Развитие методов пеленгации ионосферных сигналов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Кочмарский, Алексей Викторович

• Кочмарский, Алексей Викторович
• кандидат физико-математических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Кочмарский, Алексей Викторович

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Основы теории оптимального приема.

1.1 Ионосфера, распространение радиоволн, основные оценки.

1.2 Основы теории оптимального приема.

1.3 Решение задачи обнаружения сигнала методом максимального правдоподобия.

1.4 Решение задачи оценки параметров сигнала методом максимального правдоподобия.

1.5 Решение задачи разрешения подобных сигналов методом максимального правдоподобия.

1.6. Пеленгация ионосферных сигналов. Амплитудная, фазовая пеленгация.

Глава 2. Разработка методов пеленгации ионосферных сигналов.

2.1 Пеленгация однолучевого ионосферного сигнала.

2.2 Вывод основных выражений для антенных систем типа «Круг», «Угол».

2.3 Алгоритм обработки многолучевого ионосферного сигнала.

2.4 Решение задачи разрешения лучевой структуры сигнала на основе разностного уравнения.

2.5 Мультипликативная помеха и ее влияние на прием ионосферных сигналов.

Глава 3. Результаты модельных исследований вопросов пеленгации ионосферных сигналов.

3.1 Пеленгация ионосферных сигналов в условиях однолучевого приема.

3.2 Частотный диапазон многоканальных антенных систем.

3.3 Устойчивый метод пеленгации в условиях многолучевого приема.

3.4 Пространственно-временная обработка однолучевого ионосферного сигнала

3.5 Трехмерная антенная система для пеленгации однолучевых ионосферных сигналов.

3.6 Анализ корреляционной функции лучей ионосферного сигнала.

3.7 Общая характеристика решения задачи оценки параметров ионосферного сигнала.

3.8 Анализ разрешающей способности разработанного метода пеленгации.

3.9 Результаты экспериментальных исследований возможностей пеленгации ионосферных сигналов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Развитие методов пеленгации ионосферных сигналов»

Исследование вопросов ионосферного распространения радиоволн продолжает оставаться актуальной областью. Это подтверждается большим количеством публикаций и проведением различных конференций по ионосферной тематике [1-8]. Актуальность тематики ионосферного распространения радиоволн объясняется тремя основными факторами.

1. Развитие радиоэлектроники и методов обработки сигналов позволяет на новой основе решать задачи приема и обработки ионосферных сигналов, получая при этом более точную и достоверную информацию об ионосфере и повышая эффективность работы различных комплексов аппаратуры, основой которых является ионосферное распространение радиоволн.

2. С научной точки зрения представляет интерес получение новой информации об ионосфере, ионосферных процессах с помощью наклонного я зондирования ионосферы. Эта информация позволяет практически мгновенно обнаруживать запуски ракет, взрывы, землетрясения и другие факторы возмущения ионосферы естественного и антропогенного происхождения. Эта информация даёт возможность изучать солнечно-земные взаимосвязи, влияние космического излучения на атмосферу Земли. В конечном счёте, возможно решение одной из основных задач - задачи мониторинга ионосферы.

3. Практическая необходимость развития исследований в области приёма и обработки ионосферных сигналов связана с разработкой и модернизацией сложных комплексов аппаратуры, использующих ионосферные сигналы. К ним относятся ионосферные системы связи, пеленгационные комплексы аппаратуры, системы локации в области декаметровых волн, включая загоризонтную локацию, навигационные системы. С практической точки зрения возрождается интерес к ионосферным системам связи. В ряде случаев они рассматриваются как резервные [22,23]. Однако они могут обеспечивать и высокую вероятность передачи неискаженной информации при достаточном ионосферном обеспечении. Коротковолновая радиосвязь решает задачу радиовещания на больших площадях земной поверхности.

Пеленгация ионосферных сигналов, как отдельная область исследования вопросов ионосферного распространения радиоволн, так же является актуальной областью исследований. Центральной задачей при этом является практически нерешенная до настоящего времени задача разделения лучевой структуры ионосферных сигналов. Сложность решения задачи одноточечной пеленгации ионосферных сигналов определяется следующим.

Недостаточное соответствие существующих моделей ионосферы реальной ионосфере. Это усложняет решение обратной задачи: определение по измеренному пеленгу местонахождения источника излучения. Вопросы расчетов траекторных характеристик методом геометрической оптики хорошо изучены и дают достоверные результаты [29,30]. Однако несоответствие модельного описания и реальной ионосферы позволяют оценивать местонахождение точки излучения лишь с 10-ти процентной точностью. Возникает задача ионосферного обеспечения пеленгационных комплексов аппаратуры.

Многолучевость ионосферного сигнала. В точку приёма, как правило, приходит два или более лучей, отраженных от разных областей ионосферы. Вследствие малого углового различия этих лучей на поверхности земли создаётся интерференционное распределение поля с квазипериодами от сотен метров до километров. Это не позволяет решить задачу разделения лучевой структуры ионосферного сигнала классическими методами. Ширина диаграммы направленности антенной системы используемой в пеленгации, оказывается большей, чем различия в углах места отдельных лучей ионосферного сигнала. В результате возникают интерференционные погрешности, достигающие десятков градусов по азимуту и углу места. В ряде работ рассматривается возможность разделения лучевой структуры ионосферного сигнала методами сверхразрешения [24,25,26]. Однако эти методы не имеют необходимого теоретического обоснования и до настоящего времени не решают проблему пеленгации при наличии многолучевости. При учёте динамических процессов в ионосфере лучевая струюура сигнала характеризуется допплеровским смещением частоты. Эти смещения частоты находятся в пределах 0,01-0,20 Гц и менее и являются основой метода доплеровской фильтрации ионосферных сигналов [28]. На основе доплеровской фильтрации так же можно разделять лучевую структуру . Однако это не получило должного развития в области пеленгации ионосферных сигналов. При экспериментальной проверке доплеровской фильтрации эффективность методов обработки существенно снижается [16,17] за счет нестационарности параметров ионосферного сигнала.

Нестационарность параметров ионосферного сигнала. Это фактор, на который не обращалось особого внимания при исследовании возможностей пеленгации. Интервал стационарности параметров отдельных лучей ионосферного сигнала находится в пределах от 0,2 до 80 и более секунд по времени и ~ 0,2 -1,5км и более в пространстве. Важным является то, что интервал стационарности параметров отдельных лучей часто совпадает с квазипериодом временных или пространственных изменений, обусловленных интерференцией. В этом случае возникает, в дополнении к аддитивному шуму, мультипликативная помеха. Она часто является одной из основных причин малой эффективности алгоритмов обработки ионосферных сигналов, в том числе и алгоритмов со S сверхразрешением[17]. Методов обработки сигналов с учётом мультипликативной помехи в настоящее время практически не существует.

В области обработки сигналов значительное развитие получила «Теория оптимального приёма» [9,10,11]. Она позволяет решить ряд задач при обработке ионосферных сигналов: задачу обнаружения сигнала, задачу оценки параметров сигнала, задачу разрешения сигналов в угловой и частотной областях. Теория оптимального приема позволяет определить оптимальный алгоритм обработки сигналов с оценкой минимальной дисперсии параметров — дисперсии Рао-Крамера. Положения теории оптимального приёма являются основой для многочисленных приложений [12-18]. Они могут быть применены и к исследованию вопросов пеленгации ионосферных сигналов, как в условиях однолучевого приема, так и при , многолучевости. В этом случае производится оптимальная обработка'^ пространственно-временных сигналов, информация о которых может быть ' получена с помощью многоканальных антенных систем [14]. Теоретического обоснования вопросов обработки пространственно-временных сигналов в литературе недостаточно. Возникают вопросы об оптимальном расположении вибраторов антенной системы, о частотном диапазоне антенной системы, о 4 калибровке с помощью принимаемого сигнала, об эффективном алгоритме

разделения лучевой структуры сигнала с оценкой дисперсии основных параметров, f в том числе, таких как азимут и угол места. Частично эти вопросы в приложении к 4 однолучевому сигналу рассмотрены в работе [14]. >*/f4

Вопросы теории и практики пеленгации ионосферных сигналов . (

Vi рассматривались в ряде работ [14,16,17,24,25,26,31,32]. Среди этих работ следует, отметить работу [31]. В этой работе впервые представлен цифровой комплекс аппаратуры, предназначенный для пеленгации ионосферных сигналов. Основой комплекса аппаратуры являлась 8-ми канальная антенная система, подсоединенная к 8-ми канальному приемнику и далее к 8-ми канальному АЦП и ЭВМ. Элементарные вибраторы располагались по окружности диаметром 115 м. Основная обработка информации проводилась с помощью алгоритмов в ЭВМ. При обработке сигналов в этом комплексе аппаратуры впервые использованы элементы углового сверхразрешения. Результатом работы является иллюстрация высокой эффективности схемы многоканального приема с формированием диаграммы направленности непосредственно в ЭВМ и возможности разделения лучевой структуры ионосферных сигналов. В работе [32] впервые был создан метод разделения лучевой структуры ионосферных сигналов при малой пространственной базе и с помощью модельных исследований дан анализ возможностей метода. В работе [14] на основе положений теории оптимального приема исследовались вопросы пеленгации однолучевого ионосферного сигнала. Разработаны основы теории многоканальных антенных систем при пеленгации в условиях однолучевости. В работе [16] представлена теория доплеровской фильтрации ионосферных сигналов, характеризующаяся сверхразрешением. В работе [17] впервые экспериментально показано влияние мультипликативной помехи на эффективность доплеровской фильтрации ионосферных сигналов. Настоящую диссертационную работу следует рассматривать как продолжение развития теории и практики пеленгации ионосферных сигналов, основанной на представлениях и результатах указанных работ [14, 16, 17, 31, 32]. Ее отличительной особенностью является анализ возможностей обработки пространственно временного ионосферного сигнала, как в условиях однолучевого приема, так и при многолучевости.

Таким образом, основной целью настоящей диссертационной работы является развитие методов обработки сигналов при одноточечной пеленгации ионосферных сигналов на основе положений теории оптимального приёма. Основное внимание обращено на вопросы обработки пространственно-временного сигнала при наличии многолучевости. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Разработка положений теории оптимального приема в приложении к вопросам пеленгации пространственно-временных ионосферных сигналов

2. Разработка оптимальной антенной системы для приёма ионосферных сигналов как в условиях однолучевости, так и при многолучевости

3. Создание устойчивого однолучевого алгоритма обработки ионосферного сигнала для оценки азимута в условиях многолучевости

4. Развитие методов обработки пространственно - временного ионосферного сигнала в условиях многолучевости

5. Анализ влияния мультипликативной помехи на эффективность алгоритмов обработки ионосферных сигналов

6. Обработка и анализ экспериментальных данных, полученных на различных трассах с целью подтверждения основных положений теории

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Кочмарский, Алексей Викторович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изложим кратко основные результаты, полученные в настоящей работе:

1.Решены три задачи теории оптимального приёма: задача обнаружения сигнала, задача оценки параметров сигнала, задача разрешения лучевой струюуры пространственно-временных ирносферных сигналов. При этом получено следующее:

• показано, что вероятность обнаружения пространственно временного ионосферного сигнала зависит от отношения энергии сигнала к энергии шума и может быть оценена по принятому сообщению

• получены оценки дисперсий основных параметров пространственно-временного сигнала (дисперсии Рао-Крамера), как в условиях однолучевого, так и в условиях двухлучевого приёма

• сделан вывод: пространственно временная обработка ионосферных сигналов обеспечивает минимальную дисперсию параметров сигнала

2. Теоретически и с помощью модельных расчётов исследованы вопросы оптимальной конфигурации вибраторов антенной системы, используемой для пеленгации ионосферных сигналов

• сделан вывод: антенные системы типа "Угол" и "Круг" являются более эффективными по сравнению с антенной системой "Квадрат", они обеспечивают при одинаковом числе вибраторов более узкую диаграмму направленности и максимальный частотный диапазон

• сделан вывод: для получения высокой точности (~1°) оценки углов места в нижней части частотного диапазона (3-10МГц) необходимо увеличивать радиус антенной системы в 2-3 раза

• предложена трёхмерная антенная система для пеленгации ионосферных сигналов "Круг-г". Она исключает проблему малых углов и уменьшает дисперсию углов места

3. Разработан метод оценки параметров 4-х лучевого ионосферного сигнала. Он характеризуется следующим образом:

• методика оценки параметров основана на методе перебора параметров ю', а', Р' и использовании минимума поверхности функционала как критерия. Четырёхлучевая структура сигнала разрешается на интервале времени Т=5с и с пространственной базой 0=130м

• установлено, что дисперсия параметров многолучевого сигнала зависит от детерминанта корреляционной матрицы. При малых значениях детерминанта решения задачи неустойчивые.

• показано, что решение задачи разрешения двухлучевого сигнала возможно при коэффициенте корреляции между лучами Я <0,9.

Ценой сверхразрешения является увеличение дисперсий азимута и углов места на ~7дБ.

4. Создан устойчивый четырёхлучевой алгоритм обработки ионосферных сигналов в условиях многолучевости.

• показано, что устойчивый однолучевой алгоритм обработки обеспечивает оценку азимута и угла места с малыми отклонениями. Это позволяет существенно сократить время обработки сигнала четырёхлучевым методом

• сделано обобщение: многоканальные антенные системы позволяют алгоритмически изменять ширину диаграммы направленности

5. Проведён анализ влияния мультипликативной помехи на эффективность обработки ионосферных сигналов. Получено следующее:

• получено выражение для оценки степени влияния мультипликативной помехи на значение функционала в минимуме

• показано в модельных расчётах и в эксперименте, что мультипликативная помеха существенно снижает эффективность методов обработки ионосферных сигналов. Максимум функционала правдоподобия, как критерий качества, снижается при наличии мультипликативной помехи на 2-3 порядка

• предложено при наличии мультипликативной помехи использовать критерий качества обработки (значение функционала правдоподобия). Это позволяет исключить недостоверные оценки параметров сигналов

6. Проведён анализ экспериментальных данных, полученных на трассах различной протяженности и ориентации. При этом получено следующее:

• сделан вывод: отклонение азимута на источник излучения от азимута по дуге большого круга составляет в среднем ±3°

• сделан вывод: относительная точность по дальности до источника излучения составляет в среднем 10%

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Кочмарский, Алексей Викторович, 2012 год

1. Дзвонковская А.Л. Исследование точностных характеристик измерений углов прихода сигналов. LVII научная сессия, посвященная Дню Радио НТОРЭС им. A.C. Попова: Сборник трудов научной конференции М., 2002-т.2.-с.153-156.

2. Дзвонковская А.Л., Дмитренко А.Н. Оптимальные алгоритмы измерения углов прихода сигнала радиопеленгаторами с использованием фазового метода. Вестник МГУ им. Н.Э. Баумана. Естественные науки. — 2002. №2. -с.84-94.

3. Дзвонковская А.Л., Дмитренко А.Н., Кузьмин A.B. Эффективность измерения углов прихода сигнала радиопеленгаторами на основе метода максимального правдоподобия. Радиотехника и электроника. 2001. — №10. -с. 1242-1247.

4. Ильичев В.Н., Орлов В.Е. Способ уменьшения ошибок пеленгации низколетящих объектов. Вопросы авионики. 2000. Вып.7, №3, - с.24-34.

5. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. — М: Радио и связь, 1983. -320с.

6. Ю.Перов А.И. Статистическая теория радиотехнических систем. Уч. пособие для вузов. М.: Радиотехника, 2003, 400с.

7. П.Пахотин В.А., Бессонов В.А., Молостова С.В., Власова К.В. Калининград: Изд-во РГУ им. И.Канта, 2008. - 189с.

8. Марченко И.Н. Частотное разделение сигналов в области высокой корреляции базисных функций. Кандидатская диссертация, КГУ. -Калининград. 2001г. - 142стр.

9. Будник С.С. Разработка методов оптимального приема в частотном пространстве. Кандидатская диссертация, КГУ. Калининград. - 2004г. -127стр.

10. Королев К.Ю. Развитие цифровых методов обработки сигналов многоканальных антенных решеток. Кандидатская диссертация, РГУ им. И.Канта. Калининград. - 2007г. - 169стр.

11. Власова К.В. Развитие методов обработки информации в системах импульсной локации. Кандидатская диссертация, РГУ им. И.Канта. -Калининград. 2008г. - 186стр.

12. Книхута Е.В. Развитие методов доплеровской фильтрации ионосферных сигналов. Кандидатская диссертация, РГУ им. И.Канта. Калининград. -2007г.-119стр.

13. Ржанов A.A. Развитие цифровых методов обработки ионосферных сигналов. Кандидатская диссертация, РГУ им. И.Канта. Калининград. - 2010г. -151стр.

14. Трифонов А.П., Шипаков Ю.С. Совместное различение сигналов и оценка их параметров на фоне помех. М.: Радио и связь. 1986г.

15. Власова К.В., Пахотин В.А., Бессонов В.А. Разрешающая способность в радиолокации. Методы повышения разрешения по дальности в системах импульсной локации. LAPLAMBERT Academic Publishing. Saarbrücken, 2011, 157с.

16. Марпл C.JI.-мл. Цифровой спектральный анализ и его приложения: М. -Мир, 1990, 584с.

17. Баскаков С.И. Радиотехнические цели и сигналы: Учебник для вузов по специальности «Радиотехника», М.: Высшая школа, 2000г., 462с.

18. Сидоров Ю.В. Инновационный путь развития ААО «Концерн «Созвездие» как вариант развития интегрируемых структур, IX научно-техническая конференция, Томск, 14-16 сентября 2010г.

19. Ваганов A.M., Уразгильдиев И.Р. Итерационный алгоритм вычисления оценок максимального правдоподобия параметров узкополосных сигналов. Радиоэлектроника. 2001. №7. с.56-64.

20. Вертоградов Г.Г., Иванов Н.М., Шевченко В.Н. Адаптивный алгоритм глобальной минимизации в корреляционном интерферометре с антенной решеткой произвольной пространственной конфигурации. Радиоконтроль. 1999.-Вып. 1. -с.22-26.

21. Вертоградов Г.Г., Иванов Н.М., Шевченко В.Н. Алгоритмы обработки многомерных сигналов в пеленгаторах с кольцевой антенной решеткой. Радиоконтроль. 1999. Вып.1. - с.27-32.

22. Аджемов С.С., Бокк Г.О., Зайцев А.Г., Мачулин В.М. Исследование алгоритмов сверхразрешения в адаптивных антенных решетках. Радиотехника. 2000. Вып.49, №11.- с.66-71.

23. Афраймович Э.Л. Волнообразные ионосферные возмущения и фазовые характеристики сигнала. Геомагнетизм и аэрономия, 1971, т.11, №6, с.993-996.

24. Казанцев А.Н., Лукин Д.С., Спиридонов Ю.Г. Метод исследования распространения радиоволн в неоднородной магнитоактивной ионосфере. Космические исследования, 1067, т.5, 583 с.

25. Кравцов Ю.А. ДАН, 1968. -т.183. с.74.

26. Бессонов В.А. Разработка цифрового анализа углового спектра в декаметровом диапазоне волн. Кандидатская диссертация, КГУ. -Калининград. 1994г. - 176стр.

27. Иванова C.B. Разработка методов спектрального оценивания для ионосферных сигналов. Кандидатская диссертация, КГУ. Калининград. -1999г. - 182стр.

28. Вартапесян В.А., Тойхман Э.Ш., Рогаткин М.И. Радиопеленгация. М.: Воениздат, 1968. 248с.

29. Воскресенский Д.И., Гостюхин В.Л., Максимов В.Н., Пономарев Л.И. Антенны и устройства СВЧ. Москва: МАИ, 1993. - 528с.

30. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток. Учебное пособие под ред. Д.И.Воскресенского М.: Радиосвязь, 1994.-592с.

31. Пахотин В.А. Закономерности распространения декаметровых радиоволн на трассах различной протяженности. Докторская диссертация. ИЗМИРАН, г.Троицк, Московской обл., 1990г., 362с.

32. Пахотин В.А., Власова К.В., Кочмарский A.B., Молостова C.B. Метод обработки при наклонном зондировании ионосферы. Сборник работ XXIII Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн», г. Йошкар-Ола, 23-26 мая, 2011г.,т.З, стр.135-^38.

33. Бессонов В.А., Пахотин В.А., Кочмарский A.B., Чугайнов A.C. Пеленгация ионосферных сигналов. Сборник работ XXIII Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн», г. Йошкар-Ола, 23-26 мая, 2011 г.,т.З, стр.43^-46.

34. Кочмарский A.B., Молостова C.B., Власова К.В. Расчет траекторных характеристик ионосферных сигналов. Сборник докладов X межвузовской научно-технической конференции аспирантов, соискателей и докторов. г.Калининград, 2010 г., БГАРФ, с.213-218.

35. Кочмарский A.B., Бессонов В.А., Чугайнов A.C. Методика выделения лучевой структуры ионосферных сигналов. Электр, журнал «Современные проблемы науки и образования».- №5, 2011г.

36. Пахотин В.А., Власова К.В., Кочмарский A.B., Оптимальная обработка сигналов с затуханием. Электр, журнал «Современные проблемы науки и образования».- №6, 2011г.

37. Кочмарский A.B., Алещенко А.Н., Петров C.B., Бессонов В.А. Мультипликативная помеха при пеленгации ионосферных сигналов. Электр, журнал «Современные проблемы науки и образования».- №4,2012г.

38. Власова К.В., Никитин М.А., Чугайнов A.C., Кочмарский A.B. Оценка параметров ионосферного сигнала. Вестник БФУ им.И.Канта. Вып 4. 2012 г: Сер.Физ. мат. науки.- Калининград: Изд-во БФУ им.И.Канта, стр.78-84.