигналов в два приемных пункта:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Миронов Михаил Владимирович, 2015 год

- -

1

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Длительность сигнала, не

Рисунок 3.5 - Зависимость порога для оценки длительности огибающих АКФ и

ВКФ от длительности сигнала

4 6 8 10 12 Ширина спектра, МГц

Рисунок 3.6 - Зависимость порога для оценки длительности огибающих АКФ и

ВКФ от ширины спектра сигнала (длительность сигнала 1 мкс)

На рисунках 3.7 и 3.8 приведены результаты расчетов в виде среднего значения погрешности и СКО оценки разности времени прихода в зависимости от отношения сигнал/шум, полученные для модели радиоимпульсного сигнала длительностью 100 нс при отношении мощности последнего отраженного сигнала к мощности прямого равном 4 дБ. На рисунке 3.8 также приведены точностные характеристики классического корреляционного метода и потенциально достижимая точность оценки, вычисленная по выражению (1.12).

Выражение (1.12) получено при условии гауссового характера принимаемых сигналов и отсутствии многолучевого распространения радиоволн и определяет дисперсию оценки, обусловленную флуктуациями временного положения единственного максимума огибающей взаимной корреляционной функции. Поскольку разработанный автором метод позволяет среди нескольких максимумов огибающей взаимной корреляционной функции указать на максимум, соответствующий истинной разности времени прихода, то погрешность разработанного метода можно сравнивать с дисперсией, рассчитанной по выражению (1.12).

2000 г

п

о

я а

о И

8 н о о

И 0

0)

о в

и

к д

«и

Д

со

и -л

м | | &

и ©

I 1500 о

X &

К

8 юоо

О) Рн га

В

о о И

500

0

■ Корреляционный Предложенный

0

4 6 8 10 12 Отношение сигнал/шум, дБ

14

Рисунок 3.7 - Зависимость среднего значения погрешности оценки от отношения сигнал/шум (модель импульсного сигнала длительностью 100 нс)

£ 500

«ч

Л

ч:

0

р, 400

в

к к

<а

1 300 а

га

|

§ 200 а

5 юо

сг о

О «

О

о

-Корреляционный

..........Предложенный

- - - Потенциальная точность

................

0

14

2 4 6 8 10 12 Отношение сигнал/шум, дБ

Рисунок 3.8 - Зависимость СКО оценки от отношения сигнал/шум (модель импульсного сигнала длительностью 100 нс)

Аналогичные результаты, полученные для сигналов длительностью 250, 500 и 1000 нс для отношения мощности последнего отраженного сигнала к мощности прямого равном 4 дБ, приведены на рисунках 3.9, 3.10 соответственно. По представленным на рисунке 3.9 зависимостям видно, что при увеличении длительности сигнала увеличивается среднее значение погрешности оценки разности времени прихода сигналов. С увеличением длительности сигнала ухудшается разрешающая способность по дальности и происходит расширение отсчетов огибающей корреляционной функции, таким образом два близко расположенных отсчета могут объединиться в один, максимум которого будет сдвинут по времени относительно истинного значения.

к и к и

а о

к н о о к Э

и

о И и К И и

г

к

со

<а и

И

«

и

Он

и

250

™200 са

о

XI

к

§150 к

И (и

о

&Ю0

е

о о м

а 50

Он

о

ч

ч

ч

ч

ч

ч

ч

ч

ч

о

8

10

12

14

Отношение сигнал/шум, дБ

Рисунок 3.9 - Зависимость среднего значения погрешности оценки от отношения сигнал/шум для разных длительностей сигнала

8 1200 ев

ч:

I 1000

к к

а и я

в н о о к

Рн

К И

к

& 200 о

О «

О

800

600

400

0

-100 не

- 250 не .......... 500 не

---1 МКС

0

4 6 8 10 Отношение сигнал/шум, дБ

12

14

Рисунок 3.10 - Зависимость СКО оценки от отношения сигнал/шум для разных

длительностей сигнала

Результаты расчетов для модели импульсного сигнала длительностью 100 нс, полученные в диапазоне отношений мощности последнего отраженного сигнала к мощности прямого при отношении сигнал/шум равном 10 дБ, представлены на рисунках 3.11, 3.12. Из результатов расчета следует, что при определенном значении отношения мощности последнего отраженного сигнала к мощности прямого (2.4 дБ) происходит значительное увеличение погрешности оценки разности времени прихода корреляционным методом. Мощность последнего отраженного сигнала превышает мощности как прямого, так и других отраженных сигналов, поэтому максимальный отсчет огибающей взаимной корреляционной функции обусловлен именно последними отраженными сигналами в каждом канале, что приводит к увеличению погрешности. Предложенный автором диссертации метод лишен данного недостатка.

Отношение мощности последнего отр. сигнала к прямому, дБ Рисунок 3.11 - Зависимость среднего значения погрешности оценки от отношения мощности последнего отраженного сигнала к мощности прямого

ё 600

к?

ч:

| 500

к и

о о

Он

я

е

о о и

400

300

§ 200

& 100 о

О

и

о

-Корреляционный

..........Предложенный

---Потенциальная точность

-4 -2 0 2 4 6 8

Отношение мощности последнего отр. сигнала к прямому, дБ

Рисунок 3.12 - Зависимость СКО оценки от отношения мощности последнего от-

Результаты моделирования, полученные для сигналов длительностью 250, 500 и 1000 нс при отношении сигнал/шум равном 10 дБ, приведены на рисунках 3.13, 3.14 соответственно.

Аналогичные результаты, полученные для модели сигнала с внутриимпуль-сной модуляцией (параметры сигнала см. в таблице 3.1), приведены на рисунках 3.15 - 3.18. С увеличением ширины спектра сигнала повышается точность оценки разности времени прихода.

N

N

\

\

N

\

-100 НС

- 250 нс .......... 500 нс

---1 МКС

\

\

\

\

\

ч.

\

\

%

350

в

& о 300 о я

Ё * § §250

В I

0 я в ®

я S 150

В & и

V В

5 о юо §

flj ®

6 |

1 а 50

и &

0

-4 -2 0 2 4 6 8 Отношение мощности последнего отр. сигнала к прямому, дБ

Рисунок 3.13 - Зависимость среднего значения погрешности оценки от отношения мощности последнего отраженного сигнала к мощности прямого для разных длительностей сигнала

N

--------

--------

а юоо

<й

О

X

к &

к к

о 2 и

я

к н о о к

а

и

4)

Я о

О «

и

800

600

400

200

0

-100 не

- 250 не .......... 500 не

---1 МКС

—

-4 -2 0 2 4 6 8

Отношение мощности последнего отр. сигнала к прямому, дБ

Рисунок 3.14 - Зависимость СКО оценки от отношения мощности последнего отраженного сигнала к мощности прямого для разных длительностей сигнала

о о

а Э

и

о я

о К И о

г

я

со

И

«и

Рн

и

250

и

и Я О

§ «»

1200

о

X 8

& 150

к я

и о

& 100

е

о о

и Э

а а

50

0

-1 МГц

- 2,5 МГц

..........5 МГц

---7,5 МГц

- е - 10 МГц

- е - 15 МГц

[ь — _ о - _

----в -

-о---е -

— в- _

~~ —в-

~ е----о-

0

4 6 8 10 Отношение сигнал/шум, дБ

12

14

Рисунок 3.15 - Зависимость среднего значения погрешности оценки от отношения сигнал/шум для разных значений ширины спектра сигнала

Рисунок 3.16 - Зависимость СКО оценки от отношения сигнал/шум для разных

значений ширины спектра сигнала

Отношение мощности последнего отр. сигнала к прямому, дБ Рисунок 3.17 - Зависимость среднего значения погрешности оценки от мощности последнего отраженного сигнала к мощности прямого для разных значений ширины спектра сигнала

Отношение мощности последнего отр. сигнала к прямому, дБ Рисунок 3.18 - Зависимость СКО оценки от отношения мощности последнего отраженного сигнала к мощности прямого для разных значений ширины спектра

сигнала

3.3 Влияние эффекта Доплера на характеристики разработанного

метода

При частоте f излученного ИРИ узкополосного сигнала частоты сигналов в пунктах приема /01 и /02 имеют различные значения вследствие различных по направлению векторов R и R 2 и различных по модулю и направлению векторов скорости движения KAi и КА2. Разность доплеровских сдвигов частот можно вычислить как:

AF, = /01 - /02 = R - R = AR , (3.13)

где Л - длина волны, AR - разница радиальных скоростей движения двух КА.

В работах [7, 72] показано, что для космических аппаратов, расположенных на орбитах высотой 1200. 1500 км при расстоянии между КА 50 км, разность до-

плеровских частот составляет 20.. .30 кГц при частоте излученного сигнала ИРИ 1 ГГц.

Для оценки влияния эффекта Доплера на точностные характеристики разработанного метода при моделировании спектр одного из сигналов был сдвинут на величину, равную разности доплеровских частот в двух пунктах. На рисунке 3.19 приведены результаты моделирования в виде зависимости СКО оценки разности времени прихода корреляционным и предложенным методами для модели импульсного сигнала длительностью 1000 нс. Результаты получены по 1000 реализаций, для каждой из которых частота Доплера была задана в виде случайного числа, распределенного по нормальному закону, со средним значением 30 кГц и дисперсией 5 кГц соответственно.

ё 1600

ей

0

й 1400 &

Я И

1 1200 &

I

I 1000

Он

I 800

Я о

О И

и 600

о

Корреляционный (с учетом частоты Доплера) Предложенный (с учетом частоты Доплера)

к... с ч

с

" < 5 О о

14

2 4 6 8 10 12 Отношение сигнал/шум, дБ

Рисунок 3.19 - Зависимость СКО оценки от отношения сигнал/шум (модель импульсного сигнала длительностью 1000 нс)

Как следует из полученных результатов, разность доплеровских частот приводит к увеличению погрешности оценки классическим корреляционным мето-

дом и не оказывает влияние на точность оценки разработанным методом. Объясняется это тем, что частота Доплера обуславливает дополнительный фазовый сдвиг в одном из сигналов, что нарушает условие синфазности при корреляционной обработке, приводит к искажению огибающей взаимной корреляционной функции сигналов и изменению положения ее максимума. Пример такой ситуации приведен на рисунке 3.20. Максимум огибающей ВКФ сигналов с учетом до-плеровской частоты (штрих-пунктирная линия) сдвинут относительно максимума огибающей истинной ВКФ (сплошная линия).

Время, мкс

Рисунок 3.20 - Изменение временного положения максимума огибающей взаимной корреляционной функции сигналов

Как видно из рисунка 3.20 частота Доплера не приводит к изменению длительности огибающей взаимной корреляционной функции и временных положений ее отсчетов, по которым производится оценка разности времени прихода предложенным методом. В таблице 3.2 приведены результаты расчетов СКО оценки разности времени прихода корреляционным и предложенным методами

для сигналов разной длительности при отношении сигнал/шум равном 6 дБ. Результаты расчетов, приведенные в таблице 3.2, демонстрируют устойчивость разработанного метода к влиянию эффекта Доплера.

Таблица 3.2 - СКО оценки разности времени прихода при влиянии частоты Доплера

Длительность сигнала, нс Корреляционный Предложенный

Без учета эффекта Доплера С учетом эффекта Доплера Без учета эффекта Доплера С учетом эффекта Доплера

100 409 нс 411 нс 97 нс 98 нс

250 794 нс 810 нс 176 нс 181 нс

500 902 нс 940 нс 458 нс 466 нс

1000 1263 нс 1497 нс 795 нс 802 нс

3.4 Выводы

1. Предложен метод расчета порогового уровня, необходимого для определения длительности огибающей корреляционной функции и оценки разности времени прихода сигналов. Получены зависимости пороговых уровней от длительности и ширины спектра сигнала в широком диапазоне вариаций параметров канала РРВ.

2. По результатам моделирования показано, что оценка разности времени прихода, полученная по временному положению максимума огибающей взаимной корреляционной функции, является смещенной и имеет большое СКО. Предложенный метод оценки искомой разности позволяет получать точности, близкие к потенциально достижимым.

3. При определенных значениях отношения мощности последнего отраженного сигнала к мощности прямого происходит значительное увеличение погрешности оценки разности времени прихода корреляционным методом, обусловленное тем, что последний отраженный сигнал становится самым мощным и превышает как прямой, так и все другие отраженные сигналы. Предложенный метод лишен данного недостатка.

4. Показано, что разность частот Доплера сигналов, принимаемых в двух пунктах системы, не приводит к изменению длительности огибающей взаимной корреляционной функции и временных положений ее отсчетов и не влияет на точность оценки разности времени прихода предложенным методом.

5. Путем имитационного моделирования получены статистические зависимости точности оценки разности времени прихода для различных значений длительности и ширины спектра сигналов в широком диапазоне вариаций параметров канала РРВ.

4 ПРОВЕРКА РАЗРАБОТАННОГО МЕТОДА ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ

4.1 Инверсный метод проведения экспериментальных исследований с использованием сигналов спутниковых навигационных систем

Поскольку провести натурный эксперимент по регистрации сигналов наземного источника радиоизлучения приемниками космического базирования не представляется возможным, автором работы совместно с научным руководителем было предложено провести инверсный эксперимент по приему сигналов спутниковой навигационной системы GPS [47, 97, 98]. Инверсия заключается в замене места расположения передающей (спутники системы GPS) и приемной аппаратуры, находящейся на земной поверхности.

В качестве регистрирующей аппаратуры используются платы SiGe GN3S Sampler v3 [99], которые состоят из радиочастотного тракта и аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с максимальной частотой дискретизации 16,368 МГц. В англоязычной литературе подобные устройства называются front-end. Зарегистрированные приемником данные в цифровом двоичном виде поступают в ЭВМ посредством протокола USB. На ЭВМ реализован программный навигационный приемник, который демодулирует полученные сигналы, позволяя выделять псев-додальномерные коды видимых навигационных спутников. Эти коды являются информативными, поскольку в них содержится информация о времени прихода сигналов в каждый приемный пункт. Таким образом, в качестве принимаемых сигналов рассматриваются псевдодальномерные коды.

Сигналы видимых навигационных спутников одновременно регистрируются в двух каналах, используется две антенны (ненаправленная и направленная). В качестве ненаправленной используется микрополосковая активная антенна; направленной является параболическая зеркальная антенна диаметром 0,76 метра и фокусным расстоянием 0,29 метра. В фокусе зеркала установлена ненаправленная антенна. Направленная антенна установлена на поворотном устройстве, с по-

мощью которого можно изменять угол места (УМ) антенны и осуществлять круговое сканирование в азимутальной плоскости. Фотография направленной антенны приведена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 - Фотография направленной антенны

Были проведены экспериментальные исследования формы диаграммы направленности (ДН) используемой антенны на наземной трассе на территории полигона Научно-исследовательского института радиотехнических систем Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (НИИ РТС ТУСУР). Для экспериментального исследования направленных свойств антенны на полигоне использовался специальный участок - антенный испытательный стенд, на котором размещена деревянная мачта высотой 12 метров с площадкой для передающей аппаратуры и помещение с приемной и регистрирующей аппаратурой.

Расстояние между приемным и передающим пунктами стенда составляет 108 метров. Между ними - покрытый травой участок полигона с углублением в его середине. Перепад высот участка у приемного и передающего пунктов составляет 3,7 метра. Левая сторона участка выше правой с общим наклоном 6,8 градусов относительно горизонтальной плоскости. На расстоянии 20.30 метров справа и слева от линии приемник-передатчик растут деревья.

В качестве источника излучения использовался генератор сигналов высокой частоты Г4-83. Источник излучал радиоимпульсы длительностью 500 нс на частоте 1,575 ГГц. В качестве антенны источника излучения использовалась рупорная антенна с шириной ДН 15 градусов. На рисунке 4.2 приведена ДН параболической антенны в азимутальной плоскости, построенная по результатам измерений [100].

2-1-1-1-г

■] £_I_I_I_I_I_I_I_I_

-90 -70 -50 -30 -10 10 30 50 70 90

Азимут, град

Рисунок 4.2 - Диаграмма направленности параболической антенны

При проведении эксперимента ненаправленная антенна используется для получения опорного сигнала, параболическая же антенна может быть ориентирована как на конкретный спутник (считаем, что в этом случае канал РРВ является

однолучевым), так и вдоль земной поверхности и направлена на объекты отражения (многолучевой случай). В обоих случаях выполняется регистрация файлов. Далее обработка производится на ЭВМ: происходит поиск и обнаружение сигналов видимых спутников системы GPS, выделяются псевдодальномерные коды каждого спутника в двух приемных каналах и вычисляется их взаимная корреляционная функция.

На рисунке 4.3 приведены примеры вычисления огибающей корреляционных функций псевдодальномерных кодов спутника № 12 для однолучевого и многолучевого случаев соответственно.

а) б)

Рисунок 4.3 - Огибающие корреляционных функций псевдодальномерного кода спутника № 12 для однолучевого случая (а) и многолучевого случая (б)

Из приведенных результатов видно, что во втором случае огибающая корреляционной функции искажена в результате приема отраженных сигналов, однако поскольку разрешающая способность по дальности грубого псевдодальномерного кода составляет 600 метров, то невозможно разрешить по времени прямой и отраженные от местных объектов сигналы. Судя по виду огибающей взаимной корреляционной функции, можно предположить, что на трассе РРВ имеется, как минимум, два объекта, от которых произошли отражения. Также можно заметить, что передний фронт огибающей корреляционной функции не искажен, т.е. амплитуда прямого сигнала больше амплитуды отраженных сигналов. Объясняется это

тем, что уровень боковых лепестков ДН используемой антенны достаточно высок (минус 8... минус 10 дБ) и не типичен для таких источников излучения, как радиолокационные станции.

Для подтверждения работоспособности разработанного метода оценки разности времени прихода сигналов автором диссертации с научным руководителем было предложено использовать данные экспериментальных исследований, полученные на наземных трассах. Естественно, что наземные трассы и трассы типа «Земля - КА» отличаются характером распространения, но определяющим фактором является величина бистатической ЭПР местного объекта и подстилающей поверхности. Измерению бистатической ЭПР подстилающей поверхности посвящено не так много работ. В работе [101] приведены результаты исследований, проведенных различными авторами и организациями, и посвященных измерениям бистатической ЭПР, полученных для пересеченной местности на частоте 10 ГГц для разных углов падающих и отраженных волн, причем передатчик и приемник могли находиться в разных плоскостях как по азимуту, так и по углу места. В работе [102] приведены результаты расчетов бистатической ЭПР для разных типов поверхностей также для разных угловых положений передатчика и приемника. Результаты расчетов и измерений показывают, что средний уровень бистатиче-ской ЭПР местных предметов и подстилающей поверхности по азимуту и по углу места примерно одинаков, за исключением случаев обратного рассеяния (моностатическая ЭПР) и рассеяния вперед (бистатический угол равен 180 градусов), нетипичных для приема сигналов на КА.

В разделе 2.3 на рисунке 2.3 приведена одна из реализаций сигнала, принятого на наземной трассе [41], для случая, когда антенна ИРИ отвернута от направления на приемный пункт, а излучение ведется по боковому лепестку. При этом амплитуда прямого сигнала меньше амплитуды отраженного.

Для проведения исследований, посвященных влиянию трассы РРВ на точность разностно-дальномерных и пеленгационных систем, в НИИ РТС ТУСУР был создан цифровой радиотехнический приемно-измерительный комплекс. Аппаратура комплекса и методика проведения экспериментов непрерывно совер-

шенствуются, что сопутствует увеличению качества экспериментальных материалов, поступающих в базу данных НИИ РТС ТУСУР. Результаты экспериментов изложены в научно-технических отчетах, например, [41], а также в публикациях участников этих исследований [42, 43, 44, 45].

4.2 Описание аппаратуры для экспериментальных исследований

Комплекс аппаратуры предназначен для излучения и приема радиоимпульсных сигналов на наземных трассах протяженностью 1.40 км. Он включает в себя мобильный передающий пункт трехсантиметрового диапазона и три приемно -измерительных пункта. В данной работе используется один приемный пункт.

Антенная система приемного пункта состоит из восьми прямоугольных рупоров, образующих два двухбазовых фазовых пеленгатора расположенных один над другим. Малая база равна 18 см, а большая база - 90 см. Такая конструкция позволяет регистрировать сигналы ортогональных поляризаций. Конфигурация антенной системы и ее размеры приведены на рисунке 4.4 [42].

Сигналы с антенн подаются на вход восьмиканального приемного устройства. Отдельные каналы собраны по супергетеродинной схеме с промежуточной частотой 450 МГЦ и широкополосным аналоговым квадратурным демодулятором на выходе. Многоканальные приемники имеют общий для всех каналов гетеродин и опорный гетеродин квадратурных демодуляторов. Такая структура позволяет измерять разности фаз между сигналами, принимаемыми элементами антенной системы.

114

! 90 и 1

2

-147-

98 А

-180тт--900тт-

Вид А

3

Рисунок 4.4 - Схема антенной системы приемного пункта

182

3

5

7

43

4

6

8

34

Приемные тракты имеют высокую чувствительность и широкий динамический диапазон (100 дБ), который обеспечивается цифровой АРУ. Регулировка усиления приемного тракта производится двумя аттенюаторами в усилителе ПЧ, обеспечивающими диапазон регулирования 62 дБ, и ступенчатым аттенюатором в тракте СВЧ, снижающим усиление на 25 и 50 дБ. Управление аттенюаторами производится ЭВМ после оценки уровня принятого сигнала по данным очередного зарегистрированного кадра.

Видеосигналы квадратурных компонент с выходов приемников поступают на входы многоканальных быстродействующих 8-разрядных АЦП. Момент начала аналого-цифрового преобразования синхронизирован общим для всех каналов импульсным сигналом с частотой 90 МГц.

Приемно-измерительная система каждого пункта наблюдения позволяет регистрировать временные отрезки (кадры) комплексных огибающих обоих поляризационных компонент поля на выходах антенн и сохранять их в памяти ЭВМ.

Регистрацию возможно вести с периодичностью, определяемой пропускной способностью интерфейсов связи АЦП с ЭВМ и продолжительностью кадра. Длительность кадра регулируется в пределах 2 - 216 отсчетов (0,025.819,2 мкс).

Возможна регистрация не всей последовательности кадров целиком, а только их части с периодическим пропуском, что оправдано при приеме сигналов, параметры которых относительно медленно изменяются во времени. В типичном режиме работы емкость одного кадра составляет 128 отсчетов. При круговом сканировании антенны передатчика по азимуту с периодом 60 с соседние кадры регистрации соответствуют угловым положениям ее диаграммы направленности, отличающимся на 6 угловых минут. При увеличении емкости кадра, угловое расстояние между ними увеличивается.

Блок регистрации состоит из четырех четырехканальных восьмиразрядных АЦП, максимальная частота оцифровки которых составляет 90 МГц, и ПЭВМ типа IBM PC. АЦП выполнены в виде плат расширения, вставляющихся в ISA слоты компьютера. АЦП содержит быстродействующую буферную память емкостью 16 кБайт на канал.

В трассовых измерениях использовался источник импульсного излучения трехсантиметрового диапазона на базе РЛС РПК-1, которая имеет следующие паспортные характеристики [42]:

- мощность излучения в импульсе - не менее 150 кВт;

- длительность излученного импульса - 300 нс;

- диапазон частот излучения - (9000... 9600) МГц;

- период сканирования антенны РЛС по азимуту - 60 с;

- положение антенны по углу места - (минус 5.13) град;

- поляризация излучения - линейная (вращающаяся);

- ширина диаграммы направленности антенны РЛС - не более 2 градусов.

Антенная система, состоящая из параболического зеркала, гиперболического зеркала, облучателя и стеклотканевого колпака, имеет диаграмму направленности в виде узкого сигарообразного луча. РЛС размещается на автомобиле (рисунок 4.5).

Рисунок 4.5 - РЛС РПК-1 на позиции

Ось диаграммы направленности, т.е. направление максимального излучения антенны РПК-1, отклонена от геометрической оси антенны. Направление этого отклонения определяется положением облучателя относительно оси параболоида. В качестве облучателя используется открытый конец волновода, фазовый центр которого вынесен из фокального пятна параболического зеркала перпендикулярно его оси. Вращение облучателя вокруг оси параболоида приводит к изменению положения максимума диаграммы направленности и вектора линейно поляризованного сигнала. Геометрическая ось антенны пересекает диаграмму направленности на уровне 0,65. 0,8 от максимальной мощности.

В экспериментах положение облучателя относительно оптической оси устанавливалось путем поворота вручную по заранее нанесенным меткам.