Статистический синтез и исследование алгоритмов определения координат наземных источников радиоизлучения в космических системах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.14, кандидат технических наук Савин, Александр Александрович

• Савин, Александр Александрович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Савин, Александр Александрович

Введение.

Глава 1. Влияние атмосферы Земли на точность измерения разности фаз и частоты радиосигналов УКВ диапазона.

1.1 Анализ факторов, влияющих на точность измерения разности фаз и частоты радиосигналов.

1.2 Коэффициент преломления радиоволн в тропосфере и ионосфере.

1.3 Флуктуации фазы и разности фаз сигналов.

1.3.1 Флуктуации фазы сигналов в тропосфере.

1.3.2 Флуктуации фазы сигналов в ионосфере.

1.3.3 Флуктуации разности фаз трансатмосферных радиосигналов.

1.4 Вариации углов прихода и рефракция радиоволн.

1.4.1 Вариации углов прихода радиоволн.

1.4.2 Рефракция радиоволн в тропосфере и ионосфере.

1.5 Влияние атмосферы Земли на доплеровское изменение частоты.

1.5.1 Влияние тропосферы на доплеровское изменение частоты;.

1.5.2 Влияние ионосферы на доплеровское изменение частоты.

1.5.3 Случайные вариации частоты трансатмосферного радиосигнала.

1.6 Выводы.

Глава 2. Методы определения координат наземных ИРИ пассивными РТС космического базирования.

2.1 Определение координат и параметров движения ИСЗ.

2.1.1 Системы координат и методы определения траекторий ИСЗ.

2.1.2 Расчет координат и параметров движения ИСЗ в системе WGS-84.

2.1.3 Координаты ИРИ в системе WGS-84. Эллипсоид WGS-84.

2.2 Предлагаемые варианты построения космических систем радиоконтроля земной поверхности.

2.2.1 Описание структуры фазовой системы.

2.2.2 Описание системы с измерениями частоты сигналов.

2.3 Краткий обзор современных методов определения координат ИРИ.

2.4 Рекурсивные алгоритмы нелинейной фильтрации.

2.4.1 Байесовская теория оценок.

2.4.2 Реализация байесовского оператора условного среднего в гауссовском приближении.

2.4.3 Нелинейные преобразования случайных величин.

2.4.4 Квазиоптймальные алгоритмы фильтрации.

2.4.5 Многомодальность апостериорного распределения вероятностей.

2.4.6 Монте-Карло фильтр и его модификации.

2.5 Выводы.

Глава 3. Фильтрация координат в пассивной фазовой однопозиционной космической РТС.

3.1 Постановка задачи и методы ее решения.

3.1.1 Математическая модель наблюдаемых сигналов.

3.1.2 Методы определения координат излучателя.

3.1.3 Схемы методов определения местоположения.

3.2 Оптимальный алгоритм оценки угловых координат ИРИ.-.

3.2.1 Общее описание оптимального алгоритма.

3.2.2 Частные варианты записи функции правдоподобия.

3.2.3 Реализация рекурсивной процедуры формирования «частиц».

3.2.4 Структура оптимального алгоритма.

3.3 Квазиоптимальный алгоритм оценки угловых координат ИРИ.

3.4 Исследование характеристик точности оценок азимута и угла места.

3.4.1 Условия моделирования.

3.4.2 Результаты расчетов.

3.4.3 Определение потенциальной точности.

3.5 Исследование характеристик точности определения широты и долготы ИРИ по результатам угломерных измерений.

3.5.1 Алгоритм пересчета угловых координат в широту и долготу ИРИ.

3.5.2 Условия моделирования и результаты расчетов.

3.6 Применение квазиоптимального алгоритма для оценки широты, долготы и высоты ИРИ.

3.6.1 Описание условий применения алгоритма.

3.6.2 Результаты исследования СКО оценок.

3.7 Выводы.

Глава 4. Фильтрация координат в пассивной многопозиционной космической РТС при использовании измерений частоты радиосигналов.

4.1 Постановка задачи и алгоритм фильтрации координат.

4.1.1 Математическая модель наблюдаемых сигналов на входе вычислителя координат.

4.1.2 Описание алгоритма оценки состояния и структура фильтра.

4.2 Алгоритм определения начальной оценки частоты.

4.3 Исследование переходных процессов по СКО оценок координат и частоты ИРИ.

4.3.1 Условия моделирования.

4.3.2 Исследование работоспособности алгоритма.

4.3.3 Исследование чувствительности алгоритма к априорной неточности параметров модели наблюдения.

4.4 Потенциальная точность.

4.5 Выводы.

Глава 5. Экспериментальные исследования частотного метода фильтрации координат.

5.1 Общее описание экспериментальных данных.

5.1.1 Аппаратура базовой GPS станции и ее характеристики.

5.1.2 Перечень навигационной и измерительной информации.

5.2 Экспериментальные исследования атмосферных погрешностей измерений частоты сигналов.

5.2.1 Интерпретация результатов экспериментальных измерений.

5.2.2 Цель и методология выделения погрешностей измерения частоты.

5.2.3 Анализ вариаций частоты опорного генератора приемника.

5.2.4 Анализ атмосферных ошибок измерений частоты.

5.3 Экспериментальная проверка алгоритма определения координат излучателя по результатам частотных измерений.

5.3.1 Экспериментальное обоснование математической модели сигналов.

5.3.2 Описание алгоритма фильтрации координат излучателя.

5.3.3 Результаты исследования СКО оценок вектора состояния.

5.4 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Статистический синтез и исследование алгоритмов определения координат наземных источников радиоизлучения в космических системах»

В настоящее время во всем мире имеет место устойчивая тенденция к возрастанию роли космических средств, как в обеспечении военной мощи, так и достижении социально-экономического благополучия ведущих мировых государств. В военном деле космические системы и комплексы различного назначения являются важнейшей составной частью технических средств, создающих информационное превосходство. Именно они позволяют иметь преимущества в знании обстановки в различных регионах Земли, в оперативности и глобальности доведения информации боевого управления до войск и систем оружия. Таким образом, космические ресурсы становятся сегодня предметом жизненно важных государственных интересов в экономической, политической и военной сферах.

Относительная открытость использования космических каналов передачи данных дает реальную возможность несанкционированного доступа к ним различного рода злоумышленникам. Помимо очевидного экономического ущерба для владельца канала связи в этом случае может нарушаться режим нормального функционирования приемной аппаратуры спутника -ретранслятора: возникают перегрузки приемного тракта, которые сопровождаются прерываниями в организации связи для штатных абонентов. Радикальный способ борьбы с подобного рода «пиратами» предполагает определение их координат по сигналам, которые могут быть приняты на одном или нескольких космических аппаратах. Проблема является актуальной, и ее состояние обсуждается в [1 - 5].

В космических системах связи важное место занимает задача пеленгации абонентов, причастных к деятельности различных террористических или бандитских группировок. От точности и оперативности определения координат в этом случае зависит результативность работы соответствующих органов безопасности.

Космические системы поиска и спасания терпящих бедствие, имеющие огромную зону обслуживания, напрямую предназначены для решения задачи 6 оценки координат источников сигнала бедствия, передаваемого аварийными радиопередатчиками. В рамках Федеральной космической программы России в настоящее время ведутся работы по развитию и модернизации системы КОСПАС (космическая система поиска аварийных судов). В скором времени будет создана «Система персонального поиска и спасания в кризисных ситуациях» на базе использования персональных радиобуев [6]. От оперативности и точности работы системы зависит человеческая жизнь, поэтому эта задача является чрезвычайно актуальной.

Одной из центральных проблем космической обороны является оперативное получение информации о средствах обороны и нападения потенциального противника. Радиотехнические системы разведки, в отличие от телевизионных, позволяют определять местоположение стратегически важных объектов вооружения и военной техники независимо от условий оптической видимости. Важным этапом решения этой проблемы< космической разведки должна стать детальная проработка методов и алгоритмов определения координат источников излучения по параметрам сигналов, принятых на борту одного или нескольких космических аппаратов.

Главным фактором, ограничивающим точность любых измерительных систем, являются случайные возмущения, проявляющиеся в наблюдаемых сигналах. При измерениях параметров радиотехнических сигналов необходимо учитывать влияние среды распространения радиоволн. Исследованию ошибок, возникающих при распространении радиоволн сквозь слои атмосферы Земли, посвящен ряд работ [7 — 14]. Полностью скомпенсировать влияние мешающих факторов природного и искусственного происхождения по понятным причинам не удастся, поэтому необходимо применение статистических методов обработки результатов измерений. В 1795 году Гаусс, решая задачу оценки постоянных и неизвестных параметров орбит небесных тел по наблюдениям, содержащим ошибки, разработал метод наименьших квадратов (МНК). В 1912 году Фишер развил метод максимального правдоподобия (МП). Затем в работах Колмогорова (1941 год) и Винера (1942 год) были получены фундаментальные результаты по теории фильтрации случайных сигналов. Существующая ныне 7 методология статистического анализа и синтеза устройств обработки наблюдаемых сигналов сформировалась на основе фундаментальных результатов теории марковских процессов, определяемых стохастическими дифференциальными уравнениями. Результаты теории изложены в 60-70-х годах прошлого века в трудах Стратоновича [15] и Калмана [16]. На основе этих работ за последние годы были решены задачи оптимального статистического синтеза алгоритмов фильтрации полезных сообщений для различных областей науки и техники [17 - 30]. Вклад ученых России представлен в известных монографиях Б.Р. Левина, B.C. Пугачева, В'.И. Тихонова, В.Н. Харисова, М.А. Миронова, М.С. Ярлыкова, Ю.Г. Сосулина, А.И. Перова, С.В. Первачева, В.И. Меркулова [31 - 50].

Для полностью линейных систем широкое практическое применение находит оптимальный по критерию минимума среднего квадрата ошибки алгоритм линейного фильтра Калмана (ЛФК) [17]. Для нелинейных систем применение методологии ЛФК привело к появлению расширенного фильтра Калмана (РФК) и его модификациям [18]. РФК использует линеаризацию нелинейных уравнений моделей системы. В системах, описываемых сложными моделями, возможно применение различных численных методов линеаризации. Один из таких способов приводит к алгоритму сигма-точечного фильтра [19 -24]. Численные методы также применимы для расчета оценок в ситуации, когда гауссовское приближение дает большие ошибки. В этом случае применяют так называемые фильтры частиц [25 - 30]. Существуют и другие варианты построения фильтров, например, в виде комбинаций' алгоритмов, перечисленных выше.

Несмотря на это разнообразие методов, в некоторых научно-технических приложениях (в том числе в ряде направлений пассивной радиолокации) проблема практического освоения результатов теории нелинейной марковской фильтрации по-прежнему реально существует. Таким образом, проблема разработки алгоритмов функционирования пассивных радиотехнических систем (РТС) космического базирования для высокоточного определения местоположения наземных источников радиоизлучения является актуальной. 8

Выбор и обоснование метода и алгоритма определения координат позволит сформулировать требования для построения современных перспективных космических систем.

Целью работы является разработка и исследование оптимальных динамических алгоритмов высокоточного определения пространственных координат наземных источников радиоизлучения; (ИРИ) в пассивных системах, расположенных на борту искусственных спутников Земли (ИСЗ). В диссертации рассматриваются фазовый однопозиционный и частотный многопозиционный, методы определения- координат неподвижных ИРИ; расположенный вблизи поверхности Земли.

Ограничения по массогабаритным характеристикам приемной аппаратуры не позволяют разместить на борту ИСЗ. высокоточный- фазовый пеленгатор, позволяющий получить, однозначную оценку угловых координат ИРИ в моноимпульсном режиме: В-этих условиях предлагается рекурсивный алгоритм обработки фазовых измерений;.выполняемых последовательно, во времени, при изменении ориентации антенной, системы.ИСЗ в пространстве.

При разработке оптимальных алгоритмов вторичной обработки измерений необходимо учитывать ошибки первичных измерителей, а также ошибки, обусловленные внешними факторами. Основным источником внешней погрешности, как для фазовых, так и для частотных измерений^ является атмосфера Земли. Кроме этого при разработке алгоритма для частотного метода оценки неизвестных координат и частоты излучения ИРИ необходимо учитывать, что этот метод основан на использовании нескольких движущихся ИСЗ. При наличии перемещения ИСЗ относительно ИРИ, важно, чтобы алгоритм был инвариантен к числу ИСЗ, на которых принимается сигнал ИРИ.

Для рассматриваемых методов и алгоритмов' выполнено исследование среднеквадратичных ошибок (СКО) оценок координат ИРИ при заданных ошибках первичных измерителей параметров радиосигналов.

Поставленная цель достигается решением.следующих задач:

1. Анализ ошибок, возникающих при распространении радиосигнала ИРИ в тропосфере и ионосфере Земли.

2. Исследование существующих рекурсивных алгоритмов извлечения информации из наблюдаемых сигналов при наличии мешающих факторов.

3. Разработка и анализ фазового метода высокоточного определения координат ИРИ с борта одного ИСЗ при отсутствии однозначных угловых измерений.

4. Синтез и исследование динамического алгоритма оценки координат ИРИ в многопозиционной космической системе на основе измерений частоты принятых радиосигналов.

5. Экспериментальная проверка метода определения координат ИРИ по результатам измерений частоты радиосигналов.

Методы исследования. Для решения поставленных в диссертации задач использовались методы математической статистики, математического анализа и линейной алгебры; статистические методы современной теории оценивания; методы математического и имитационного моделирования.

Обоснованность научных положений и достоверность результатов исследований подтверждается согласованностью результатов теоретических исследований, компьютерного моделирования и экспериментальной проверки полученных алгоритмов фильтрации.

Научная новизна диссертационной работы заключается в применении оптимальных рекурсивных алгоритмов определения координат наземных ИРИ в пассивных космических системах. Разработаны и проверены алгоритмы обработки фазовых и частотных измерений для определения широты, долготы и высоты ИРИ в динамическом режиме. Предложена методика использования измерений базовой GPS станции для исследования искажений частоты сигнала, вызванных неоднородностями атмосферы, а также для проверки алгоритма определения координат в частотном методе.

Личный вклад* автора состоит в следующем. Автором диссертации на основе общей теории марковской нелинейной фильтрации, задания, выданного научным руководителем, и совместных обсуждений проблемных вопросов выполнен синтез оптимальных алгоритмов обработки фазовых и частотных измерений при заданных условиях и ограничениях. Проведено математическое моделирование алгоритмов на ЭВМ и получены результаты в виде, удобном для представления в диссертации. Проведены экспериментальные исследования погрешностей измерения частоты трансатмосферных радиосигналов. Предложена и реализована методика экспериментальной проверки частотного метода определения координат ИРИ с борта ИСЗ при помощи измерений базовой GPS/ГЛОНАСС станции.

Материалы исследований использованы в научно-исследовательском институте радиотехнических систем Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники- (ТУСУР, г. Томск) при выполнении ряда хоздоговорных работ, а также в учебном процессе ТУСУР на кафедре радиотехнических систем, что подтверждается актами о практическом использовании научных результатов диссертационной работы.

Практическая ценность синтезированных в диссертации алгоритмов вторичной обработки заключается в том, что они- могут служить основой для построения1 современной космической РТС определения местоположения наземных источников излучения. ;

По результатам работы сформулированы основные положения, выносимые на защиту:

1. Динамический алгоритм измерения координат ИРИ с управлением наблюдениями путем вращения антенной системы многобазового фазового пеленгатора вокруг оси, направленной в центр априорной зоны приема, позволяет получить однозначную и точную оценку угловых координат ИРИ при меньшем количестве антенн и приемных каналов, по сравнению с традиционным методом.

2. Выражение для функции правдоподобия совокупности сигналов с выходов квадратурных фазовых детекторов, подключенных к приемным трактам трехбазового фазового- пеленгатора, являющееся основой алгоритма, который использует рекурсивное вычисление апостериорной ПРВ состояния, позволяет достичь потенциальной точности' оценивания угловых координат ИРИ при заданных параметрах системы.

3. Рекурсивный алгоритм формирования совместных оценок координат и

11 неизвестной частоты излучения наземного ИРИ при обработке измерений частоты радиосигналов, принятых на борту нескольких ИСЗ, позволяет использовать разное число ИСЗ в системе определения местоположения. Исследование алгоритма в трехпозиционной космической системе при заданных параметрах, показало, что он реализует потенциальную точность метода.

Апробация работы. Научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: научно-технической конференции по обмену опытом в области создания сверхширокополосных РЭС (ФГУП "ЦКБА", г. Омск, 11-13 октября 2006 г.); научно-технической конференции ФГУП «РНИИ КП», посвященной 60-летию предприятия (Москва, 10-12 октября 2006 г.); юбилейной научно-технической конференции «Инновации в радиотехнических информационно-телекоммуникационных технологиях», приуроченной к 60-летию Радиотехнического института имени академика A.JI. Минца и 60-летию факультета радиоэлектроники MATT (Москва, 24 - 26 октября 2006 г.).

Результаты работы опубликованы в сборниках трудов этих конференций, а также в следующих журналах:

1. Радиотехника - 2006 г., № 11 - с. 24-30;

2. Доклады ТУСУРа- 2008 г., № 1(17);

3. Доклады ТУСУРа - 2006 г., № 6(14) - с. 96-102;

4. Доклады ТУСУРа-2006 г., №6(14)-с. 106-113;

5. Радиотехнические тетради — 2008 г., № 37 - с. 78-80.

Публикации. Всего соискателем по теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, из них: 5 статей в журналах, два из которых входят в перечень ВАК, 3 статьи в материалах конференций и 2 тезисов докладов конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, содержащего 74 работы отечественных и зарубежных авторов, и приложения. Основное содержание диссертации изложено на 203 страницах, содержит 76 рисунков и 15 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Радиолокация и радионавигация», Савин, Александр Александрович

5.4 Выводы

Предложенная в главе методика обработки измерений частот сигналов, принятых аппаратурой базовой GPS станции, позволила провести анализ ошибок опорного генератора приемника и атмосферных погрешностей измерений частоты. В результате сделаны следующие выводы:

1. На коротких интервалах времени процесс блужданий частоты кварцевого генератора, используемого в GPS приемнике Грот, является нестационарным процессом. Низкочастотные составляющие процесса блужданий частоты опорного генератора приводят к тому, что на характерных для задач пассивного определения координат временных интервалах (от единиц до десятков минут) среднее значение процесса изменяется во времени.

2. Приращения процесса блужданий частоты генератора между соседними тактами времени (интервал дискретизации 1 секунда) являются стационарным процессом с нулевым средним значением и СКО crw = 0,2 Гц. Корреляция значений процесса в несовпадающие моменты времени не выше 10 %. Гистограмма значений имеет гауссовский вид.

3. Найденные экспериментальные зависимости уровня регулярных ошибок по частоте от времени суток полностью подтверждают теоретические результаты. Днем регулярные ошибки в два раза выше ночных на одинаковых зенитных углах.

4. На зенитных углах, больших 80 градусов, существенный вклад в суммарную регулярную ошибку вносит тропосфера. Уровень ошибок на углах, меньших 80 градусов, на порядок ниже.

5. Расчетные значения регулярных ошибок по частоте и аналогичные составляющие ошибки, которые получены при обработке экспериментальных данных, с высокой точностью совпадают. Ошибка прогноза не превышает сотых долей Гц.

6. При увеличении зенитного угла НКА СКО флуктуаций частоты сигнала возрастает от 0,01> до 0,03 Гц, что подтверждает найденную теоретическую зависимость.

7. Временная корреляционная функция частотных флуктуаций носит быстро затухающий колебательный характер с периодом (3-ь4) секунды. Коэффициент взаимной корреляции не высок, однако, в ряде случаев достигает значений* (0,6 -г 0,8)(.

На основании теоремы, взаимности показана работоспособность алгоритма определения координат наземного ИРИ в многопозиционной космической системе по реальным экспериментальным данным. Результаты исследования СКО оценок координат и частоты ИРИ заключаются в следующем:

1. При измерении частот сигналов на борту (5 ч-12) ИСЗ с точностью, определяемой ошибками, возникающими при РРВ в атмосфере, итоговые значения СКО оценок сгф = 0,017 угл. мин. (34 м.), сгд = 0,04 угл. мин. (80 м.), сг^ = 50 м. и о-=0,21 Гц. Данный вывод справедлив, если предположить, что уровень собственных ошибок измерителя частоты пренебрежимо мал.

2. При увеличении уровня флуктуационной составляющей ошибки в 30 раз СКО итоговых оценок увеличивается незначительно. Таким образом, при уровне флуктуационных ошибок менее 1 Гц основной причиной возникновения погрешностей определения координат можно считать неучтенные методические и регулярные ошибки.

3. Дальнейшее увеличение СКО измерений частоты на один и два порядка приводит к увеличению (Уф с 0,02 до 0,08 и 0,5 угл. мин.; а^ с 0,05 до 0,2 и

1,9 угл. мин.; сг^ с 55 до 260 и 320 м. (соизмеримо с априорной точностью); crj. с 0,26 до 0,5 и 1 Гц при Gw = 1.

4. Показано, что от интенсивности вариаций частоты ИРИ зависит только СКО оценок частоты. При уменьшении crw на порядок сг- падает с 0,26 до

0,09 Гц, а при увеличении <jw на порядок — увеличивается до 2 Гц.

5. СКО оценки процесса блужданий частоты генератора ИРИ увеличивается во времени и достигает значений, зависящих от уровня вариаций <tw и СКО измерений частоты <тп.

6. Ошибки оценок координат ИРИ имеют ненулевое среднее значений, уменьшающееся по мере поступления и обработки измерений.

Заключение

В'- результате проведенных автором, исследований, а также научно-исследовательских работ, проводившихся при его непосредственном; участии, были решены задачи по разработке методов и алгоритмов, определения; координат неподвижных наземных ИРИ на, основе обработки фазовых и частотных измерений, выполняемых на борту ИСЗ.

Основные научные и прикладные результаты, полученные автором при выполнении настоящей работы, можно сформулировать следующим образом:

1. Выполнен анализ ошибок, возникающих при распространении радиосигналов УКВ диапазона в тропосфере и ионосфере Земли. Получены расчетные соотношения* для оценок СКО флуктуаций фазы, разности фаз сигналов, углов прихода и< частоты радиоволн для различных частот сигнала ИРИ и зенитных углов на ИСЗ в зависимости от характеристик атмосферы. На основе: измерений базовой GPS станции проведено экспериментальное исследование частотных погрешностей; вносимых тропосферой; и ионосферой Земли при РРВ. Показано • совпадение расчетных значений- СКО флуктуаций частоты радиосигнала, с экспериментальными оценками этой СКО. Также показано; что влияние рефракционных.явленишв атмосфере, которые вызывают регулярные- изменения* доплеровского смещения: частоты радиоволн, можно компенсировать с высокой точностью при наличии^ информации об основных параметрах, характеризующих состояние атмосферы вдоль трассы РРВ;

2. Проведено исследование существующих динамических алгоритмов обработки измерительной- информации; содержащей ошибки, пригодных для решения- задачи определения? координат наземных излучающих объектов в системах, которые'используют фазовые шчастотные измерения. Показано, что в; современных пассивных космических системах, радиоконтроля земной поверхности не находят дрлжного применения статистически оптимальные алгоритмы нелинейной марковской фильтрации. По этой, в частности, причине при синтезе методов определения местоположения либо вообще не учитывают ошибки измерений, либо устраняют их не оптимальным способом, что является

188 существенным недостатком описанных в литературе алгоритмов измерения координат ИРИ. Кроме этого, как правило, основной упор делается на разработку методов, которые могут быть применимы для действующих систем, что ограничивает область их применения, их характеристики точности и не позволяет сформулировать требования для построения современных перспективных космических систем определения координат наземных ИРИ.

3. Синтезирован динамический алгоритм формирования совместно-оптимальных оценок координат наземного ИРИ при обработке совокупности сигналов с выходов квадратурных фазовых детекторов, подключенными к соответствующим парам антенн, в условиях, когда антенная система фазового угломера- не обеспечивает формирование однозначной оценки угловых координат с борта одного ИСЗ. Показано, что вращение АР, расположенной на борту ИСЗ на ГСО, вокруг оси, направленной на центр зоны расположения ИРИ, позволяет в динамическом режиме (последовательно во времени) решить задачу однозначного- и точного определения угловых координат ИРИ' при наличии неоднозначных разностно-фазовых измерений. При- этом, требуется меньше антенн, чем в традиционной схеме разрешения- неоднозначности фазовых измерений, а скорость вращения АР определяет скорость сходимости СКО оценок к установившемуся значению. Выполнен сравнительный анализ СКО оценок координат ИРИ для нескольких алгоритмов, основанных на применении метода Монте-Карло для численного интегрирования при вычислении оптимальной байесовской оценки посредством представления апостериорной ПРВ состояния на конечном множестве «частиц». Предложен алгоритм перевыбора «частиц», обеспечивающий существенную экономию вычислительных ресурсов для достижения- высокой точности оценок по сравнению с традиционной; схемой, перевыборам Рассмотрена методика пересчета угловых координат ИРИ в широту и долготу и получены зависимости, позволяющие определить СКО оценок широты и долготы ИРИ по заданным СКО оценок угловых координат.

Кроме этого, показано, что разрешение неоднозначности фазовых измерений и точные оценки местоположения ИРИ могут реализоваться также

189 путем перемещения пеленгатора по угловым координатам при моделировании алгоритма в космической системе с низкоорбитальным ИСЗ.

4. Получены выражения для вычисления функция правдоподобия при обработке совокупности сигналов с выходов квадратурных фазовых детекторов в приемных каналах одно-, двух- и трехбазового фазового* пеленгатора. Эти выражения являются основой динамического алгоритма определения угловых координат ИРИ, который использует рекурсивное вычисление апостериорной ПРВ состояния. Вг трехбазовом пеленгаторе, размещенном на борту ИСЗ' на ГСО,1 применение алгоритма с предложенной ФП при заданных в работе параметрах четырехэлементной АР позволяет достичь потенциальной точности оценок угловых координат ИРИ. Исследование проведено для частоты^ сигнала

ИРИ у^м = 10ГТц и СКО фазовых ошибок сгп- 20°. По* результатам моделирования'можно сделать вывод о том, что оценки азимута а и угла места л 1 у3 ИРИ являются несмещенными и имеют минимально возможные для заданных условий СКО, равные сг^ = 0,06 угл. мин. и ста = 0,055 угл. мин. р 1»

Потенциальная точность фазового метода определена в работе как точность МП оценки при правильном устранении неоднозначности. Устранение неоднозначности возможно при повороте АР на угол 160° с шагом 10° между измерениями. В результате при неизменных во времени координатах ИРИ формируется АР, которая содержит в 16 раз больше антенных элементов, чем то количество элементов, которое существует физически. Таким образом, управление наблюдениями путем вращение АР фазового пеленгатора вокруг оси, направленной в центр априорной зоны приема, позволяет существенно уменьшить число приемных каналов пеленгатора.

5. Разработан квазиоптимальный алгоритм обработки измерений частоты радиосигналов! в многопозиционной космической системе при формировании совместных оценок широты, долготы, высоты и неизвестной частоты излучения наземного ИРИ. Предложенный рекурсивный алгоритм обработки измерений текущей частоты радиосигналов, принятых на борту одного или нескольких

ИСЗ, находящихся на различных орбитах, обеспечивает формирование

190 устойчивых оценок координат наземного ИРИ с неизвестной частотой излучения. При этом частота излучения ИРИ меняется во времени из-за нестабильности генератора. Выполнено исследование переходных процессов по СКО оценок широты, долготы, высоты и переменной частоты ИРИ. Проведено исследование чувствительности алгоритма к априорной неточности задания в фильтре параметров модели наблюдаемых сигналов. Анализ алгоритма показал, что он работоспособен в одно-, двух- и трехпозиционных системах, составленных из ИСЗ, движущихся по различным орбитам. Результаты моделирования представлены в виде зависимостей СКО' оценок координат вектора состояния от времени измерения, либо от количества обработанных векторов измерений. Показано, что в трехпозиционной системе для группировки из трех ИСЗ, расположенных на круговых орбитах спутников системы GPS, алгоритм реализует потенциальную точность'частотного метода (обеспечивает минимальное значение СКО совместных оценок координат и частоты излучения ИРИ), которая определена неравенством Рао-Крамера. Остальные условия' моделирования следующие: частота сигнала ИРИ /м^м=10ГГц, точность измерений частоты сги=10Гц, нестабильность частоты генератора ИРИ задана величиной aw = 0,1 Гц при- интервале поступления данных At = 1 с. При этом точность оценок при обработке 10 векторов измерений составляет: СКО оценок широты ИРИ, сгф = 0,37 угл. мин., долготы — 0,99 угл. мин. и начальной частоты излучения aj. = 2,15 Гц.

6. Предложен и исследован метод формирования начальной оценки несущей частоты излученного сигнала и ее дисперсии по результатам первых измерений частот сигналов, принимаемых в один момент времени на трех ИСЗ, движущихся относительно ИРИ.

•7. Разработана методика использования данных базовой GPS станции для изучения влияния атмосферы. Земли1 на вариации частоты трансатмосферных радиосигналов и экспериментальной проверки алгоритма оценки координат ИРИ частотным методом. Показано, что предложенный в работе рекурсивный алгоритм обработки частотных измерений работоспособен и при использовании более трех ИСЗ, на борту которых производятся измерения частоты принятых радиосигналов. Причем возможно использование переменного числа измерений от одного такта дискретного времени к другому.

Величина физического времени между измерениями также может быть f различной.

8. Выполнены исследования погрешностей определения местоположения ИРИ в космических системах, использующих разработанные алгоритмы, в широком диапазоне значений параметров, определяющих условия функционирования космического комплекса радиоконтроля. Моделирование проведено таким образом, что результаты позволяют определить точность оценок координат ИРИ при различных параметрах системы. Например, можно определить какая точность будет при определенном уровне ошибок первичных измерителей, и как она изменится при другом уровне ошибок.

1 9. Разработано программное обеспечение для анализа эффективности работы синтезированных алгоритмов.

Результаты диссертационной работы можно использовать пршразработке современных перспективных пассивных космических систем определения координат наземных ИРИ. Подобные системы востребованы как в гражданских, так и в военных приложениях. Таким образом, полученные в диссертации результаты имеют существенное значение для экономики или обеспечения f обороноспособности страны. 1

В заключении автор выражает благодарность научному руководителю — кандидату технических наук, доценту Тисленко В.И. за постоянную помощь и внимание. Автор выражает благодарность всему коллективу НИИ РТС и кафедры РТС ТУСУР за помощь, полезные замечания в ходе работы над диссертацией. f i

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Савин, Александр Александрович, 2008 год

1. Панько С.П., Сухотин В.В. Фазовая пеленгация в спутниковой связи / Электронный журнал "Исследовано в, России", с. 380 388. — Режим-доступа: http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2003/035.pdf

2. Могучев В.И. Доплеровская пеленгация земных станций> через геостационарный спутник связи / ISSN 0013-5771, "Электросвязь", № 1, 2003.

3. Муратова* А., Желязов М. Методы определения координат неизвестных1передатчиков, нарушающих работу легальных пользователей, SES 2005.

4. Bardelli R., Haworth D. and Smith N. Interference localization- for the EUTELSAT satellite system, Global Telecommunications Conference, 1995. GLOBECOM/95. IEEE 1995. - vol. 3. - pp. 1641 -1651.

5. Вейцель B.B., Белоглазов B.B., Левитан Б.А. Как,найти злоумышленника в спутниковой сети, Технологии и средства связи, № 3, 2002 г., с. 100 102.

6. Информация с официального,сайта Международной спутниковой системы поиска и спасания Коспас-Сарсат Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.cospas-sarsat.org

7. Рыжкина Т.Е., Федорова JI.B. Исследование статистических и спектральных характеристик трансатмосферных радиосигналов УКВ-СВЧ диапазона, «Журнал радиоэлектроники» № 2, 2001г. Режим доступа: http://jre.cplire.ni/j re/feb01 /З/text.html'

8. Распространение радиоволн при космической связи М.А. Колосов, Н.А. Арманд, О.И. Яковлев / Под ред. ак. Б.А. Введенского и проф. М.А. Колосова. М.: Связь, 1969. - 155 е.: ил.

9. Черный Ф. Б. Распространение радиоволн.- 2-е изд., доп. и* переработ. — М. «Советское радио», 1972, 464 с.

10. Сильвестров С.Д., Лазарев В.М., Корниенко А.И., Паншин М.И. Точность измерения параметров движения космических аппаратов радиотехническими методами. М., изд. «Советское радио», 1970, 320 стр.

11. Сейдж Э., Меле Дж. Теория, оценивания и ее применение в связи; и управлении. Пер. с англ. под ред. проф. Б.Р. Левина М.: Связь, 1976 496 е.: ил.

12. Логинов В.П. Приближенные алгоритмы нелинейной фильтрации. Часть I // Зарубежная радиоэлектроника. 1975. — № 2. - с. 28.

13. Julier S; J., Uhlmann J.K. andi Durrant-Whyte. A new approach for filtering nonlinear systems. Proceedings of the American Control Conference. 1995, pp. 1628;- 16321

14. Julier S .J. and Uhlmann J.K. A General Method for Approximating Nonlinear Transformations of Probability Distributions. Technical report, RRG, Dept. of Engineering Science, University of Oxford-Nov 1996.

15. Julier Si J. The Scaled Unscented Transformation. Proceedings of the American Control Conference, vol. 6, Anchorage, AK, USA, May 2002, pp. 4555 4559.194

16. Julier S.J. and Uhlmann J.K. Unscented Filtering and Nonlinear Estimation, Proceedings of the IEEE, vol. 92, no. 3. March 2004, pp. 401 422.

17. Tenne D., Singh T. The Higher Order Unscented Filter // American Control Conference, 2003: Proceedings of the 2003, vol. 3. pp. 2441-2446.

18. Eric A. Wan and R. van- der Merwe Kalman' Filtering and Neural- Networks, chap. Chapter 7: The Unscented Kalman Filter, Wiley Publishing, Egs. S. Haykin, 2001.

19. Doucet, A. Monte Carlo Methods for Bayesian Estimation of Hidden Markov Models . Application to Radiation Signals, PhD. Thesis, Univ. Paris-Sud, Orsay, 1997.

20. Doucet A. On Sequential Simulation-Based Methods for Bayesian Filtering. Technical report CUED / F-INFENG / TR 310, Department of Engineering, Cambridge University, 1998.

21. Geweke J. Bayesian Inference^ in Econometrics* Models using Monte Carlo Integration. Econometrica, vol. 57, 1989

22. Hoi J. Resampling in particle filters / Division of Automatic Control, Department of Electrical Engineering. Lin. univ. 2004.

23. Douc R., Сарре O., Moulines E. Comparison of Resampling Schemes for Particle Filtering, May 19, 2006

24. Hoi J., Schon Т., Gustafsson F. On Resampling Algorithms for Particle Filters, Division of Automatic Control, 9th January, 2007

25. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Книга первая. — М.: «Сов.радио», 1969. — 752 с.

26. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Книга первая. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: «Сов. радио», 1974. — 552 с.

27. Левин'Б.Р. Теоретические1 основы статистической радиотехники. В трех книгах. Книга,вторая. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: «Сов. радио», 1975. -392 с.

28. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. В трех книгах. Книга третья. — М., «Сов. радио», 1976. 288 с.

29. Статистическая теория связи и ее практические приложения / Под ред. Б.Р. Левина. М.: Связь, 1979: - 288 с.

30. Левин Б.Р., Шварц В. Вероятностные модели и методы в системах связи и управления. М.: Радио и связь, 1985. — 312 с.

31. Пугачев B.C. Статистические методы в технической кибернетике. М.: «Сов. радио», 1971. - 192 с.

32. Тихонов В.И., Харисов В.Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем: Учеб. Пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1991. - 608 е.: ил.

33. Тихонов В.И., Миронов М.А. Марковские процессы. М.: Сов. радио, 1977 -488 е.: ил.

34. Ярлыков М.С. Статистическая теория радионавигации. М.: Радио и связь, 1985.-344 е., ил.

35. Ярлыков М.С. Применение марковской теории нелинейной фильтрации в радиотехнике. — М.: Сов. радио, 1980. 358 с.

36. Ярлыков М.С., Миронов М.А. Марковская теория оценивания случайных сигналов. — М.: Радио и связь, 1993.

37. Тихонов В.И., Кульман Н.К. Нелинейная фильтрация и квазикогерентный прием сигналов. — М.: Сов. радио, 1975. — 704 с.

38. Сосулин Ю.Г. Теория обнаружения и оценивания сигналов. М.: Сов. радио," 1978.-320 с.

39. Перов А.И. Статистическая теория радиотехнических систем. М.: Радиотехника, 2003. - 400 с.

40. Первачев С.В., Перов А.И. Адаптивная фильтрация сообщений. М.: Радио и связь, 1991.

41. Первачев С.В., Валуев А.А., Чиликин В.М. Статистическая динамика радиотехнических следящих систем. М.: «Сов. радио», 1973 — 488 с.

42. Первачев С.В. Радиоавтоматика. -М.: Радио и связь, 1982.

43. Меркулов В.И., Лепин В.Н. Авиационные системы радиоуправления. М.: Радио и связь, 1996 396 е.: ил.

44. Оценивание дальности и скорости в радиолокационных системах. 4 1./ Под196ред. А.И. Канащенкова и В.И. Меркулова М.: «Радиотехника», 2004. - 312 с.

45. Амиантов И.Н. Избранные вопросы статистической теории связи. — М.: «Сов. радио», 1971. —416 с.

46. Обмен опытом в области создания сверхширокополосных систем: сборник докладов научно-технической конференции — Омск: Вариант-Омск, 2006. — 302 с.

47. Жданюк Б.Ф. Основы статистической обработки траекторных измерений. — М:: Сов. радио, 1978. 384 е., ил.

48. Zogg J. Основы GPS. Электронный ресурс. : Интернет-учебник. — ID документа GPS-X-02007, *2002. 94 с. - Режим доступа: www.u-blox.com

49. Информация о координатах спутников. Эфемериды в формате TLE Электронный ресурс. Режим доступа: http://celestrak.com1

50. Interface Control Document ICD-GPS-200-C интерфейсный! документ системы GPS NAVSTAR.

51. Система геодезических параметров земли "Параметры Земли 1990 года" (ПЗ-90) Галазин В.Ф., Каплан Б.Л., Лебедев М.Г., Максимов В.Г., Петров Н.В., Сидорова-Бирюкова Т. Л./ Под ред. Хвостова В.В. М. Координационный научно-информационный центр, 1998.

52. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. М.: Наука, 1988.

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

54. Спанье Дж., Гелбард Э. Метод Монте-Карло и задачи переноса нейтронов. Перев. с англ., под ред. А.Д. Франк-Каменецкого. М., Атомиздат, 1972.

55. Михайлов Г.А. Некоторые вопросы теории методов Монте-Карло.197

56. Новосибирск: Наука, СО РАН, 1974.

57. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации. М.: Эко-трендз, 2000

58. Тисленко В.И". Статистическая теория радиотехнических систем: Учеб. пособие. — Томск: Том. гос. Ун-т систем управления и радиоэлектроники, 2003.-153 с.1. Список собственных трудов

59. Тезисы докладов. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. - 528 е., с. 373-374. ISBN 978-59221-0861-4 •

60. Тисленко В.И., Савин А.А. Оценка местоположения наземного источника радиоизлучения в космической системе с измерениями частоты сигналов // Радиотехника — 2006 г. — № И — с. 24-30.

61. Савин А.А., Тисленко В1И. Квазиоптимальная оценка координат наземного источника излучения в космической системе с измерениями частоты радиосигналов // Доклады ТУСУРа 2006 г., № 6(14) - с. 96-102. ISSN 1818-0442

62. Тисленко В.И., Савин А.А. Динамический алгоритм разрешения неоднозначности' в фазовом угломере космической системы определения местоположения наземного источника-радиоизлучения // Доклады ТУСУРа -2006 г., №6(14)-с. 106-113 .ISSN 1818-0442

63. Савин А.А. Экспериментальные исследования атмосферных погрешностей измерений частоты радиосигналов при помощи базовой GPS станции // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. — 2008. — № 1(17).

64. Савин А.А. Экспериментальные исследования частотного метода фильтрации координат наземного источника радиоизлучения в пассивной многопозиционной космической системе // Радиотехнические тетради. -2008.-№37.-С. 78-80: