Автореферат (Алгоритмы пассивной пеленгации источников радиоизлучения коротковолнового диапазона)

На правах рукописиДУБРОВИН НИКОЛАЙ АЛЕКСАНДРОВИЧАЛГОРИТМЫ ПАССИВНОЙ ПЕЛЕНГАЦИИ ИСТОЧНИКОВРАДИОИЗЛУЧЕНИЯ КОРОТКОВОЛНОВОГО ДИАПАЗОНАСпециальность: 05.12.14 – «Радиолокация и радионавигация»Авторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква - 2012Работа выполнена на кафедре «Радиолокация и радионавигация»Московского авиационного института (национального исследовательскогоуниверситета)Научный руководитель:Гаврилов Константин Юрьевич, доктортехнических наук, Московский авиационныйинститут (национальный исследовательскийуниверситет), декан факультета«Радиоэлектроника летательных аппаратов»МАИОфициальные оппоненты:Юдин Василий Николаевич, доктортехнических наук, профессор, Московскийавиационный институт (национальныйисследовательский университет), профессорЛузинов Владимир Александрович,кандидат технических наук, ЗАО «Радий ТН»старший научный сотрудникВедущая организация:ФГУП «ЦНИРТИ им.

академика А.И. Берга»Защита состоится «25» декабря 2012 года в10:00на заседаниидиссертационного совета Д 212.125.03 при Московском авиационноминституте по адресу: 125993 г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4.С диссертацией можноавиационного института.ознакомитьсявбиблиотекеМосковскогоАвтореферат разослан «____» ноября 2012 г.Ученый секретарь диссертационного советад.т.н., доцентСычёв М. И.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы диссертацииВ коротковолновом (КВ) диапазоне радиоволн (частоты 3…30 МГц)имеется большое многообразие источников радиоизлучений (ИРИ). Этомобильные системы радиосвязи наземного, авиационного и морскогобазирования, станции передачи метеопрогнозов, системы дипломатическойсвязи, системы для передачи связи мобильных подразделений специальногоназначения и др.Следует отметить, что современные КВ радиокоммуникационныесистемы стали достойной альтернативой спутниковой и сотовой систем связиврайонах,гдеиспользованиепоследнихлибоневозможно,либоэкономически не целесообразно.

Кроме того, КВ системы являются, какправило,автономными,обеспечиваянезависимостьотместнойкоммуникационной инфраструктуры.В системах КВ радиосвязи применяются узкополосные сигналы АМ,FM, сигналы с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ) сшириной спектра до 100 кГц. Используемые мощности передатчиковсоставляют от 0,01 до 10 кВт, а дальность радиосвязи доходит до несколькихтысяч километров.Длярешенияразличныхгражданских,поисковых,антитеррористических и военных задач весьма актуальными являются задачимониторингаКВдиапазонасцельюобнаружения,классификации(распознавания), пеленгации и определения местоположения различных ИРИв этом диапазоне радиоволн. Многими российскими и зарубежнымипроизводителями выпускаются комплексы контроля радиоизлучений ипеленгования ИРИ в КВ диапазоне.

Одной из важнейших характеристиктаких комплексов является эксплуатационная точность пеленгования ИРИ,которая определяет многие другие характеристики данного комплекса илисистемы в целом – это точность определения местоположения ИРИ (при3использовании метода триангуляции или пеленгации в двух плоскостях),возможность радиоподавления, радиоперехвата и др. При этом в качествеметода пеленгации используется корреляционно-интерферометрическийметод.Анализ характеристик существующих комплексов радиоконтроля ипеленгования для КВ диапазона – «РДС-16К», «АРК-НП1», «Rohde &SchwarzDD01A»,«KRP-KW8M»идр.–показывает,чтосреднеквадратическая ошибка (СКО) пеленгации находится в пределах0,25…5 град.

и в значительной степени зависит от вида и размеров антеннойсистемы. Существенное влияние на точность пеленгации оказывает такжедлительность обработки сигнала, которая для различных комплексовпеленгования находится в пределах 0,1…10 мс. Требование снижениядлительностиобрабатываемогосигналаобусловленоиспользованиемсигналов с ППРЧ, для которых работа на одной частоте может длиться менее10 мс.

Использование многоэлементной антенной системы с числом антеннболее 10 и разнесение их на расстояние до 50…100 м позволяет повыситьточность пеленгации, однако существенно снижает мобильность и времяразвертывания комплекса.Такимобразом,приразработкеновыхилимодернизациисуществующих комплексов пеленгования КВ диапазона весьма актуальнойявляется задача оптимизации вида и размеров антенной системы (с точкизрения числа и расположения отдельных антенн), обеспечивающих заданнуюточность пеленгования при минимальных размерах и числе антенн. При этомследует учитывать, что расположение отдельных антенн на большойплощади в значительной степени зависит от условий конкретного местаразвертывания – наличия зданий и построек, неровностей грунта, свойствпочвы и т.д.

Не менее важным является также выбор и оптимизацияалгоритма обработки сигнала с учетом влияния погрешностей измерений иобработки сигнала, вносимых на всех этапах приема. Комплексный подход кразработкеалгоритмапеленгации,4одновременноучитывающийконфигурацию антенной системы и все погрешности обработки сигнала,позволяет повысить инструментальную точность пеленгации, приблизив ее кпотенциально достижимой.Цель работыРазработка оптимальных и квазиоптимальных алгоритмов пеленгацииИРИ КВ диапазона, позволяющих достичь наивысшую точность пеленгациис учетом особенностей конкретной местности развертывания антеннойсистемы, а также обеспечивающих возможность измерения дальности доИРИ при однопозиционном и стационарном расположении комплексапеленгования.Задачи работы1.

Синтез оптимального алгоритма пеленгации ИРИ, представленного ввиде модели узкополосного случайного процесса, на основе методамаксимального правдоподобия (ММП).2. Расчет потенциальной точности пеленгации на основе неравенстваКрамера-Рао.3. Анализ источников погрешностей определения пеленга ИРИ в реальныхкомплексах пеленгования.4. Проведение натурного эксперимента по пеленгации ИРИ КВ диапазонадля определения инструментальной точности пеленгации и сравнения еес потенциальной.5.

Разработка алгоритмов пеленгации ИРИ с использованием искусственнойнейронной сети (ИНС).6. Анализ работы пеленгатора ИРИ КВ диапазона на основе ИНС исравнение его с пеленгатором на основе ММП.7. Разработка алгоритма измерения дальности до ИРИ КВ диапазона приоднопозиционномистационарномрасположениикомплексапеленгования с учетом особенностей отражения радиоволн от ионосферы.8. Проведение натурного эксперимента по измерению дальности до ИРИ КВдиапазона и оценка полученной точности измерений.5Методы исследованияВ работе использованы методы математической статистики и теориивероятности, методы статистической радиотехники, методы цифровойобработки сигналов, методы обработки информации с помощью ИНС,методы математического моделирования на ПЭВМ, методы проведениянатурного эксперимента с аппаратурой пеленгации ИРИ КВ диапазона.Научная новизна работы1.

Разработана методика оценки пеленга сигнала ИРИ на основе методамаксимального правдоподобия.2. Получено аналитическое выражение для расчета потенциальной точностипеленгования ИРИ, заданного в виде узкополосного случайного процесса,при произвольном расположении отдельных элементов антенной системына поверхности земли.3.

Разработанаметодикаобработкиизмеренийпеленгавусловияханомальных выбросов измерений при малом значении отношения сигналшум (ОСШ), позволившая существенно увеличить точность измеренийпеленга сигнала, приблизив ее к потенциальной.4. Разработана методика измерения дальности до ИРИ КВ диапазона наоснове оценки разности хода лучей, пришедших в точку приема приоднократном и двукратном отражении от ионосферы.Практическая ценность результатов работы1. Комплекс программ, разработанных на основе синтезированного вработе алгоритма пеленгации, реализован в фазовых пеленгаторахРДС-16К, РДС-8К, РДС-4К КВ диапазона.2. Методика анализа потенциальной точности позволяет определять назаданной местности расположение точек приема, обеспечивающеенаивысшую точность пеленгации.63.

Экспериментальные данные пооценкеточностипеленгования,подтверждающие справедливость полученных в работе формул дляпотенциальной точности пеленгования.4. Алгоритмыипрограммыопределенияпеленгаисточникарадиоизлучений при произвольной конфигурации антенной системы наоснове искусственных нейронных сетей.5.

Методикапроведенияпозволившегоирезультатыопределитьнатурноготочностьэксперимента,измерениядальностиразработанных алгоритмов в условиях многолучевого распространениярадиоволн.Основные положения, выносимые на защиту1. В комплексах пеленгования источников радиоизлучения (ИРИ) КВдиапазона использование квазиоптимальных алгоритмов пеленгации наосновеметодамаксимальногоправдоподобиясотбраковкойаномальных измерений позволяет получить точность пеленгации на10…15% хуже потенциальной, вычисленной на основе неравенстваКрамера-Рао.2.

Для существующих ИРИ КВ диапазона при использовании в процессеобработки дополнительно 2…3 гармоник полезного сигнала точностьпеленгации может быть увеличена в 1,2…1,5 раза в зависимости отсоотношения мощностей основной и дополнительных гармоник.3. Трехслойнаянейроннаясетьпрямогораспространенияприоптимизации параметров сети и обучающей выборки реализуеталгоритм пеленгации ИРИ, для которого среднеквадратическая ошибкапеленгации уступает потенциально достижимой не более 5%.4. Разработанная методика оценки дальности до ИРИ, использующая вкачестве дополнительного параметра измерения разности хода лучей,позволяет реализовать оценку дальности в условиях, когда измерениеугла места прихода радиоволн производится с низкой точностью.7ПубликацииПо основным результатам выполненных в диссертации исследованийопубликовано 4 работы, из них 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАКРФ и тезисы докладов на 2-х научных конференциях.Апробация работыМатериалыдиссертационнойработыобсуждалисьна:9-йМеждународной конференции и выставке «Цифровая обработка сигналов иее применение», Москва, 28-30 марта 2007; 3-й Всероссийской научнотехнической конференции «Радиолокация и радиосвязь» ИРЭ РАН, 26-30октября 2009 г.Объем и структура работыДиссертационная работа изложена на 114 машинописных страницах исостоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы, включаяработы автора.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВведениеИзложены сведения об источниках радиоизлучения КВ диапазона.Приведен обзор современных комплексов пеленгования КВ диапазона.Обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачиработы.