Разработка и исследование помехоустойчивых алгоритмов оценивания азимута в радиотехнических системах ближней навигации при многолучевом распространении сигнала тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.14, кандидат технических наук Брем, Виктор Густавович

• Брем, Виктор Густавович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Брем, Виктор Густавович

Список используемых сокращений

Введение

1. Выбор и обоснование моделей азимутального сигнала РСБН и помех

1.1 Модель полезного сигнала

1.2 Модель мультипликативной помехи

1.3 Модель помеховых отражений от подстилающей поверхности и местных предметов

1.4 Модель диффузной помехи

1.5 Обобщенная модель полезного сигнала и помех

1.6 Выводы

2. Анализ существующих методов оценивания азимута в РСБН

2.1 Оценка азимута по ОСТ4 Г0.251.207-80 и ее характеристики

2.2 Оценка по методу максимального правдоподобия (МП-оценка) и ее характеристики

2.3 Оценка методом многоуровневой фиксации (П-оценки) и ее характеристики

2.4 Алгоритм медианной фильтрации МП- и П-оценок

2.5 Выводы

3. Инвариантный алгоритм оценивания азимута с интервальной режекцией помех при известном положении импульса заполнения азимутального сигнала относительно интервала стробирования

3.1 Синтез алгоритма оценивания азимута с интервальной режекцией помех

3.2 Выбор параметров алгоритма

3.3 Исследование алгоритма оценивания азимута с интервальной режекцией помех

3.4 Выводы

4. Инвариантные алгоритмы оценивания азимута с адаптивной режекцией помех

4.1 Разработка алгоритмов оценивания азимута с адаптивной режекцией помех при известном положении сетки строб-импульсов относительно последовательности импульсов ЗАС

4.1.1 Выбор параметров адаптивного алгоритма при известном положении сетки строб-импульсов относительно последовательности импульсов ЗАС

4.1.2 Исследование адаптивного алгоритма в случае действия аддитивной помехи

4.1.3 Исследование адаптивного алгоритма в случае действия двух аддитивных помех

4.2 Разработка алгоритмов оценивания азимута с адаптивной режекцией помех при неизвестном положении сетки строб-импульсов относительно последовательности импульсов ЗАС

4.3 Реализация разработанных алгоритмов в современном элементном базисе

4.4 Выводы 126 Заключение 128 Список литературы 130 Приложение. Документы о практическом использовании научных результатов диссертационной работы

Список используемых сокращений

АС азимутальный сигнал

АФС антенно-фидерная система

АЦП аналого-цифровой преобразователь

БРЭО бортовое радиоэлектронное оборудование

ДН диаграмма направленности

ЗАС заполнение азимутального сигнала

КУР курсовой угол радиомаяка

ЛА летательный аппарат

МИ максимальный инвариант •

МП максимального правдоподобия ост отраслевой стандарт п пороговая

ПЗУ постоянное запоминающее устройство

РМ радиомаяк

РСБН радиотехническая система ближней навигации

СКО среднеквадратичное отклонение

ЭВМ электронно-вычислительная машина

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование помехоустойчивых алгоритмов оценивания азимута в радиотехнических системах ближней навигации при многолучевом распространении сигнала»

Актуальность темы. Одним из основных средств информационных технологий в современной авиации являются радиомаячные системы ближней навигации и посадки самолётов. К ним относятся угломерно-дальномерные радиосистемы ближней навигации VOR/DME, TACAN и РСБН, радиосистемы инструментальной посадки самолётов метрового (ILS, СП-70), дециметрового (ПРМГ) и сантиметрового (MLS) диапазонов волн.

Несмотря на успешное внедрение спутниковых радионавигационных систем, продолжается эксплуатация радиомаячных систем, особенно как средств навигации военной авиации. Отечественная система РСБН, разработанная во ВНИИРА (Санкт-Петербург) является основным средством ближней навигации военных летательных аппаратов (J1A) всех типов в воздушном пространстве России, стран СНГ, используется военной авиацией ряда зарубежных стран (Китай, Индия, Вьетнам).

На Всемирной конференции радиосвязи ВКР-97 (Женева, 1997 г.) РСБН получила юридическое право на работу в существующем диапазоне частот на первичной основе.

РСБН состоит из наземного азимутально-дальномерного маяка и бортового радиоэлектронного оборудования (БРЭО) J1A. РСБН предназначена для определения на борту J1A азимута и наклонной дальности относительно места установки маяка и индикации на маяке местоположения ДА, находящегося в зоне действия системы.

Для определения наклонной дальности в РСБН используется импульсно-временной метод запроса и ответа, причем запросчиком является бортовое дальномерное устройство, а ответчиком - ретранслятор маяка.

Определение азимута в системе основано на измерении временного интервала между моментом времени, когда направленная азимутальная антенна маяка, вращающаяся с постоянной скоростью, направлена на север, и моментом времени, когда эта антенна направлена на подвижный объект.

Для определения момента времени, когда азимутальная антенна направлена на подвижный объект, используется азимутальный сигнал (АС), принимаемый на борту JIA в результате его облучения направленной вращающейся антенной маяка. Форма АС повторяет форму диаграммы направленности (ДН) азимутальной антенны маяка в горизонтальной плоскости. Момент приема на борту АС фиксируется по определенному правилу. Точность определения азимута существенно зависит от искажений АС, вызванных наличием помех [1].

Существующие приемы уменьшения искажений азимутального сигнала основаны на дорогостоящих работах по нивелированию местности в зоне аэропортов и летным испытаниям.

В работах [2-5] предложен метод повышения точности основанный на определении качества азимутального сигнала, обнаружения наличия помехи, измерения ее характеристик и выработки правил запрета использования полученной информации. В работе [6] предложено сопоставлять оценку искажения сигнала с получаемой при этом ошибкой определения азимута. При превышении полученной ошибкой допустимого предела запрещается использование полученной информации об азимуте JIA или изменяется соотношение весовых функций использования информации в многоканальных устройствах обработки сигналов комплексных систем. Критерии, использующиеся для оценки искажения сигнала, основаны на сравнении формы или площади принимаемого и эталонного сигналов [7,8].

Некоторое повышение точности получено при использовании метода функциональной обработки принимаемого сигнала, позволяющего определить параметры азимутального сигнала и помех, обусловленных многолучевым распространением сигнала [9,10], программно-аппаратная реализация функционально-адаптивных алгоритмов обработки сигналов при многолучевом распространении рассмотрена в работах [11,12].

Однако все перечисленные выше методы не позволяют получить достоверную информацию об азимуте JIA при условии многолучевого распространения полезного сигнала, и призваны лишь снизить потери от использования недостоверной информации.

Опыт эксплуатации РСБН и информационных систем посадки самолётов показал, что их помехоустойчивость в значительной степени зависит от состояния подстилающей поверхности, наличия в зоне действия систем мешающих объектов, специально поставленных помех, сложных метеорологических условий и других факторов. Эффективность существующих систем оказывается недостаточной в силу изменчивости и априорной неопределённости помеховой обстановки, что отрицательно сказывается на безопасности полётов и боеспособности военной авиации, включая авиацию морского базирования. Учитывая, что наряду с вводом в эксплуатацию новых самолетов, существующий их парк, по прогнозам специалистов, будет находиться в эксплуатации еще не менее 15 лет, необходимы разработки, позволяющие обеспечить как повышение помехоустойчивости существующих систем, так и требования перспективных систем ближней навигации. Поэтому тема диссертационного исследования, посвященная разработке и исследованию помехоустойчивых алгоритмов оценивания азимута в радиотехнических системах ближней навигации при многолучевом распространении сигнала, является актуальной.

Цели и задачи работы.

Цель работы: разработка алгоритмов, обеспечивающих существенное повышение точности оценки азимута в радиомаячных системах ближней навигации в условиях многолучевого распространения сигналов и априорной неопределенности помеховой обстановки.

Задачи исследования:

• Выбор и обоснование моделей сигнальной и помеховой составляющих процесса, наблюдаемого на выходе азимутального канала РСБН с учетом замираний, обусловленных многолучевым характером распространения сигнала;

• разработка инвариантных алгоритмов оценивания азимута с интервальной режекцией помех на основе регулярных методов синтеза инвариантных алгоритмов обработки сигналов в условиях, когда значения части параметров сигнала, помехи и канала являются неизвестными;

• выбор критерия адаптации и синтез алгоритмов оценивания азимута с адаптивной режекцией помех в азимутальном канале РСБН;

• исследование эффективности разработанных алгоритмов.

Методы исследований. Используемые методы исследований предусматривают комплексный подход к решению поставленных задач и включают использование методов теории вероятностей и математической статистики, статистической теории анализа и синтеза радиотехнических систем и сигналов, применение имитационного моделирования, анализ и обработку экспериментальных данных. Были использованы современные методы обработки сигналов в условиях параметрической априорной неопределенности, включающие новые методы синтеза инвариантных алгоритмов.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: строгостью применяемого математического аппарата; корректной постановкой теоретических задач; результатами имитационного моделирования; положительными результатами апробации и внедрения синтезированных алгоритмов обработки информации.

Научная новизна работы заключается в том, что разработаны новые инвариантные алгоритмы оценивания азимута в радиотехнических системах ближней навигации, обеспечивающие режекцию помех, обусловленных многолучевым характером распространения сигналов, во всем интервале значений их временных задержек и устойчивость характеристик в условиях априорной неопределенности параметров сигнально-помеховой обстановки. Получен алгоритм оценивания азимута с адаптивной режекцией пассивных помех, позволяющий снизить пороговое отношение сигнал/шум, и основанный на предварительном определении подынтервалов, содержащих пассивные помехи, и использовании инвариантного алгоритма режекции в этих подынтервалах.

Практическая ценность работы состоит в том, что предложенные методы и синтезированные алгоритмы оценивания азимута позволяют модернизировать существующие и проектировать перспективные радиотехнические системы ближней навигации, обеспечивающие существенно более высокую точность оценки азимута в условиях многолучевого распространения сигнала и априорной неопределенности параметров сигнально-помеховой обстановки по сравнению с существующими системами.

На защиту выносится совокупность инвариантных алгоритмов оценивания азимута с интервальной и адаптивной режекцией помех в радиотехнических системах ближней навигации, обеспечивающих подавление помех, обусловленных многолучевым характером распространения сигналов, во всем интервале значений их временных задержек в условиях априорной неопределенности относительно параметров сигнально-помеховой обстановки.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: Седьмой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, МЭИ 2001 г.), Второй международной студенческой школе-семинар по электронным приборам и материалам EDM-2001, 56-й научно-технической конференции, посвященной Дню радио (Санкт-Петербург, 2001 г.), VII международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2004» (Новосибирск, 2004 г.), 59-й научно-технической конференции, посвященной Дню радио (Санкт-Петербург, 2004 г.), Пятой международной школе-семинар по электронным приборам и материалам EDM-2004, Девятом Корейско-Российском международном научно-техническом симпозиуме «KORUS'2005» (Новосибирск, 2005 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано десять печатных работ, из них: 1 статья в рецензируемом научном издании, рекомендованном ВАК РФ; 1 статья в научном журнале Академии наук высшей школы РФ, 2 публикации в сборниках научных трудов; 6 работ в материалах международных и российских конференций.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 50 наименований и приложения. Работа изложена на 136 листах основного текста, включая 84 рисунка.

Заключение диссертации по теме «Радиолокация и радионавигация», Брем, Виктор Густавович

Основные результаты данной работы:

- синтезирован инвариантный алгоритм оценки азимута с интервальной режекцией помех в азимутальном канале РСБН, возникающих в результате многолучевого распространения сигнала, при известном положении импульсов ЗАС. Проведен выбор параметров алгоритма, обеспечивающих его высокую эффективность, и выполнен анализ погрешности получаемых оценок;

- разработан алгоритм оценки азимута с адаптивной режекцией помех при известном положении импульсов ЗАС, позволяющий уменьшить энергетические потери по сравнению с интервальным алгоритмом режекции. Проведен выбор параметров алгоритма, обеспечивающих его высокую эффективность, и выполнен анализ погрешности получаемых оценок;

- синтезирован алгоритм оценки азимута с адаптивной режекцией помех при неизвестном положении импульсов ЗАС. Проведен анализ погрешности получаемых оценок;

- определены требования к быстродействию программно-аппаратной части системы при реализации алгоритма оценки азимута с адаптивной режекцией помех с использованием оценки положения полезного сигнала. Обоснован выбор элементной базы.

Результаты диссертационной работы использованы при выполнении НИР по грантам РФФИ №99-01-00624-а (1999-2001 г.г.), № 05-01-00361-а (20052006 г.), по гранту Министерства образования РФ № Т02-03.1-3335, по проекту: № 15363 программы "Развитие научного потенциала высшей школы" (подпрограмма: № 3 Развитие инфраструктуры научно-технической и инновационной деятельности высшей школы и ее кадрового потенциала, раздел: № 3.3 «Развитие научно-исследовательской работы молодых преподавателей и научных сотрудников, аспирантов и студентов» (2005 г.), а также по хозяйственным договорам с ЗАО «ВНИИРА-Навигатор».

Заключение

В диссертационной работе содержится решение задачи разработки помехоустойчивых алгоритмов оценивания азимута время-импульсных систем навигации при многолучевом распространении сигнала в условиях априорной неопределенности параметров сигнально-помеховой обстановки. Эта задача имеет существенное значение для получения достоверной навигационной информации и обеспечения безопасности полетов. Разработанные алгоритмы режекции помех использованы для решения задачи повышения точности оценивания азимута в РСБН в условиях многолучевого распространения сигнала и априорной неопределенности параметров сигнально-помеховой обстановки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Брем, Виктор Густавович, 2006 год

1. Бабуров В.И., Пономареико Б.В. Принципы интегрированной бортовой авионики. СПб.: Издательство «Агенство "РДК-Принт"», 2005. - 448 е.: илл.-ISBN 5-93583-010-8.

2. Кашинов В.В. Обнаружение мешающих переотражений в системах радионавигации и посадки. // Вопросы радиоэлектроники. Сер.ОТ., 1971. -Вып.Ю, С. 21-24.

3. Куликов В.А., Сенин А.Г., Хайретдинов М.С. Обнаружение переотражений от местных предметов. // Вопросы радиоэлектроники. Сер.ОТ., 1975. -Вып.14.-С. 16-21.

4. Бриккер A.M., Громов Г.Н., Пахолков Г.А., Филаретов Ю.С. Пути повышения помехоустойчивости бортовой аппаратуры РСБН, действующей в сложной помеховой обстановке. // Вопросы радиоэлектроники. Сер.ОТ., 1981.-Вып.6.-С. 26-31.

5. Бернюков А.К. Выявление сигналоподобных помех-отражений в радиоканале. // Проектирование и технология электронных средств, 2003. -№2. С. 46-52.

6. Пахолков Г.А., Кашинов В.В., Пономаренко Б.В. Вариационный метод синтеза сигналов и фильтров. -М.: Радио и связь, 1981.-232 с.

7. Розенберг В.Я. Введение в теорию точности измерительных систем. М.: Сов. радио, 1975.-304 с.

8. Рубичев Н.А. Оценка и измерение искажений радиосигналов. М.: Сов. радио, 1978.-168 с.

9. Збрицкая Г.Е. Повышение точности радионавигационных систем методом функциональной обработки сигналов // Вопросы радиоэлектроники. Сер.ОТ. 1982. -Вып.4. - С. 77-88.

10. Ю.Збрицкая Г.Е. Исследование работы алгоритма функциональной обработки радионавигационных сигналов в условиях помех. // Вопросы радиоэлектроники. Сер.ОТ. 1979. - Вып. 11. - С. 25-28.

11. П.Бернюков А.К. Реализационные основы микропроцессорной обработки многолучевых сигналов время-импульсных радиосистем навигации и посадки самолетов. // Проектирование и технология электронных средств, 2001.-№1.-С. 6-9.

12. Обработка сигналов в радиотехнических системах ближней навигации / Г.А. Пахолков, Г.Е. Збрицкая, Ю.Т. Криворучко, Б.В. Пономаренко, Ю.Г. Шатраков. М.: Радио и связь, 1992. -256 с. - ISBN 5-256-00720-3.

13. Черный Ф.Б. Распространение радиоволн. -М.: Сов. радио, 1972. 463 с.

14. Расин A.M., Городецкий И.И. Влияние мультипликативной помехи на точность РСБН // Вопросы радиоэлектроники. Сер.ОТ. 1979. - Вып. 10. С. 53-56.

15. Влияние интенсивности ветрового волнения на характеристики радиотехнических систем ближней навигации /В.А.Воскресенский, Ф.А. Еникеев, В.В. Кашинов и др. // Вопросы радиоэлектроники. Сер.ОТ-1980.-Вып.10.-С. 44-50.

16. Влияние волнения моря на работу радиотехнических систем ближней навигации / В.А. Воскресенский, Ф.А. Еникеев, А.В. Рыжков, Л.И. Чуканов // Вопросы радиоэлектроники. Сер. ОТ. 1980. - Вып.4. -С. 45-51.

17. Еникеев Ф.А., Субботенко М.И. К вопросу искажений азимутального сигнала в ближней зоне РСБН над взволнованной морской поверхностью // Вопросы радиоэлектроники. Сер. ОВР. 1988. - Вып. 14. - С. 3-8.

18. Пономаренко Б.В., Чуканов Л.И. Эффективность линейной фильтрации при фиксации временного положения азимутального сигнала РСБН, искаженного мультипликативной помехой // Вопросы радиоэлектроники. Сер.ОВР. 1984. - Вып.4. - С. 49-59.

19. Басс Ф.Г., Фукс И.М. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. М.: Наука, 1972. - 424 с.

20. К вопросу о двухпозиционном рассеянии радиоволн взволнованной морской поверхностью / В.В. Кашинов, A.M. Расин, И.Р. Москович // Вопросы радиоэлектроники. Сер.ОТ. 1982. - Вып. 14. - С. 79-82.

21. Влияние интерференционных лепестков на работу аппаратуры посадки / Е.В. Абрамов-Максимов, В.П. Жихарев, М.Д. Максименко и др. Вопросы радиоэлектроники. Сер.ОТ. - 1971.-Вып.5.-С. 16-19.

22. Флуктуационные искажения угломерной навигационной информации / О.С. Горбачевский, Г.А. Пахолков, С.В. Спиров и др. // Вопросы радиоэлектроники. Сер.ОТ.-1975.-Вып. 10.-С. 24-27.

23. Панагриев В.Е., Сосновский А.А., Хаймович И.А. Параметры радионавигационных средств обеспечения полетов и их измерение. М.: Транспорт, 1973. - 217 с.

24. Панин Б.М. Флюктуация сигналов РСБН на борту летательного аппарата при полете в турбулентной атмосфере. // Вопросы радиоэлектроники. Сер.ОТ. 1974. - Вып. 10. С. 3-7.

25. Доброленский Ю.П. Динамика полета в неспокойной атмосфере. М.: Машиностроение, - 1969. - 226 с.

26. Кашинов В.В. О характере искажений угломерной информации в системах ближней радионавигации и посадки при наличии помех типа переотражений // Вопросы радиоэлектроники. Сер. ОВР. 1984. - Вып.6. - С. 3-7.

27. Пахолков Г.А., Кашинов В.В., Соломоник М.Е., Шатраков Ю.Г. Угломерные радиотехнические системы посадки. -М.: Транспорт, 1982. 159 с.

28. Игнатьев Ю.А., Митрофанов В.А. Ошибки в измерении азимута системы РСБН, вызванные наклоном участка подстилающей поверхности // Вопросы радиоэлектроники. Сер. ОТ. 1976. - Вып.13. - С. 10-17.

29. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники в 3-х т. -М.: Сов.радио, 1974. Т.1. - 728 с.

30. Нормы летной годности гражданских самолетов (НЛГС-3). Приложение П8.3.Д. 1992.35.0СТ4 Г0.251.207-80 Система радиотехническая ближней навигации. Основные радиотехнические параметры бортового и наземного оборудования в режиме направленного излучения.

31. Богданович В.А., Вострецов А.Г. Теория устойчивого обнаружения, различения и оценивания сигналов. М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2003. - 320 с. -ISBN 5-9221-0359-8.

32. Пономаренко Б.В., Чуканов Л.И. Многоуровневая фиксация временного положения сигналов // Известия ВУЗов MB и ССО СССР. Радиоэлектроника. 1986.-Т. 29.-№4.-С. 100-103.

33. Хампель Ф. Робастность в статистике. Подход на основе функций влияния: Пер. с англ. / Ф. Хампель, Э. Рончетти, П. Рауссеу, В Штаэль. М.: Мир, 1989-512 с.

34. Леман Э. Проверка статистических гипотез / Пер. с англ. Ю.В. Прохорова. -М.: Наука, 1979.-408 С.

35. Брем В.Г., Вострецов А.Г. Оптимизация параметров инвариантного алгоритма режекции пассивных помех в азимутальном канале радиотехнических систем ближней навигации // Научный вестник НГТУ. -2006. № 3 (24). - С. 59-65. ISSN 1814-1196.

36. Брем В.Г. Оценка амплитуды и фазы гармонического сигнала в условии априорной неопределенности // 59-я научно-техническая конференция, посвященная Дню радио: Санкт-Петербург: Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2004.-С. 37-38.

37. Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и таблицами / Под ред. М. Абрамовича и И. Стиган. Пер. с англ. М.: Наука, 1979.-832 с.

38. Брем В.Г. Адаптивный алгоритм режекции помех в радиотехнических системах ближней навигации // Сборник научных трудов НГТУ. 2005-№1(39).- С. 3-8.

39. Вострецов А.Г., Брем В.Г. Адаптивные алгоритмы режекции помех в условиях многолучевого распространения сигнала и априорной неопределенности его временного положения // Доклады АН ВШ РФ. -2005.-№2(5).-С. 94-105.