Разработка усовершенствованного алгоритма разделения источника радиоизлучения по азимуту

1. Анализ сигнальной и помеховой обстановки в ОВЧ/УВЧ диапазонах частот при оценивании и азимута на ИРИ

1.1 Анализ сигнальной обстановки

1.2 Анализ помеховой обстановки

1.3 Краткие выводы по первому разделу

2. Обоснование требовании к точности разделения ИРИ по азимуту

2.1 Оценка местоположения в интересах принятия решения старшим начальником на действия своих войск

2.2 Оценка местоположения в интересах огневого поражения объектов

2.3 Расчет электромагнитной доступности

2.4 Краткие выводы по второму разделу

3. Оценка эффективности алгоритма разделения по азимуту ИРИ по углу наклона линии взаимного фазового спектра

3.1 Алгоритм измерения взаимной задержки радиосигналов по углу наклона линии взаимного фазового спектра

3.2 Краткие выводы по третьему разделу

4. Обоснование необходимости разработки усовершенствованного алгоритма разделения ИРИ по азимуту Заключение Список используемой литературы Приложение

Список сокращений АМ — амплитудная модуляция ВФС — взаимного Фурье спектра ГС — главная станция ИРИ — источник радиоизлучения КИП — координатно-информативный параметр ЛП — линия положения ОВЧ — очень высокие частоты ОМП — определении местоположения ОСШ — отношение сигнал/шум ПП — параметр положения ППРЧ — программная перестройка частоты РДМ — разностно-дальномерный метод РЛС — радиолокационная станция РП — радиопеленгатор РПУ — радиоприемное устройство РРЛ — радиорелейные линии РЭБ — радиоэлектронная борьба СБН — система ближней навигации СКО — среднеквадратическое отклонение СРНС — спутниковая радионавигационная система СРС — средства радиосвязи УВЧ — ультравысокие частоты УКВ — ультракороткие волны ЧМ — частотная модуляция ШДА — широкодиапазонная антенна ЭЛТ — электронно-лучевая трубка

Введение

Прогресс космических средств навигации, средств радиосвязи, цифровой техники и других областей высоких технологий привел к появлению автоматических территориально-распределенных систем радиомониторинга.

Радиомониторинг — совокупность мероприятий по постоянному или периодическому контролю радиообстановки в широком частотном диапазоне, выявление и анализ новых излучений, оценка их опасности или ценности, определение местоположения их источников.

В военном деле радиоконтроль — это наблюдение за установленным порядком работы радиосвязи в целях проверки выполнения требований скрытого управления войсками, режимов работы, мер радиомаскировки, норм технической эксплуатации и правил ведения радиосвязи. В этих условиях одним из основных способов добывания сведений становится нахождение положения объектов в пространстве и на плоскости. В этом случае принято говорить об определении местоположения (ОМП) объекта.

Общая задача системы определения местоположения заключается в своевременном добывании информации о координатах источников радиоизлучений (ИРИ). Соответственно с видом непосредственно измеряемых параметров положения различают пять основных способов определения местоположения объекта: угломерный, дальномерный, угломерно-дальномерный, разностно-дальномерный, суммарно-дальномерный. Для этих способов вводят понятия координатно-информативного параметра, поверхностей и линий положения.

Координатно-информативным параметром (КИП) радиосигнала называется параметр, несущий информацию о местоположении ИРИ. В качестве КИП используется: амплитуда, частота, фаза, время.

Параметр положения (ПП) — это геометрическая величина, определяемая подсистемой ОМП ИРИ. В качестве ПП могут выступать следующие величины: угол, расстояние, разность расстояний, сумма расстояний.

Линия положения — это геометрическое место точек, соответствующего одному значению параметра положения на плоскости.

Поверхность положения — это геометрическое место точек, соответствующего одному значению параметра положения в пространстве.

В настоящее время активно развивается разностно-дальномерный способ ОМП. Для определения положения объекта на местности данным способом потребуется минимум три измерителя, так как одна пара измерителей формирует только одну линию положения. Достоинством разностно-дальномерного способа является высокая точность определения координат ИРИ, но при этом его сложно технически реализовать, так как требуется жесткая синхронизация измерителей.

В разностно-дальномерном способе ОМП координатно-информативным параметром будет являться разность времени прихода сигналов (временная задержка). Существует два способа измерения взаимной задержки радиосигналов:

1. На основе взаимной корреляционной функции;

2. По углу наклона линии взаимного фазового Фурье-спектра.

В настоящее время, наибольший интерес представляет второй способ измерения взаимной задержки, так как он позволит с достаточной точностью произвести разделение по азимуту близкорасположенных друг к другу источников радиоизлучения.

Прежде чем приступить к решению поставленной задачи необходимо определить объект и предмет исследования.

Объект — это процесс или явление, порождающее проблемную ситуацию и взятое исследователем для изучения. Предмет — это то, что находится в рамках, в границах объекта. Объект — это та часть научного знания, с которой исследователь имеет дело. Предмет исследования — это тот аспект проблемы, исследуя который, мы познаем целостный объект, выделяя его главные, наиболее существенные признаки.

В данном исследовании объектом будут выступать алгоритмы измерения взаимной задержки сигналов, а предметом будет помехоустойчивость этих алгоритмов при измерении КИПа.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие частные задачи:

1. Произвести анализ сигнальной и помеховой обстановки в УКВ диапазоне частот.

2. Обосновать требования к точности разделения ИРИ по азимуту.

3. Оценить эффективность алгоритма разделения по азимуту ИРИ по углу наклона линии взаимного фазового спектра.

4. Обосновать необходимость разработки усовершенствованного алгоритма разделения ИРИ по азимуту.

1. Анализ сигнальной и помеховой обстановки в ОВЧ/УВЧ диапазонах частот при оценивании и азимута на ИРИ В настоящее время наиболее используемым и перспективным, считается ультракоротковолновый (УКВ) диапазон, ввиду того, что насыщен различными системами связи с большим разнообразием услуг и возможностей.

Под УКВ радиосвязью понимается связь в метровом и дециметровом диапазонах волн. Основное описание этих диапазонов представлено в таблице 1.1. В соответствии с условиями распространения радиоволн в данном диапазоне наиболее устойчив радиоприем в пределах прямой видимости передатчика и приемника: между наземными объектами на расстоянии около 30 км, между воздушными — 500 км.

Таблица 1.1 — Характеристика ОВЧ/УВЧ-диапазонов

УКВ широко применяются в системах связи и вещания. Большинство таких систем работает в пределах зон, ограниченных условиями прямой видимости корреспондирующих пунктов. Увеличение дальности связи до нескольких тысяч километров достигается в так называемых радиорелейных линиях (РРЛ) — цепочке ретрансляционных станций, отстоящих друг от друга на расстоянии прямой видимости. В РРЛ используют волны УВЧ-диапазона. Большая ширина диапазонов УКВ по частоте и возможность создания узконаправленных антенных систем позволяют применять этот диапазон для создания широкополосных и многоканальных магистральных линий связи. Диапазон УКВ является единственным, в котором осуществляются телевизионные передачи и организуется высококачественное частотно-модулированное радиовещание. В тех случаях, когда размещение ретрансляторов в РРЛ на расстояниях прямой видимости затруднено, используются линии дальней тропосферной радиосвязи.

Проведем анализ сигнальной и помеховой обстановки ОВЧ и УВЧ диапазонов.

1.1 Анализ сигнальной обстановки радиоизлучение азимут сигнал спектр В УКВ диапазоне большое многообразие различных систем связи. Как правило, применяется одноканальная телефония, телеграфная радиосвязь, функционирует связь на основе обычных радиостанций с узкополосной частотной модуляцией, действуют автоматические сети связи с аналоговой и цифровой передачей речевой информации, развернуты системы беспроводной передачи данных. В последние годы наметилась тенденция к созданию многопозиционных радиостанций, обеспечивающих УКВ и спутниковую связь.

Одним из основных потребителей УКВ диапазона являются вооруженные силы практически всех стран мира, в частности этот диапазон широко применяется в авиационных радиостанциях, то есть отдельно надо сказать об авиадиапазоне 117,975?137 МГц (шаг сетки 19,025 кГц), где для связи «борт-земля» используют радиотелефонная связь с АМ.

В последние годы в войсковых радиостанциях начато использование диапазона частот радиолюбителей 420?4500 МГц, а также диапазона 900?1215 МГц, отведенного аэродромным РЛС.

Существующий парк авиационных средств связи ВС США и НАТО обеспечивает телефонную связь и передачу данных между самолетами и наземными, корабельными, воздушными пунктами управления. Все самолеты тактической авиации ВВС и ВМС США оборудованы, по меньшей мере, одной радиостанцией УВЧ (225?400 МГц), самолеты непосредственной воздушной поддержки — радиостанциями ОВЧ диапазона (30?88 МГц), самолеты стратегической авиации — радиостанциями УВЧ (ближняя связь) и КВ (дальняя связь) диапазонов. Узкополосная ЧМ в наиболее простом виде может применяться в технологических целях в ОВЧ-диапазоне. Как правило, используется одна и та же частота, выход в эфир осуществляется поочередно (симплекс). Системы узкополосной ЧМ и диапазоны частот, в которых они осуществляют связь, указаны в таблице 1.2. Также применяются две частоты разнесенных на 30?40 МГц (дуплекс, для абонентов — полудуплекс). Наиболее оптимальным в настоящее время признано использование сетей подвижной радиосвязи общего пользования (транкинговых, сотовых), так как они предоставляют абонентам больше разнообразных услуг (от образования диспетчерской связи отдельных служб до автоматического выхода на абонентов городских и междугородних телефонных сетей), а также позволяют резко поднять пропускную способность сети. Одной из разновидностей систем связи в УВЧ-диапазоне являются транкинговые (стволовые) системы. Они возникли ввиду необходимости более рационально использовать ограниченный частотный ресурс и объединяют пользователей в одну группу с обеспечением приоритетного или общего равного автоматического доступа к системе радиоканалов связи по принципу обычной телефонной сети.

Таблица 1.2-Характеристика системы узкополосной ЧМ

Способ передачи речи в транкинговой системе: аналоговый с помощью частотной модуляцией при разносе каналов 12,5/25 кГц или цифровой со скоростью передачи речевых данных не более 4,8 кбит/с. В таблице 1.3 приведены основные характеристики некоторых цифровых транкинговых систем.

Самым массовыми и стремительно развивающимся в настоящее время являются сети сотовой связи, которые рассматриваются, прежде всего как системы индивидуальной связи.

Принято говорить о трех системах сотовой связи: аналоговых системах, цифровых системах, широко использующихся в настоящий момент, и перспективных универсальных системах близкого будущего, позволяющих передавать видео и мультимедийные данные со скоростями 2?10 Мбит/с.

Известными стандартами цифровых сотовых систем связи — GSM, D-AMPS CDMA. Их основные характеристики приведены в таблице 1.4.

Таблица 1.3 — Основные характеристика транкинговых систем связи

Особое значение в УКВ-диапазоне играют системы ближней навигации. Используемый диапазон частот (700?1000 МГц) предопределяет работу с наземными радиомаяками в пределах прямой видимости (не более 400 км при высоте полета 10 км). Наибольшее распространение в УВЧ-диапазоне получили отечественная угломерно-дальномерная радиотехническая СБН (770?1000 МГц), а также разработанные в США угломерная система TACAN (900?1200 МГц) и дальномерная система DME (960?1215 МГц) и в ОВЧ-диапазоне угломерная система VOR (108?118 МГц).

Таблица 1.4 — Основные характеристики стандартов цифровой сотовой связи

Как видно из таблицы 1.4 самый популярный стандарт сотовой связи — GSM использует технологию множественного доступа с разделением по времени (TDMA), а также применяются системы с ППРЧ для большей помехоустойчивости и обхода замираний.

Произведена модернизация отечественной РСБН с целью обеспечения ее работы в международном диапазоне частот 960?1215 МГц интеграции с зарубежными системами DME/TACAN, а также расширения ее функциональных возможностей позволит наиболее рационально с точки зрения временных и финансовых затрат реализовать планы конверсии радиочастотного спектра. При этом это позволит освободить занимаемый в настоящее время диапазон частот 726?960 МГц для развития телевидения и систем сотовой подвижной связи. Перспективы развития радионавигации связаны, прежде всего, с совершенствованием и расширением возможностей спутниковых радионавигационных систем (СРНС).

СРНС второго поколения — отечественная ГЛОНАСС и американская GPS разрабатывались по заказу военных ведомств и предназначались для обеспечения точного позиционирования высоко-динамичных объектов военного назначения. Однако предусматривалось использование данных систем гражданскими пользователями с худшими точностными характеристиками, для военных потребителей, использующих закрытый канал. ГЛОНАСС применяет передачу двухкомпонентного навигационного сигнала в диапазонах L₁ (1,6?1,62 ГГц) и L₂ (1,26?1,27 ГГЦ), что позволяет с помощью ионосферной коррекции повысить точность решения навигационных задач.

Современная военная спутниковая связь обеспечивает закрытый помехоустойчивый обмен речевыми сообщениями, данными, видеоизображениями, организацию видеоконференций для всех звеньев управления. Высокие темпы ее развития и внедрения в последние десятилетия также обусловлены значительными достижениями ведущих фирм — производителей средств связи в сфере информационных технологий.

В настоящее время на вооружении СВ США состоят стационарные и мобильные (транспортабельные, переносные, портативные) станции спутниковой связи. Они работают через искусственные спутники Земли (ИСЗ) военных систем спутниковой связи в УВЧ-диапазоне (225?400 МГц).

До сих пор самым актуальным в наше время остается наземное телевизионное вещание, которое осуществляется в диапазоне метровых (48,5?230 МГц) и дециметровых волн (470?790 МГц), с разбиением на поддиапазоны:

I поддиапазон — 48,5?66 МГц (радиоканалы 1 и 2);

II поддиапазон — 76?100 МГц (радиоканалы 3 -5);

III поддиапазон — 174?230 МГц (радиоканалы 6 — 12);

IV поддиапазон — 470?582 МГц (радиоканалы 21 — 34);

V поддиапазон — 582?790 МГц (радиоканалы 35 — 60).

В крупных городах существуют также системы распределения программ телевидения MMDS (Multichannel Multipoint Distribution Systems), в которых сигналы группы каналов (например, 24) предаются в диапазоне частот 2500?2700 МГц для последующего приема и использования в кабельных сетях.

В настоящее время, также широко используются системы с программной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ), работающих в современных системах связи УКВ диапазона. При методе ППРЧ расширение спектра обеспечивается путем скачкообразного изменения несущей частоты в выделенном для работы СРС диапазоне W_s. Под скачкообразным изменением частоты следует понимать периодическую перестройку одной частоты или нескольких частот, используемых для передачи сигналов. Сигналы с ППРЧ можно рассматривать как последовательность в общем случае модулированных радиоимпульсов, несущие частоты которых перестраиваются в диапазоне W_{s .} Число перестраиваемых частот и порядок их чередования определяются псевдослучайными кодами. Фундаментальный принцип псевдослучайности сигналов препятствует системе РЭП добиваться эффективного воздействия на СРС с ППРЧ организованных помех и вынуждает систему РЭП с ограниченной мощностью передатчика распределять соответствующим образом спектральную плотность мощности по частотному диапазону СРС. Перестройка несущей частоты (скачок) может происходить в такой полосе частот, которая включает в себя несколько частотных каналов. Каждый канал можно рассматривать как спектральную область с центральной частотой, значение которой является одной из возможных несущих частот в выделенном диапазоне. Каналы могут быть или смежными (соприкасающимися), или разнесенными друг от друга неиспользованными спектральными областями. Такой метод формирования сигналов с ППРЧ позволяет исключать в случае необходимости из всей совокупности частотных каналов те каналы, которые заняты сильными помехами, или в которых имеет место устойчивые замирания. В зависимости от соотношения времени работы на одной частоте T_h и длительности информационных символов T_s ППРЧ может быть классифицирована на межсимвольную, посимвольную и внутрисимвольную (в частном случае при двоичной ЧМ и без кодированияна межбитовую (рисунок 1.1.1а), побитовую (рисунок 1.1.1б) и внутрибитовую).

Рисунок 1.1.1 — Сигнал с ППРЧ: а) неслучайная межбитовая ППРЧ; б) случайная побитовая ППРЧ

Метод ППРЧ широко применяют в подвижных СРС и в тех случаях, когда требуется энергию передаваемого сигнала рассредоточить по возможно более широкой полосе частот. Ширина занимаемой полосы частот при этом принципиальных ограничений не имеет с точки зрения параметров разрабатываемой СРС.

Квадратом с горизонтальными линиями обозначен основной канал (канал передачи), по которому в соответствующие отрезки времени передаются элементы сообщения, а квадратом с наклонными линиями — дополнительный канал, в котором в эти же отрезки времени элементы сообщения отсутствуют.

M_f = W_s / F_{s ,} (1)

где F_s — ширина полосы одного частотного канала;

M_f — число частотных каналов.

Для сравнения различных СРС с ППРЧ в качестве одного из отличительных признаков используется скорость скачков частоты в единицу времени. По этому признаку различают СРС с медленной, средней и быстрой скоростью перестройки частотных элементов. Так как эта скорость не стандартизирована, то условно перестройка считается медленной при 100−300 скачках в секунду (ск/с), а при 1000 ск/с и более имеет место быстрая перестройка; скорость ППРЧ между этими двумя значениями считается средней. Хотя скорость ППРЧ и используется при сравнении СРС, однако она имеет косвенное значение. Самым важным параметром любой СРС с ППРЧ с точки зрения помехоустойчивости является фактическое время работы на одной частоте. Этот параметр и характеризует способность СРС с ППРЧ «уходить» от помехи РЭП.

Скачки частоты сопровождаются паузами между ними, определенными временем перестройки генератора несущего колебания. Больше частота скачков — больше пауз, что непосредственно влияет на увеличение скорости передачи.

В режиме ППРЧ речь передается в цифровой форме со скоростью 19,2 кбит/с. Увеличение скорости обусловлено паузами между соседними скачками частоты.

Ярким примером радиосвязи со скачкообразным изменением частоты является программа JAGUAR. Создано два типа радиостанций: JAGUAR-V — диапазона 30?80 МГц со скоростью 100 скачков/с и JAGUAR U — диапазона 225?400 МГц со скоростью 150?200 скачков/с.

1.2 Анализ помеховой обстановки Помимо полезных радиосигналов в УКВ-диапазоне действуют посторонние колебания различного происхождения, называемые радиопомехами. Они могут вызывать искажения принимаемых сообщений. При телефонной связи они проявляются в виде щелчков, треска и шума, ухудшающих разборчивость речевых сообщений, радиопомехи могут быть по интенсивности сравнимыми с радиосигналами от нужного корреспондента или превосходить его. В этом случае правильный прием переданных сообщений обычно оказывается либо сильно затруднен, либо невозможен.

Наиболее характерными видами помех являются следующие:

1) посторонние радиосигналы. Поскольку потребность в радиосвязи очень велика, а диапазоны радиочастот не безграничны, реализация в полной мере частотного разделения не удается и приходится допускать одновременное использование одних и тех же частот на многих линиях радиосвязи. Чтобы избежать взаимных помех общие частоты применяют на отдельных друг от друга радиолиниях;

2) индустриальные помехи. Это помехи могут вызываться электромагнитными излучениями промышленных, транспортных, медицинских, научных, бытовых и прочих электрических установок. Они возникают главным образом при наличии электрических искр, дуги, либо при резких изменениях тока в электрических цепях могут распространятся по соединенным с этим устройствами проводам на большие расстояния, излучаться в окружающее пространство и действовать на антенны радиоприемных устройств;

3) космические шумы. Эти помехи радиоизлучениями из-за атмосферного пространства. Например, с солнечными пятнами связано интенсивное радиоизлучение солнца в диапазоне метровых волн. Заметные излучения приходят со стороны некоторых созвездий и туманностей. Этот вид радиопомех особенно важно учитывать при создании и эксплуатации систем космической радиосвязи;

4) атмосферные помехи. Электрические явления в атмосфере создают электромагнитные волны, далеко распространяющиеся во всех направлениях и оказывающих влияние на прием нужных радиосигналов.

Основным источником атмосферных помех являются грозовые разряды. Грозовая активность приводит к значительному повышению уровня помех, создавая мощные электромагнитные возмущения, распространяющиеся на огромные расстояния. Напряженность поля помех зависит от грозовой активности и скорости распространения в ионосфере.

Существуют три сценария, характеризующие интенсивность атмосферных помех в зависимости от времени суток и региона:

спокойный (ночной период суток). Данный период характеризуется спокойными условиями воздействия помех, при которых компоненты формируемой импульсной помехи создаются единичными вспышками с относительно небольшой интенсивностью.

тропический. Данная ситуация характерна для регионов, расположенных в средних широтах и для летних месяцев. Данный период характеризуется многочисленными грозовыми разрядами, которые распространяются на обширные районы. Некоторые помехи распространяются на большие расстояния и достигают места расположения антенны приемника, хотя в непосредственной близости источники помех отсутствуют.

фронтальные. Грозовые разряды формируются в непосредственной близости от места расположения антенны приемника, т. е. образуется локальный район атмосферных помех с высокой интенсивностью.

Типичными помехами, действующими на входе приемников, являются:

— широкополосная шумоподобная помеха (на рисунке 1.2.1 показаны уровни широкополосных помех);

— интерференция незатухающих колебаний;

— импульсные помехи.

Рисунок 1.2.1 — Диаграмма уровней помехи в зависимости от ширины полосы для широкополосной помехи Эталонные значения для широкополосной помехи изменяются в зависимости от ширины полосы. Действие помехи можно представить как широкополосный шум на частоте 1575,42 МГц.

На данном рисунке отчетливо видно, что с увеличением ширины полосы, используемой при данном виде связи, уровень широкополосной помехи также увеличивается.

1.3 Краткие выводы по разделу Проведенный анализ сигнально-помеховой обстановки позволяет сделать следующие выводы:

УКВ диапазон является наиболее используемым и перспективным, ввиду того, что насыщен различными системами связи с большим разнообразием услуг и возможностей.

На рисунке 1.4.1 показаны системы радиосвязи и их частотные границы.

Рисунок 1.4.1 — Занятость ОВЧ/УВЧ диапазонов системами связи В данных диапазонах широко применяются системы радиолокации, ближней радионавигации, спутниковых РНС, радиорелейной линии, мобильных системах связи, также является единственным, в котором осуществляются телевизионные передачи и организуется высококачественное частотно-модулированное радиовещание и множество различных систем связи. Но наряду с полезными сигналами не стоит забывать о помехах и замираниях присутствующих в данном диапазоне;

Таким образом, можно сделать вывод о значительной загруженности УКВ-диапазона, что делает этот его наиболее интересным для радиоконтроля, в отличие от остальных диапазонов, так как в нем работают основные системы связи и радиотехнические системы иностранных государств.

2. Обоснование требовании к точности разделения ИРИ по азимуту Оценка точности радиопеленгования производится эксплуатационной угловой ошибкой радиопеленгатора, которая включает в себя инструментальную ошибку и ошибки от других источников, проявляющиеся в реальных условиях пеленгования.

Ниже представлены ошибки, влияющие на точность пеленгования:

1) изменение причин, вызывающих инструментальные ошибки, часто приводит к наличию значительной случайной составляющей.

2) ошибки среды распространения определяются отклонением трассы радиоволны от плоскости дуги большого круга, соединяющей источник радиоизлучения (ИРИ) с радиопеленгатором, под влиянием различных факторов, действующих в среде распространения радиоволн.

3) ошибки среды окружения радиопеленгатора, то есть ошибки местности, характеризующиеся влиянием рельефа и предметов, непосредственно окружающих место установки пеленгатора.

4) топогеодезические ошибки зависят от точности привязки антенно-фидерной системы, а также от точности прокладки линий пеленгов на карте. Неточность привязки пеленгатора на местности приводит к ошибке линии положения и непосредственно влияет на линейную ошибку места.

Нельзя также забывать про субъективные ошибки, которые определяются квалификацией оператора и условиями измерений, а также конструкцией и возможностями индикатора углов (цена деления, удобство отсчета, расплывчатость линии пеленга на экране ЭЛТ и т. д.). Таким образом в процессе измерения координат необходимо учитывать возможные ошибки и условия измерения, так как они непосредственно влияют на точность проводимых измерений. В общем виде структура тракта измерения координат ИРИ представлена на рисунке 2.1[7]:

Рисунок 2.1 — Структура тракта измерения координат ИРИ Требования к точности измерения координатно-информативного параметра определяются для двух случаев:

а) оценка местоположения в интересах принятия решения старшим начальником на действия своих войск;

б) оценка местоположения в интересах огневого поражения объектов.

Проведем анализ требований к точности по этим критериям.

2.1 Оценка местоположения в интересах принятия решения старшим начальником на действия своих войск Для разделения на местности двух близкорасположенных друг к другу объектов по азимуту необходимо обеспечить выполнение основного требования: «В интересах принятия решения старшим начальником на действия своих войск точность определения местоположения близкорасположенных объектов определяется половиной расстояния между ними». Данное требование отражено на рисунке 2.1.1 и определяется выражением (2.1).

R_cк = R/2, (2.1)

где R — расстояние между объектами.

При этом в зависимости от типа звена управления подразделяется:

а) в тактическом звене 1?3 км;

б) в оперативно-тактическом звене 3?5 км.

Таким образом, точностные характеристики системы определения местоположения объекта можно оценить радиусом круговой среднеквадратической линейной ошибки (R_cк). Результаты расчетов абсолютной ошибки измерения задержки сигнала в зависимости от звена управления сведены в таблицу 2.2.1.

Рисунок 2.1.1 — Разделение близко расположенных друг к другу объектов Таблица 2.2.1 — Результаты расчета абсолютной ошибки измерения задержки сигнала

2.2 Оценка местоположения в интересах огневого поражения объектов Точность определения местоположения объектов в интересах огневого поражения определяется радиусом поражения:

R_cк? R_пор, (2.2)

где R_пор — радиус поражения.

Данное требование отражено на рисунке 2.2.1.

Рисунок 2.2.1 — Точность определения местоположения в зависимости от радиуса поражения огневыми средствами Точность местоопределения зависит от радиуса поражения, а так как у орудий огневых средств различные радиусы поражения, то соответственно для каждого из этих средств будет соответствовать своя точность определения местоположения объекта. В таблице 2.2.2 представлены характеристики некоторых поражающих средств.

Таблица 2.2.2 — Виды поражающих средств и их радиусы поражения

Установлено, что разностно-дальномерный метод (РДМ) обладает высокой потенциальной точностью. Местоположение ИРИ с использование разностно-дальномерных систем местоопределения определяется как точка пересечения линий положения, каждая из которых представляет собой гиперболы от двух наземных станций.

Учитывая соотношение для каждой пары [8]:

где у_ф1 и у_ф2 — среднеквадратические значения погрешностей измерения параметра положения ф₁ и ф₂, представляющих собой разность моментов прихода сигналов соответственно для первой и второй пары станций;

ш₁ и ш₂ — углы, под которыми видны первая и вторая базы системы.

Для среднеквадратического значения радиальной ошибки вычисления местоположения ИРИ получим:

где г — угол, под которым видна общая база системы.

На рисунке 2.2.2 представлено размещение разностно-дальномерной системы местоопределения на местности имеет следующие исходные данные:

R₁₁=15 км; R₂₁=20 км; R₃₁=30 км;

R₁₂=20 км; R₂₂=20 км; R₃₂=25 км;

R₁₃=30 км; R₂₃=20 км; R₃₃=20 км;

Для КП 1: Для КП 2: Для КП 3:

г = 85? г = 95? г = 70?

ш₁= 53? ш₁= 46? ш₁= 46?

ш₂= 32? ш₂= 49? ш₂= 24?

Широкодиапазонная антенна на мачте высотой 12 м.

Отсюда можно перейти непосредственно к определению КИП:

Данные по определению КИП, рассчитанные по формуле (2.6), для точности определения местоположения объектов в интересах огневого поражения сведены в таблицу 2.2.3.

Таблица 2.2.3 — Результаты расчета абсолютной ошибки измерения задержки сигнала

Рисунок 2.2.2 — Размещение измерительных станций разностно-дальномерной системы местоопределения (частный случай)

2.3 Расчет электромагнитной доступности В РДМ важным является оценка эффективности радиосвязи при передаче радиосигнала от объекта (например для КП 1) к трем измерительным станциям (ИС), одна из которых является базовой (БС). Радио трасса имеет следующие исходные данные [8]:

А_ш=18 дБ, Р (D? D_доп)_треб=0,9;

Т_{пер.доп}=2 мин, Р (Т_пер? Т_{пер.доп})=0,8;

f = 140 МГц;

R₁₁=15 км;

R₁₂=20 км;

R₁₃=30 км;

объект неподвижен;

местность сильнопересеченная, трасса для первых двух корреспондентов (R₁₁=15 км и R₁₂=20 км) проходит по открытой местности, последний корреспондент (R₁₃=25 км) находится в лесу;

тип радиосредств — радиостанция IC-8500 (комплекса «Торн»);

вид сигнала — ЧМ.

Расчет:

Для работы на заданных расстояниях связи на стоянке необходимо использовать имеющуюся в комплекте радиостанции широкодиапазонную антенну (ШДА), установленную на мачте высотой 12 м. При этом на частоте 140 МГц длина волны будет равна л ~ 2,14 м.

Расчет расстояния прямой видимости R_пр = 4,12(v12+v12)=29 км.

Следовательно, область прямой видимости в этом случае распространяется до расстояния 0,8R_пр ~ 23,5 км для 1-го и 2-го РП условие R? 0,8R_пр выполняется. РП 3 относительно КП будут находиться за пределами области прямой видимости.

Мощность передатчика радиостанции IC-8500 на заданной частоте связи равна:

Р_прд = 10 lg 140· 10¹²= 141,5 дБ.

Для подключения ШДА к радиостанции можно использовать, кабель РК75−7-21 длиной не более 20 м. Коэффициент затухания такого кабеля равен Gк = 0,07 дБ/м.

Тогда з_ф пер= з_ф пр = 10^{-0,1· R·Gк} ;

з_ф пр =10^{-0,1· 0,07· 15}=0,785 (1,05 дБ).

На f =140 МГц ШДА имеет

G_nep= G_np = 1,9 (2,8 дБ).

Коэффициент согласования по поляризации ж_п=0 дБ.

Расчет затухания с учетом расстояния (формула (2.7)):

W₀=122+20· lg (R/ л); (2.7)

Для R = 15 км

W₀=122+20· lg (7,01)=98,9 дБ;

R = 20 км

W₀=122+20· lg (9,35)=101,4 дБ;

R = 30 км

W₀=122+20· lg (11,68)=104,9 дБ;

для R = 15 км W₀=98,9 дБ, для R = 20 км W₀=101,4 дБ, для R = 30 км W₀=104,9 дБ.

Расчет затухания сигнала на радиотрассе.

Следовательно, для каждого РП затухание рассчитывается по следующей формуле (2.8):

Для РП 1 затухание W_T рассчитаем по формуле:

при этом средний уровень сигнала равен:

у_п1 = 141,5 — 1,05 + 2,8 + 2,8 — 1,05 — 98,9 — 37,03 = 9,07 дБ.

РП 2 затухание W_T рассчитаем по формуле:

при этом средний уровень сигнала равен:

у_п2 = 141,5 — 1,05 + 2,8 + 2,8 — 1,05 — 101,4 — 39,52 = 4,08 дБ.

В случае РП 3, так как R? 0,8R_пр будем использовать формулу (2.9):

W_T[дБ] =17,1 (r — r_пр) + W_0(м), (2.9)

Необходимые для расчета W_T масштаб расстояний L и масштаб высот Н находятся с помощью соотношений (2.10) и (2.11) соответственно:

где а_з = 8500 км — эквивалентный радиус Земли.

Отсюда для этого начале рассчитаем затухание на дальности прямой видимости W_0(м) (формула (2.12)) (когда R=R_np)_t зависящее от параметра а. характеризующего радиус кривизны препятствий;

r=R/L — относительное расстояние;

r_пp=R_np/L — относительное расстояние прямой видимости.

Параметр м зависит от относительных высот поднятия антенн y_1,2=h_1,2/H и определяется по формуле (2.13):

Тогда В результате

W_T[дБ] = 17,1 (0,81 — 0,79) + 31,154 = 31,496 дБ.

Расчет среднего уровня сигнала равен:

y_п3 = 141,5 — 1,05 + 2,8 + 2,8 — 1,05 — 104,9 — 31,154 = 8,946 дБ.

Таким образом, средние уровни сигналов на трех радиотрассах равны у_п1 = 9,07 дБ;

у_п2 = 8,946 дБ;

y_п3 = 4,08 дБ.

ОСШ: 9,07; 8,946; 4,08;

2.4 Краткие выводы по разделу Проведя оценку электромагнитной доступности и эффективности радиосвязи, можно сделать вывод о том, что при передаче сигнала среднее значения отношения сигнал шум может быть менее 10 дБ. Это практически подтверждено расчетами, что в свою очередь будет оказывать отрицательное влияние на определение координатно-информативного параметра.

3. Оценка эффективности алгоритма разделения по азимуту ИРИ по углу наклона линии взаимного фазового спектра

3.1 Алгоритм измерения взаимной задержки радиосигналов по углу наклона линии взаимного фазового спектра Для определения координат ИРИ в разностно-дальномерной системе местоопределения основополагающим является вычисление разности расстояния хода лучей, распространяющихся от источника к двум разнесенным приемным пунктам, функцией которого является время задержки одного сигнала относительно другого. Предварительный анализ позволил из множества возможных алгоритмов определения остановиться на способе измерения по углу наклона линии взаимного фазового спектра, как обладающим большей точностью и надежностью результатов в сравнении с другими.

При измерении разности фаз сигналов по углу наклона фазовой линии на основе комплексных мгновенных спектров F_x(f) и F_у(f) двух сигналов x (t) и y (t) их взаимный спектр F_xy(f) определяется выражением (3.1):

F_xy(f) = F_x(f)^*· F_y(f), (3.1)

где F_x(f)^* — комплексно-сопряженный спектр сигнала x (t).

Следовательно, амплитуда взаимного спектра равна произведению амплитуд обоих мгновенных спектров, а фазовый угол равен разности присущих этим мгновенным спектрам фазовых углов.

Модуль взаимного спектра отображает степень соответствующих сигналов в зависимости от частоты, а фазовый угол взаимного спектра дает представление о фазовом сдвиге сигналов. Так как временная задержка соответствует определенному углу наклона кривой фазового спектра, то он может использоваться в качестве меры временной задержки.

Взаимный спектр F_xy(f) связан с задержкой сигнала выражением (3.2)

F_xy(f) = F_x(f) · е ^{(-j· 2·р·f·ф)}, (3.2)

Предлагается воспользоваться свойством взаимного фазового спектра (фазового спектра взаимной корреляционной функции), которое выражается зависимостью (3.3):

где ц_i, ц_k — разности фаз i-ой и k-ой спектральных составляющих сигнала;

f_i, f_k — частоты i-ой и k-ой спектральных составляющих сигнала, i? k;

?f — ширина спектра сигнала.

Следовательно, сдвиг времени ф₀ участвует только в фазовом угле и_xy(f), который определяется формулой (3.4):

и_xy(f) = 2· р·f·ф₀, (3.4)

где и_xy(f) — линейная функция от частоты с наклоном, равным 2· р·f · ф_0.

В соответствии с выражением (3.3) идеальный взаимный фазовый спектр будет иметь вид прямой, наклон которой в координатах частота-фаза зависит от ф₀ (рисунок 3.1):

Рисунок 3.1 — График зависимости фазового угла от частоты в задаче определения запаздывания Учитывая воздействия шумов на сигнал, трудно рассчитывать на высокую степень такой оценки по двум спектральным составляющим. Однако, сигналы являются шумоподобными (т.е. спектр их практически непрерывен в полосе частот), что позволяет воспользоваться одним из аппаратов усреднения. Таким образом, первым этапом является нахождение разности фаз всех спектральных составляющих используемых сигналов.

Для решения этой задачи воспользуемся преобразованием Фурье (3.5)

где F_{k, 1}, F_{k, 2} — к-е спектральные отсчеты первого и второго сигналов;

F_{m, 1}, F_{m, 2} — m-е временные отсчеты первого и второго сигналов;

N — число отсчетов.

Применим свойства взаимного Фурье спектра (ВФС), определяемого соотношением (3.6):

F_k = F^*_{k, 1}· F_{k, 2} (3.6)

где F^*_{k, 1} — комплексно-сопряженный с F_{k, 1} к-й спектральный отсчет.

Очевидно, что идеальный ВФС для указанного случая будет иметь вид прямой, наклон которой в координатах частота-фаза зависит от ф₃.

Однако, ввиду неопределенности функции арктангенса ±2· р·n (3.7), реальный фазовый спектр имеет в тех же координатах пилообразный вид с «иссеченными» вблизи скачков фазы участками, как показано на рисунке 3.2.

Смещения задержки при 4-х отсчетах представлено на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 — а) График зависимости фазового угла от частоты, б) спектр сигнала на фазовой линии

Таким образом, при оценке эффективности алгоритма разделения по азимуту ИРИ по углу наклона линии взаимного фазового спектра необходимо учитывать точностные характеристики, так как имеют место среднее отклонение (смещение) и среднеквадратическое отклонение (СКО).

Смещение — это оценка погрешности результатов измерения, то есть, иначе говоря, это разность, которая показывает насколько результат i-го измерения отличается от среднего значения.

Данная величина определяются следующим образом (3.8):

(3.8)

где ф₃ — истинное время задержки;

ф_ср — усредненное значение измеренной задержки по нескольким измерениям.

Если отклонение очень мало, то результаты измерений близки к истинным и, вероятно, очень точны. Если отклонение велико, то измерения, очевидно, не являются точными.

Очевидно, что среднее отклонение — это не лучшая характеристика достоверности результатов измерений, поэтому необходимо определить среднеквадратичное отклонение, которое позволит более оптимально оценить точность измерения. Среднеквадратическое отклонение измерения определяется по формуле:

(3.9)

где М — число измерений;

ф_i — текущее время задержки;

ф_ср — усредненное значение текущих измеренных интервалов задержки.

Предлагаемый математический аппарат реализован в виде алгоритма в среде программирования Matlab. Модуль входного воздействия предназначен для исследования точностных характеристик измерителя взаимной задержки сигналов в разностно-дальномерной системе местоопределения. Он генерирует две реализации одного и того же сигнала, сдвинутых один относительно другого на необходимое число отсчетов (что является имитацией задержки сигналов ф₃, принимаемых в разнесенных пунктах приема) с заданным отношением сигнал/шум на входах приемников. Это можно представить виде структуры (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 — Структура программы нахождения временной задержки и ее точности Для реализации данного прототипа алгоритм имеет следующие исходные данные: Qp = 1000 — отношение сигнал/шум по мощности;

N = 4096 — обобщенное число обрабатываемых отсчетов;

Fс = 35· 10³ Гц — несущая частота сигнала;

Um = 1В — амплитуда сигнала;

Дf_дев = 6,5· 10³ Гц — девиация частоты;

ц₀ = 0 — начальная фаза сигнала;

N3=1 — число отсчетов задержки сигнала;

Pш₁=1 — мощность шума в первом канале;

Pш₂=1 — мощность шума во втором канале;

fд = 4· (Fc+ Дf_дев) — частота дискретизации;

Вид сигнала — с минимальной частотной манипуляцией (МЧМ).

Данный алгоритм предполагается осуществить в следующем порядке, как показано на рисунке 3.3.

1. Производиться приём прямого и задержанного сигналов, для этого в среде программирования производится имитация радиоприемного устройства (РПУ), в котором на сигнал накладывается белый гаусовский шум, так как это обеспечивает реальные условия приёма.

2. Осуществляется вычисление комплексных спектров первого и второго сигналов с использование преобразования Фурье и расчет взаимного фазового спектра сигналов.

3. Построение спектра зашумленного канала (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 — Спектр сигнала на фоне шума, принимаемого РПУ Производиться решение матричного уравнения линейной регрессии и получения уравнения прямой, описывающей фазовую линию.

4. Формирование фильтра с полосой пропускания, рассчитанного для полосы обрабатываемого сигнала.

5. Построение фазовой линии с присутствующим на ней сигналом (рисунок 3.5).

6. Нахождение ф_ср — усредненного значения измеренного времени задержки.

Рисунок 3.5 — Спектр сигнала на фазовой линии

8. Расчет и построения на графиках точностных характеристик (смещение — рисунок 3.6 и СКО — рисунок 3.7) в зависимости от отношения сигнал/шум.

Рисунок 3.6 — Зависимость смещения от отношения сигнал/шум

Также на графике отмечены значения абсолютной ошибки для:

1) в интересах принятия решения старшим начальником;

2) в интересах огневого поражения.

Рисунок 3.7 — Зависимость СКО от отношения сигнал/шум

3.2 Краткие выводы по разделу Таким образом, данный алгоритм реализует разделение по азимуту ИРИ по углу наклона линии взаимного фазового спектра. Производятся все вычисления в условиях приближенных к реальным, а следовательно точность измерений будет близка к истинным.

Но данный способ имеет некоторую ошибку в зависимости от отношения сигнал/шум (ОСШ) ниже 10 дБ (рисунок 3.8)

Рисунок 3.8 — Зависимость СКО от отношения сигнал/шум Очевидно, что при низких отношениях сигнал/шум точность измерений будет значительно отличаться, чем при высоком ОСШ.

4. Обоснование необходимости разработки усовершенствованного алгоритма разделения ИРИ по азимуту Целью проведенной курсовой работы являлось обоснование необходимости усовершенствовать алгоритм разделения ИРИ по азимуту. Для достижения поставленной цели проведен анализ сигнальной и помеховой обстановки в УКВ диапазоне.

Анализ сигнальной обстановки показал, что данный диапазон насыщен различными системами связи с большим разнообразием услуг и возможностей. В нем широко применяются системы радиолокации, ближней радионавигации, спутниковых РНС, радиорелейной линии, мобильных и транкинговых системах связи. Также УКВ диапазон является единственным, в котором осуществляются телевизионные передачи и организуется высококачественное частотно-модулированное радиовещание и применяется большое количество систем связи военного, гражданского и двойного применения.

В ходе анализа помеховой обстановки в УКВ диапазоне были рассмотрены все виды помех, преобладающих в диапазоне. Таким образом, выяснилось, что особое влияние вносят атмосферные и промышленные помехи. Электрические явления в атмосфере создают электромагнитные волны, далеко распространяющиеся во всех направлениях и оказывающих влияние на прием нужных радиосигналов. К источникам промышленных (индустриальных) помех относятся различные электрические устройства, не вырабатывающие периодических электромагнитных колебаний. К ним относятся линии электропередач, системы зажигания двигателей внутреннего сгорания, высокочастотная аппаратура для дуговой сварки, газоразрядные устройства, индукционная и переключающая аппаратура и др. На частотах, превышающих 30 МГц, индустриальные помехи, порождаемые системами зажигания, обычно преобладают над помехами, создаваемыми другими источниками. На частотах ниже 30 МГц преобладающими являются помехи, порождаемые линиями электропередач.

Проведя анализ сигнальной и помеховой обстановок, возникла необходимость в определении и обосновании требований к точности разделения ИРИ по азимуту.

Требования к точности измерения пеленга определяются для двух случаев:

а) оценка местоположения в интересах принятия решения старшим начальником на действия своих войск;

б) оценка местоположения в интересах огневого поражения объектов.

Установлено, что для разделения на местности двух близкорасположенных друг к другу объектов по азимуту необходимо обеспечить выполнение основного требования: «В интересах принятия решения старшим начальником на действия своих войск точность определения местоположения близкорасположенных объектов определяется половиной расстояния между ними» (рисунок 2.1.1). Были рассчитаны значения абсолютной ошибки измерения задержки сигнала в тактическом (2,208· 10^-7? 6,624· 10^-7) и оперативно-тактическом (8,824· 10^-7? 11,04· 10^-7) звеньях управления.

А в случае определения местоположения объектов в интересах огневого поражения точность определяется радиусом поражения, а так как у орудий огневых средств различные радиусы поражения, для каждого из них будет соответствовать своя точность определения местоположения объекта.

Таким образом, обоснованы требования к точности разделения ИРИ по азимуту и осуществлен расчет электромагнитной доступности на радиотрассе.

Для решения проблемы разделения ИРИ по азимуту был выбран алгоритм разделения по углу наклона линии взаимного фазового спектра и проведена оценка его эффективности. Рассмотрение данного алгоритма показало, что он удовлетворяет требованиям к точности разделения по азимуту, особенно в случаях, когда используются широкополосные сигналы.