Моделирование процессов обнаружения пеленгационного сигнала в аэродромных квазидоплеровских автоматических радиопеленгаторах

Внедрение на территории Российской Федерации и сопредельных государств, новых правил глобального плана международной организации гражданской авиации (1САО), увеличивающих пропускную способность воздушного пространства и соответственно рост интенсивности воздушного движения требует дополнительного повышения точностных характеристик навигационного оборудования, в частности автоматического радиопеленгатора (АРП).

Обнаружение сигнала является одной из важных задач в работе АРП, от реализации которой зависят такие характеристики, как чувствительность и дальность пеленгования. При разработке автоматических радиопеленгаторов и их испытаниях появляется задача проведения анализа и сравнения различных вариантов реализации обнаружителей пеленгационного сигнала [51]. Проблема обнаружения сигналов движущихся целей при наличии на входе приемника пассивных помех осложнена тем, что мощность помех обычно значительно превышает мощность полезного сигнала. Помимо объектов, сигналы от которых содержат полезную информацию, в канале распространения могут содержаться источники излучения (естественные или организованные), искажающие пеленгационную информацию.

Анализ и сравнение различных методов обнаружения пеленгационного сигнала может быть выполнен методами натурного эксперимента, что является трудоемким, дорогостоящим и довольно длительным процессом. Обойти указанные выше трудности можно моделированием процессов обнаружения пеленгационного сигнала в АРП [12].

Моделирование позволяет уменьшить затраты времени, средств, а также обеспечить повторяемость результатов эксперимента [5].

Математическое моделирование радиотехнических систем и устройств на ЭВМ является прогрессивным и весьма экономичным способом их исследования и проектирования. Оно позволяет существенно ускорить и в значительной степени автоматизировать процесс разработки радиотехнических устройств.

В связи с изложенным вопросы моделирования процессов обнаружения пеленгационного сигнала в аэродромных квазидоплеровских АРП являются актуальной задачей.

Целью диссертационного исследования является моделирование процессов обнаружения пеленгационного сигнала в аэродромных квазидоплеровских АРП. В соответствии с этой целью в диссертации поставлены и решены следующие задачи:

— проведен анализ и описаны методы обнаружения пеленгационного сигнала в эксплуатируемых АРП. Разработаны их математические модели и алгоритмы обнаружения пеленгационного сигнала;

— проведен анализ и систематизированы методы обнаружения пеленгационного сигнала в АРП, обработка информации, в которых осуществляется программными методами;

— разработан комплекс программ для моделирования, и выполнен сравнительный анализ методов обнаружения пеленгационного сигнала;

— разработаны и промоделированы методы и алгоритмы обнаружения пеленгационного сигнала для эксплуатируемых АРП;

— проверена корректность функционирования алгоритмов и программ путем сравнения результатов моделирования с результатами натурных экспериментов.

В качестве объекта исследования рассматриваются аэродромные квазидоплеровские АРП.

Предметом исследования являются математические модели и алгоритмы обнаружения пеленгационного сигнала в аэродромных квазидоплеровских АРП.

Методы исследований. Поставленные в работе задачи решались с применением методов теории вероятностей, математического анализа, математического и компьютерного моделирования. Для решения поставленной задачи использовались численные методы. В процессе проведенных расчетов и имитационного моделирования применялись специализированные пакеты программ MATLAB/Simulink. Разработка оригинальных программных продуктов осуществлялась в средах С++ Builder 6.0 и С++. Для проверки работоспособности приведенных в диссертационной работе моделей, алгоритмов и программ использовались методы натурного и полунатурного экспериментов. Экспериментальные исследования проводились на находящихся в эксплуатации АРП.

Научная новизна исследований состоит в следующем:

1. разработаны математические модели методов обнаружения пеленгационного сигнала в эксплуатируемых АРП, позволяющие провести их сравнительный анализ с вновь разрабатываемыми методами и алгоритмами обнаружения сигналов;

2. разработан метод и алгоритм обнаружения пеленгационного сигнала по значениям фаз на ортогональных вибраторах антенной системы, позволяющий увеличить быстродействие обнаружения сигнала;

3. разработаны метод и алгоритм обнаружения пеленгационного сигнала по амплитуде диаграммы направленности искусственно сформированной сканируемой линейной антенной решетки, обеспечивающие достоверность обнаружения пеленга даже при сильных помехах.

Теоретическая и практическая значимость результатов исследования заключается в том, что: проведенные исследования вносят вклад в развитие теории исследования и моделирования процессов обнаружения пеленгационного сигнала;

— на основе исследования методов обнаружения пеленгационного сигнала в эксплуатируемых АРП, разработаны математические модели и алгоритмы их функционирования;

— программная реализация математических моделей и алгоритмов обнаружения пеленгационного сигнала в АРП позволяет проводить дальнейшие исследования методов обнаружения пеленгационного сигналаразработаны оригинальный метод и алгоритм обнаружения пеленгационного сигнала по значениям фаз на ортогональных вибраторах антенной системы (АС), которые в отличие, от критерия близости формы огибающей выборки фаз сигналов с АС к синусоиде, позволяют повысить быстродействие, при этом результат измерения получается в относительных единицахразработаны оригинальный метод и алгоритм обнаружения пеленгационного сигнала по амплитуде диаграммы направленности искусственно сформированной сканируемой линейной антенной решетки, обеспечивающие достоверность обнаружения пеленга даже при сильных помехах, что позволяет повысить безопасность управления воздушным движением. При этом повышаются чувствительность и дальность пеленгования АРПснимаются многие ограничения, связанные с требованиями по размещению АРП. Вновь разработанный алгоритм можно использовать также для вычисления пеленга и угла места воздушного судна, что в целом способствует повышению помехоустойчивости АРП.

Результаты внедрения. Результаты диссертационной работы внедрены в опытно конструкторских работах, выполненных в ОАО НИИ «Сапфир»:

— «Разработка многоканального автоматического радиопеленгатора и средств радиосвязи, встраиваемых в РСП» (шифр «Низовье АРП-РС»);

— «Разработка радиопеленгационной системы для автоматического оповещения о несанкционированном доступе в подвижных и неподвижных охраняемых объектах» (шифр «Страж»).

Метод обнаружения пеленгационного сигнала по амплитуде диаграммы направленности искусственно сформированной сканируемой линейной антенной решетки будет внедрен в ОАО НИИ «Сапфир» при разработке перспективных АРП.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научно-технических конференциях в ФГБОУ ВПО ДГТУ в 2002 — 2012 годахмеждународной научно-технической конференции, посвященной 80-летию гражданской авиации России «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества» в Московском государственном техническом университете гражданской авиации в 2003 годузаседаниях научно-технического Совета ОАО НИИ «Сапфир» в 2003 — 2010 годахвсероссийской научно-технической конференции «Современные информационные технологии в управлении» ДГТУ в 2003, 2005, 2007, 2009 и 2010 годахна 15-м Юбилейном Международном молодежном форуме «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке» в Харьковском национальном университете радиоэлектроники в 2011 году.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ из них 2 в научных журналах и изданиях, включенных в перечень рекомендованных ВАК.

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 63 наименований и приложений. Основная часть изложена на ИЗ листах машинописного текста, содержит 38 рисунков, 5 таблиц и 7 приложений на 38 листах.

Выводы к главе 3.

1. Проведен анализ методов обнаружения пеленгационного сигнала, которые реализованы в существующих АРП программными средствами. Разработаны математические модели и алгоритмы обнаружения пеленгационного сигнала в них.

2. Проверка практической реализуемости математических моделей обнаружения пеленгационного сигнала, корректности их функционирования подтверждается их внедрением в эксплуатируемых АРП.

3. Предложенные методы и алгоритмы обнаружения пеленгационного сигнала по значениям фаз на ортогональных вибраторах и по амплитуде диаграммы направленности искусственно сформированной сканируемой линейной антенной решетки:

— повышают быстродействие обнаружения пеленгационного сигнала в.

АРП;

— повышают достоверность обнаружения пеленга даже при сильных помехах;

— позволят снять многие ограничения, связанные с требованиями по размещению АРП;

— позволяет использовать результаты обнаружения для вычисления пеленга и угла места воздушного судна.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Размещение АРП на ограниченной территории совместно с другими средствами радиотехнического обеспечения полетов и ужесточение требований к основным параметрам приводит к необходимости поиска новых цифровых методов обнаружения пеленгационного сигнала.

В эксплуатируемых АРП, для сохранения возможности использования классической схемы квазидоплеровской обработки в амплитудном обнаружителе вместо согласованного фильтра используется полосовой, согласованный только с шириной полезного спектра сигнала. Замена согласованного фильтра на полосовой резко ухудшает характеристики обнаружения.

Необходимость создания радиопеленгаторов с улучшенными параметрами, нечувствительных к причинам, вызывающим ошибки обнаружения пеленгационного сигнала, в том числе и из-за наличия местных предметов показывает, что обнаружитель сигналов необходимо строить по принципу накопления выборок и по ней осуществлять процедуру обнаружения с заданной вероятностью ложной тревоги.

При разработке автоматических радиопеленгаторов и их испытаниях появляется задача проведения анализа и сравнения различных вариантов реализации методов обнаружения пеленгационного сигнала. Все радиопеленгаторы, разработанные до 90-х годов, реализованы аппаратными методами, причем, почти во всех из них используются различные методы обнаружения пеленгационного сигнала.

В связи с этим, требуется разработка математических моделей и алгоритмов работы АРП, реализованных аппаратными методами.

Разработанные алгоритмы и математические модели позволяют проводить исследования, с целью определения их преимуществ и недостатков и на этой основе определить дальнейшие пути усовершенствования обнаружителей пеленгационного сигнала.

Практическая реализуемость математических моделей обнаружения пеленгационного сигнала, корректности их функционирования подтверждается их внедрением в эксплуатируемых АРП.

Предложенные оригинальные методы и алгоритмы обнаружения пеленгационного сигнала по амплитуде диаграммы направленности искусственно сформированной сканируемой линейной антенной решетки позволяют снять многие ограничения, связанные с требованиями по размещению АРП, повысить достоверность обнаружения пеленга даже при сильных помехах, и эти же алгоритмы могут быть использованы для вычисления пеленга и угла места воздушного судна.

Практическая реализация предложенных методов и алгоритмов, позволило улучшить такие показатели АРП, как чувствительность и дальность пеленгования, а также позволяет обеспечивать работоспособность АРП при сильных помехах, вызванных отражением сигналов от близлежащих предметов.