Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Цифрові спектрально-просторові методи та засоби кореляційно-інтерферометричного пеленгування радіовипромінювань ДВЧ-УВЧ діапазону

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми дисертації. Радіочастотний ресурс (РЧР) України є стратегічним ресурсом держави, використання якого забезпечує функціонування радіоелектронних систем та пристроїв. Одним із напрямків забезпечення ефективного використання РЧР є його радіомоніторинг, що реалізується відповідними системами та засобами.

Невід'ємною частиною радіомоніторингу РЧР на сьогодні є пеленгування джерел радіовипромінювання (ДРВ), що забезпечує ефективний контроль функціонування стаціонарних та рухомих радіоелектронних засобів.

Особливу актуальність в останні роки набуває задача виявлення та пеленгування ДРВ із розширеним спектром частот, що використовуються в завадозахищених та адаптивних системах радіозв'язку та передачі даних. За цих умов найінформативнішою та стійкою ознакою випромінювань засобів таких систем є напрямок на ДРВ. Радіомоніторинг таких систем вимагає скорочення тривалості пеленгування при зменшенні їх потужності. Це зумовлює необхідність створення широкосмугових засобів радіопеленгування з високою швидкодією та здатністю ефективного оброблення шумоподібних радіовипромінювань.

На сьогодні найперспективнішим напрямком здійснення радіомоніторингу засобів ДВЧ-УВЧ діапазону є використання широкосмугових кореляційно-інтерферометричних пеленгаторів із застосуванням цифрового оброблення комплексних спектрів прийнятої суміші радіовипромінювань та цифрового синтезу діаграми спрямованості (ДС) антенної решітки (АР). Такі радіопеленгатори забезпечують ефективне пеленгування джерел практично будь-яких видів сигналів, у тому числі шумоподібних із малою густиною потужності, шумових завад та короткочасних радіовипромінювань зі складними видами модуляції в умовах великої апріорної невизначеності та складної електромагнітної обстановки (ЕМО).

Основними недоліками відомих кореляційно-інтерферометричних пеленгаторів є їх низька швидкодія, що зумовлена послідовним пошуком екстремального часу затримки, або великі апаратурні витрати та недостатня точність пеленгування ДРВ із розширеним спектром частот через наявність методичних похибок.

Актуальною задачею удосконалення сучасних методів та засобів кореляційно-інтерферометричного пеленгування є підвищення їх швидкодії, що забезпечить ефективне функціонування в реальному масштабі часу, та точності.

Дослідження літературних джерел показує перспективність досліджень у даному напрямку. Велика кількість робіт присвячена даній тематиці, в тому числі цифровим методам часово-просторового оброблення радіовипромінювань, цифровим спектральним методам пеленгування, в тому числі з підвищеною роздільною здатністю, цифровим методам спектрального та часово-кореляційного аналізу. У відомих роботах (О.В. Бєлавін, В.В. Караваєв, В.В. Сазонов, В.І. Вінокуров, Р.А. Ваккер, І.С. Кукес, М.Є. Старик, В.А. Вартанесян, О.П. Лукошин, Я.Д. Ширман, Ф. Ланге, В.В. Дрогалін, В.Г. Рєпін, Г.П. Тартаковський, Тіхонов В.І., Л.Д. Бахрах, Е.Г. Зєлкін, О.Д. Віноградов, А.В. Ашихмін, С.Л. Марпл-мол., Ж. Макс, Д. Даджіон, Р. Мерсеро, Д.Х. Джонсон та інші) досліджені питання загальних принципів побудови аналогових та цифрових кореляційно-інтерферометричних пеленгаторів з просторово-часовим обробленням, точність та інструментальні похибки кореляційних систем, оптимізація структур кореляційно-інтерферометричних радіопеленгаторів з кільцевими АР, керування та адаптації АР, в тому числі цифровими методами в інтересах радіопеленгування, загальні принципи та властивості цифрового спектрального аналізу, пеленгування на основі спектрального оцінювання. Але задача розробки цифрових методів та засобів спектрального кореляційно-інтерферометричного радіопеленгування, що мають високу швидкодію та точність при незначних апаратурних витратах, на сьогодні не вирішена.

Зв'язок дисертаційної роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано на кафедрі «Радіотехніка та телекомунікації» Житомирського державного технологічного університету, в рамках договорів про співпрацю з Житомирським НДІ радіосистем (договір №12-08), Житомирською обласною філією, Укрчастотнагляд» (договір №13-08), Житомирською обласною філією ВАТ, Укртелеком» (договір №65-09) в рамках науково-дослідної роботи, Панорама» (державний реєстраційний номер 0106U003923) та згідно з планом наукових досліджень університету.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення швидкодії та точності кореляційно-інтерферометричного пеленгування радіовипромінювань на основі використання спектрально-просторових методів.

Для досягнення цієї мети розв'язувались такі задачі:

– огляд та аналіз існуючих методів та засобів кореляційно-інтерферометричного радіопеленгування;

– удосконалення цифрового методу та засобу кореляційно-інтерферометричного радіопеленгування;

– розробка прямого цифрового методу та засобу широкосмугового спектрального кореляційно-інтерферометричного радіопеленгування;

– розробка швидкого цифрового методу та засобу широкосмугового комплексного спектрально-кореляційного радіопеленгування з використанням антенної решітки;

– аналіз швидкодії та точності розроблених методів радіопеленгування;

– підтвердження теоретичних розробок та положень експериментальними дослідженнями.

Об'єктом досліджень є процес пеленгування радіовипромінювань ДВЧ-УВЧ діапазону.

Предметом досліджень є цифрові спектрально-просторові методи та засоби кореляційно-інтерферометричного пеленгування радіовипромінювань ДВЧ-УВЧ діапазону.

Методи дослідження. В першому розділі використано методи теорії кореляційного аналізу, цифрового спектрального аналізу. В другому розділі використано методи теорії статистичних рішень, цифрового оброблення сигналів, антенних решіток, диференційне та інтегральне числення, теорію функцій комплексної змінної. В третьому розділі використано теорію оптимального оброблення радіосигналів, цифрового оброблення сигналів. В четвертому розділі використано математичне та програмне моделювання, методи статистичного оцінювання.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Запропоновано цифровий метод широкосмугового спектрального дисперсійно-кореляційного радіопеленгування з відновленням робочої частоти та структурну схему пеленгатора, який відрізняється дисперсійним перетворенням комплексних взаємних спектрів сигналів з подальшим прямим визначенням затримок сигналів та відповідних напрямків на ДРВ. Підвищення швидкодії досягається за рахунок прямого визначення затримок сигналів, що мінімізує тривалість кореляційного оброблення та пеленгування в цілому.

2. Запропоновано цифровий метод широкосмугового комплексного спектрально-кореляційного радіопеленгування з використанням антенної решітки та структурну схему пеленгатора, який відрізняється використанням паралельної просторової селекції на основі цифрового синтезу двох комплексних багатопелюсткових ДС та безпошуковим уточненням напрямків на ДРВ в межах просторових пелюсток ДС на основі дисперсійно-кореляційного оброблення взаємних просторових спектрів сигналів з використанням фазових ДС. При цьому суттєве підвищення швидкодії пеленгування забезпечується за рахунок поєднання паралельної просторової селекції та безпошукового уточнення напрямків на ДРВ в межах просторових пелюсток.

Підвищення точності пеленгування забезпечується за рахунок попередньої частотної та просторової селекції двома багатопелюстковими ДС з подальшим дисперсійно-кореляційним обробленням взаємних просторових спектрів.

3. Удосконалено цифровий метод кореляційно-інтерферометричного радіопеленгування та структурну схему пеленгатора, який відрізняється здійсненням кореляційного оброблення комплексних спектрів сигналів після відновлення їх робочої частоти, що забезпечує усунення похибки компенсації і суттєво підвищує точність пеленгування. Підвищення швидкодії пеленгування досягається за рахунок використання широкосмугового прийому суміші радіовипромінювань, мінімально можливої частоти дискретизації та спектрального аналізу, що значно скорочує об'єм обчислень та тривалість пеленгування.

4. Вперше досліджено властивості та визначено характеристики похибки компенсації та відповідної похибки оцінки часу затримки та пеленгу кореляційно-інтерферометричного компенсаційного пеленгування з обробленням сигналів на проміжній частоті. Показано, що похибка компенсації має суттєвий вплив на точність пеленгування, особливо при пеленгуванні джерел широкосмугових радіовипромінювань.

Практичне значення отриманих результатів.

Розроблено та захищено двома патентами України алгоритм роботи та структурну схему цифрового спектрального кореляційно-інтерферометричного радіопеленгатора, що забезпечує суттєве підвищення точності та швидкодії пеленгування.

Розроблено алгоритм роботи та структурну схему цифрового широкосмугового спектрального дисперсійно-кореляційного радіопеленгатора, що здійснює пряме безпошукове визначення напрямків на ДРВ та забезпечує суттєве підвищення швидкодії пеленгування.

Розроблено та захищено патентом України алгоритм роботи та структурну схему цифрового широкосмугового комплексного спектрально-кореляційного радіопеленгатора з використанням антенної решітки, що забезпечує суттєве підвищення швидкодії та точності пеленгування.

Запропоновані алгоритми та засоби забезпечують підвищення швидкодії та точності пеленгування при незначних апаратурних витратах.

Експериментально підтверджено ефективність розроблених методів та засобів і отримані їх основні характеристики, що дозволяють оптимізувати параметри оброблення сигналів у відповідності до заданих умов пеленгування.

Результати дисертаційної роботи впроваджено в Житомирському науково-дослідному інституті радіосистем та на підприємстві «СКФ-радіо».

Особистий внесок здобувача. Основні теоретичні, розрахункові та експериментальні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. У працях, написаних у співавторстві, особистий внесок автора такий: [1, 3] - виконано порівняльний аналіз точності цифрового кореляційно-інтерферометричного часового та спектрального пеленгування ДРВ, [2, 4] - виконано аналіз точності часового та частотного цифрового широкосмугового кореляційно-інтерферометричного пеленгування і розроблено алгоритм оброблення радіосигналів з урахуванням процедури цифрового гетеродинування та неідентичності передаточних характеристик пеленгаційних каналів та проведено дослідження часової ефективності розробленого алгоритму пеленгування для умов складної електромагнітної обстановки, [6] - отримано оцінку методичної похибки широкосмугових цифрових кореляційно-інтерферометричних пеленгаторів при обробці сигналів на проміжній частоті, [7] - виконано моделювання та аналіз завадозахищеності інваріантних антенних решіток для умов їх змішаного синтезу з метою їх використання в кореляційно-інтерферометричних радіопеленгаторах, [9] - запропоновано критерії та аналітичні вирази для визначення ефективності методів спектрально-просторового оброблення і виконано аналіз отриманих характеристик, [14] - запропоновано спосіб цифрового спектрального кореляційно-інтерферометричного пеленгування та пристрій для його здійснення, [15] - запропоновано спосіб цифрового комплексного радіопеленгування. Публікації [5, 8, 10, 11-13, 16-20] - без співавторів.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на 30-й, 31-ій, 33-ій та 34-ій наукових конференціях, м. Житомир, 2005, 2006, 2008, 2009 рр.; міжнародних науково-технічних конференціях «Сучасні проблеми радіотехніки і телекомунікацій», м. Севастополь, 2009, 2010 рр.; Ювілейному міжнародному молодіжному форумі «Радіоелектроніка і молодь у XXI столітті», м. Харків, 2006 р.; VІ Міжнародній науково-практичній конференції «Практична космонавтика і високі технології», м. Житомир, 2007 р. Результати роботи доповідались на щорічних семінарах кафедри радіотехніки та телекомунікацій (2007-2010 рр.), міжкафедральному семінарі 2010 р. Житомирського державного технологічного університету.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 20 наукових праць, у тому числі 9 праць у фахових виданнях, внесених до переліку ВАКУ [4, 5, 7, 8, 11, 13, 17-19], 8 тез доповідей на науково-технічних конференціях та форумах [1-3, 6, 9, 10, 12, 20], отримано 3 патенти України на винаходи [14-16].

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та дев'яти додатків. Загальний обсяг дисертації складає 207 сторінок, з яких основний зміст викладено на 150 сторінках друкованого тексту, дисертація містить 22 рисунка, 4 таблиці. Список використаних джерел нараховує 152 найменувань. Додатки містять акти впровадження результатів дисертаційної роботи, алгоритми розроблених методів пеленгування, аналіз ЕМО, аналіз відомих алгоритмів розділення та виявлення радіосигналів в смузі одночасного аналізу, аналіз можливості реалізації розроблених методів радіопеленгування з використанням нелінійних АР та результати експериментальних досліджень.

Основний зміст роботи

цифровий кореляційний інтерферометричний радіопеленгування

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету і задачі дослідження, об'єкт, предмет і методи дослідження, визначено наукову новизну отриманих результатів та їх практичне значення, наведено дані про особистий внесок здобувача, впровадження результатів, їх апробацію та публікації.

У першому розділі проведено аналіз відомих методів і засобів часового кореляційно-інтерферометричного пеленгування. Виконано дослідження методів та засобів пасивної радіолокації для задач розділення та пеленгування джерел радіовипромінювань з використанням часового просторового кореляційного оброблення. Виконано дослідження швидкодіючих багатоканальних радіотехнічних систем, що реалізують просторово-часове оброблення сигналів. Проведено аналіз цифрових спектральних методів пеленгування ДРВ.

Показано, що типові кореляційно-інтерферометричні пеленгатори використовують кореляційний компенсаційний метод аналізу одночасно одного сигналу на проміжній частоті з послідовним пошуком напрямку на ДРВ. Недоліком цих рішень є низька швидкодія, що зумовлена послідовним пошуком екстремальної затримки і надлишковими обчисленнями кореляційного аналізу в часовій області визначення, та недостатня точність, що визначається наявністю похибки компенсації при пеленгуванні ДРВ із розширеним спектром частот. Відомі методи підвищення швидкодії та точності вимагають значних апаратурних витрат.

У другому розділі розроблено цифрові кореляційно-інтерферометричні методи та засоби пеленгування джерел зі спектрально-просторовим обробленням їх радіовипромінювань.

Обґрунтовано принципи цифрового широкосмугового спектрального кореляційно-інтерферометричного радіопеленгування. Показано, що його доцільно здійснювати шляхом паралельного кореляційного оброблення комплексних спектрів сумішей прийнятих радіовипромінювань.

Виконано дослідження особливостей кореляційно-інтерферометричного компенсаційного радіопеленгування з обробленням сигналів на проміжній частоті та визначено наявність методичної похибки компенсації.

Показано, що при визначенні затримки на проміжній частоті взаємний фазовий спектр сигналів (3) і компенсуючий лінійно-частотний фазовий зсув (2) співпасти на усіх частотах не можуть, а тільки на одній частоті. Тому компенсація відмінностей спектрів сигналів буде не повною, зумовлюючи наявність похибки компенсації. Аналітичний вираз похибки компенсації визначається згідно з рівнянням:

, (1)

де - час затримки сигналу між двома антенами пеленгаційних каналів;

- значення часу компенсуючої лінії затримки;

- значення колової частоти спектральних складових сигналу, що лежать в межах смуги проміжної частоти;

- значення колової частоти спектральних складових сигналу, що лежать в межах смуги робочої частоти;

- значення ширини спектра сигналу;

- номер частоти спектральної складової різницевого фазового спектра, для якої забезпечується повна компенсація фазових відмінностей.

Значення похибки компенсації є випадковим з рівномірним законом розподілу густини імовірності і циклічно змінюється в межах смуги проміжних частот сигналу в діапазоні радіан.

Дисперсія та математичне очікування похибки компенсації дорівнюють:

, (2.2)

де , - відповідно мінімальне та максимальне значення похибки компенсації.

Похибка компенсації зумовлює наявність похибок оцінки часу затримки та напрямку на ДРВ. Визначено основні статистичні параметри похибки оцінки . Максимальне значення відносної похибки оцінки часу затримки визначається згідно з рівнянням:

, (2)

де - нижня межа діапазону можливих значень абсолютного значення похибки оцінки часу затримки .

Для типових граничних умов пеленгування при , , похибка складає 85%, що навіть при обмеженні робочого сектору напрямків (що відраховуються від антенної бази) на ДРВ шляхом використання 16 пар радіоканалів, розташованих по колу, зумовлює збільшення похибки радіопеленгування до .

Розроблено цифровий метод широкосмугового спектрального кореляційно - інтерферометричного радіопеленгування з відновленням робочої частоти.

Виконано оптимізацію часового методу кореляційно-інтерферометричного радіопеленгування за точністю. Цільова функція, що відповідає максимальному значенню похибки компенсації, має вигляд:

. (3)

Вибрано критерій оптимізації: . Рівняння мінімізації похибки із введеним адитивним частотним зсувом має вигляд:

. (4)

Розв'язок рівняння (4) відносно : . Визначено, що для повного усунення похибки компенсації та відповідної похибки оцінки часу затримки необхідно застосувати відновлення робочої частоти. В результаті при .

Операція цифрового відновлення робочої частоти в розробленому методі виконується після спектрального аналізу сигналів на проміжній частоті згідно з рівнянням:

, (5)

де ,  - відновлені відповідно комплексний та комплексно спряжений спектри -го радіосигналу першого та другого радіоканалу;

- -й відлік відновленої робочої частоти спектра -го радіосигналу;

, - фазочастотний спектр -го сигналу відповідно першого та другого радіоканалу.

Значення дискретної частотної взаємної кореляційної функції відновлених за частотою спектрів сигналів має вигляд:

, (6)

де  - -те значення компенсуючого фазового зсуву для -го радіосигналу;

 - -те значення дискретної регульованої компенсуючої затримки для спектра -го радіосигналу;

- значення антенної бази; - швидкість поширення електромагнітних коливань у вільному просторі;

- номера нижньої та верхньої частот спектральних складових -го сигналу з прийнятої суміші.

Напрямок на кожне -те ДРВ визначається за екстремальним значенням часу затримки, що відповідає , згідно з рівнянням:

. (7)

Розроблений метод забезпечує повне усунення похибки компенсації і суттєво підвищує точність пеленгування.

Розроблено алгоритм, структурну схему та основні вузли функціональної схеми цифрового широкосмугового спектрального кореляційно-інтерферометричного радіопеленгатора з відновленням робочої частоти, що забезпечує можливість одночасного радіопеленгування багатьох ДРВ з високою точністю при мінімальних апаратурних витратах.

Розроблено прямий цифровий метод спектрального дисперсійно-кореляційного радіопеленгування з відновленням робочої частоти.

Виконано оптимізацію спектрального кореляційно-інтерферометричного методу пеленгування за швидкодією. Цільова функція, що відповідає його тривалості пеленгування, має вигляд:

, (8)

де - тривалість настройки радіоприймача на задану частоту;

- тривалість аналізу радіовипромінювань; - кількість відліків сигналу; - період дискретизації;

- тривалість кореляційного оброблення; - кількість циклів кореляційного оброблення; - тривалість одного циклу.

Вибрано критерій оптимізації: . При , що вже оптимізовані у відомих роботах, .

Максимально правдоподібна оцінка часу затримки визначається згідно рівняння правдоподібності, яке для аналізу сигналів в частотній області визначення має вигляд:

, (9)

де - спектральний кореляційний оператор; - значення компенсуючої затримки;

- взаємний фазовий спектр прийнятих сигналів;

- компенсуючий лінійно-частотний фазовий зсув.

Рівняння (9) явного розв'язку не має. Для отримання можливості прямого розв'язку рівняння (9) запропоновано дисперсійне -перетворення:

, (10)

де - дисперсійний частотно залежний множник; .

В результаті дисперсійного -перетворення рівняння правдоподібності матиме вигляд:

. (11)

Отримано прямий розв'язок рівняння (11) відносно затримки :

. (12)

Екстремальна затримка згідно розробленого спектрального дисперсійно-кореляційного методу з відновленням робочої частоти визначається:

, (13)

де - еквівалентне значення частотно незалежного фазового зсуву;

 - комплексна частотна характеристика відбілюючого фільтра;

 - множник дисперсійного -перетворення різницевих фазових спектрів ;

 - номера частотних складових виділеного спектра сигналу -го ДРВ, які відповідають його нижній та верхній граничним частотам;

- коефіцієнт корекції неоднозначності для функції ;

при ; при ; .

В розробленому методі пеленг визначається за один цикл кореляційного оброблення спектрів, що забезпечує оптимальну швидкодію спектрального кореляційно-інтерферометричного пеленгування.

Розроблено алгоритм та структурну схему цифрового широкосмугового спектрального дисперсійно-кореляційного радіопеленгатора.

Запропонована структурна схема забезпечує суттєве підвищення швидкодії при незмінних апаратурних витратах.

Розроблено цифровий метод широкосмугового комплексного спектрально-кореляційного радіопеленгування з використанням -канальної АР.

Виконано оптимізацію відомого цифрового спектрального методу пеленгування з використанням АР за швидкодією. Цільова функція, що відповідає його тривалості пеленгування, має вигляд:

, (14)

де - тривалість часового спектрального аналізу;

- кількість спектральних складових в смузі ;

- тривалість просторового спектрального аналізу; - кількість елементів АР;

- ширина сектору пеленгування; - просторовий крок визначення напрямку на ДРВ; - тривалість остаточного визначення напрямку.

Вибрано критерій оптимізації: . Оскільки значення , , , , вже оптимізовано у відомих роботах, то при , , тобто мінімум цільової функції, при якому не погіршується просторова розрізнювальна здатність пеленгатора, досягається при синтезі просторових пелюсток ДС, кількість яких дорівнює кількості елементів АР.

Для забезпечення можливості використання пелюсток ДС розроблено безпошуковий метод оцінки напрямку на ДРВ в межах пелюсток ДС. Для його реалізації запропоновано сформувати дві багатопелюсткові ДС (БПДС) та здійснити дисперсійно-кореляційне оброблення відповідних просторових спектрів. Перша комплексна БПДС синтезується на основі використання алгоритму ШПФ згідно з рівнянням:

, (15)

де - значення просторової частоти, що визначає напрямок -ї пелюстки багатопелюсткової ДС, ;

- перший масив відповідних часових спектральних складових однакової частоти; - вагова функція, що визначає форму пелюстки ДС;

- отриманий просторовий комплексний спектр.

Друга комплексна БПДС синтезується на основі ШПФ згідно з рівнянням:

, (16)

де - другий масив відповідних комплексних частотних відліків спектрів сигналів каналів АР з частотою .

Параметри багатопелюсткових ДС:

; , (17)

де - напрямки -ї головної пелюстки першої та другої БПДС;

 - крутизна фазових ПХ пелюсток відповідно першої та другої БПДС; ; - кількість елементів АР; - крок АР;

Максимуми амплітудних пеленгаційних характеристик (ПХ) пелюсток двох сформованих БПДС співнапрямлені, а фазові ПХ обох БПДС формуються лінійними та однозначними функціями від напрямку на ДРВ.

Просторовий різницевий фазовий спектр в межах пелюсток:

, (18)

де  - -ті відліки просторових фазових спектрів, що відповідають -й часовій частоті відповідно першої та другої багатопелюсткової ДС;

- початкова фаза -ї просторової спектральної складової, що визначена для -ї часової спектральної складової;

- значення просторової частоти, що відповідає -й частоті спектральної складової, що прийшла з напрямку в межах -ї пелюстки.

З урахуванням визначається оцінка відхилення значення просторової частоти -го випромінювання від значення просторової частоти максимуму -ї головної пелюстки згідно з рівнянням:

, (19)

де  - комплексна частотно-просторова характеристика відбілюючого фільтра.

Оцінка напрямків на ДРВ має вигляд:

, (20)

де ; - значення просторових частот, що відповідають напрямкам максимумів -х головних пелюсток БПДС, для яких значення максимальне.

Функція визначається згідно з рівнянням:

, (21)

де  - множник дисперсійного перетворення.

Виконано також оптимізацію параметрів комплексного алгоритму радіопеленгування. Розроблено алгоритм та структурну схему цифрового широкосмугового комплексного радіопеленгатора з використанням АР.

У третьому розділі виконано теоретичний аналіз швидкодії та точності розроблених методів пеленгування.

Виконано аналіз швидкодії та точності цифрового методу широкосмугового спектрального кореляційно-інтерферометричного радіопеленгування з відновленням робочої частоти. Швидкодію оброблення радіосигналів оцінено через кількість необхідних арифметичних операцій множення, що припадає на один радіосигнал.

В результаті досліджень отримано аналітичні співвідношення оцінки швидкодії розробленого методу та виграшу у порівнянні з швидкодією пеленгування відомого часового кореляційно-інтерферометричного методу:

, (22)

де - діапазон частот одночасного аналізу; - значення ширини спектра сигналу; - мінімальний виграш по зменшенню частоти дискретизації; , - частота дискретизації відповідно при часовому та спектральному кореляційно-інтерферометричному пеленгуванні; - задана дискретність визначення затримки на проміжній частоті.

Показано, що, незважаючи на додаткові часові витрати на спектральний аналіз, забезпечується виграш за швидкодією, що пропорційний мінімальному виграшу по зменшенню частоти дискретизації та відношенню . Для типових умов пеленгування при , , , , , виграш , а виграш за швидкодією складає два порядки.

Результати досліджень точності пеленгування наступні. Визначено, що при спектрально-кореляційному обробленні після відновлення робочої частоти спектрів похибка компенсації усувається повністю. При цьому виграш по точності пеленгування сягає 5 градусів.

Виконано аналіз швидкодії та точності цифрового методу широкосмугового спектрального дисперсійно-кореляційного пеленгування з відновленням робочої частоти. В результаті досліджень швидкодії пеленгування отримано аналітичні співвідношення оцінки його часових витрат та виграшу у порівнянні з часовими витратами розробленого спектрального кореляційно-інтерферометричного методу:

, (23)

де - просторовий крок визначення напрямку на ДРВ;

- задана похибка дискретності визначення напрямку на ДРВ.

Аналіз рівняння (23) показав, що для типових вимог при , виграш за швидкодією дисперсійно-кореляційного методу перевищує порядок. Таким чином, запропонований метод забезпечує суттєве підвищення швидкодії пеленгування при незмінних апаратурних витратах.

В результаті досліджень точності пеленгування отримані аналітичні співвідношення оцінки відносного збільшення рівня шуму та шумової складової дисперсії оцінки часу затримки дисперсійно-кореляційного методу у порівнянні з шумовою складовою дисперсії оцінки часу затримки розробленого методу спектрального кореляційно-інтерферометричного пеленгування:

, , (24)

де - спектральна густина потужності сумарного шуму пеленгаційних каналів для спектрального кореляційно-інтерферометричного методу;

- максимальне значення спектральної густини потужності сумарного шуму пеленгаційних каналів для дисперсійно-кореляційного методу;

- частота несучої; - відношення сигнал/шум.

Визначено, що відносне збільшення рівня шуму та дисперсії буде не більше . Збільшення похибки пеленгування при цьому буде несуттєвим.

Виконано аналіз точності та швидкодії цифрового методу широкосмугового комплексного спектрально-кореляційного радіопеленгування з використанням АР. Визначено, що комплексний метод забезпечує підвищення завадозахищеності на при практично незмінних апаратурних витратах. В результаті аналізу швидкодії отримано аналітичні співвідношення оцінки його часових витрат та виграшу за швидкодією у порівнянні з часовими витратами відомого спектрального методу пеленгування:

. (25)

Визначено, що виграш за швидкодією комплексного методу сягає 40 разів при типових вимогах: ; ; ; .

У четвертому розділі наведені результати експериментальних досліджень розроблених методів пеленгування, результати яких підтверджують результати теоретичних досліджень.

Для проведення досліджень принципів формування похибок компенсації та відповідної похибки оцінки часу затримки та пеленгу виготовлено макет двоканального супергетеродинного радіоприймача пеленгатора зі спільним гетеродином. Рознесення у просторі каналів імітується дискретною лінією затримки. Аналіз результатів досліджень показав, що задана на робочій частоті часова затримка між сигналами при перетворенні їх на проміжну частоту збільшується пропорційно відношенню і стає різною для кожної гармонічної складової сигналу. Тому компенсуючою затримкою на проміжній частоті неможливо забезпечити компенсацію відмінностей спектрів сигналів для усіх гармонічних складових, а тільки для однієї, що підтверджує наявність похибки компенсації. Необхідність визначення оцінки реального значення затримки шляхом перерахунку за формулою і те, що екстремальна затримка може відповідати компенсації для довільної -ї гармонічної складової сигналу, підтверджує наявність методичної похибки оцінки часу затримки та пеленгу.

Для проведення досліджень працездатності та точності розроблених методів радіопеленгування виготовлено макет цифрового двоканального радіопеленгатора. Аналіз результатів досліджень на макеті спектрального кореляційно-інтерферометричного та спектрального дисперсійно-кореляційного методів пеленгування показав, що точність обох методів практично однакова при вищій на порядок швидкодії дисперсійно-кореляційного методу. Результати досліджень узгоджуються з результатами теоретичного аналізу і підтверджують працездатність, високу точність та швидкодію розроблених методів радіопеленгування.

Також проведені експериментальні дослідження шляхом програмного моделювання. Виконано дослідження спектрального кореляційно-інтерферометричного методу пеленгування з відновленням робочої частоти. Отримана залежність середнього квадратичного відхилення (СКВ) значень пеленгу від відношення сигнал/шум.

Виконано дослідження цифрового методу широкосмугового спектрального дисперсійно-кореляційного радіопеленгування з відновленням робочої частоти. Отримані залежності СКВ значень пеленгу від відношення сигнал/шум.

На рис. 5 позначено: ряд 1 - графік для дисперсійно-кореляційного методу; ряд 2 - графік для спектрального кореляційно-інтерферометричного методу, при однакових початкових умовах. Результати досліджень підтвердили ефективність розробленого прямого дисперсійно-кореляційного методу пеленгування.

З рис. 5 видно, що за умови рівності антенних баз точність дисперсійно-кореляційного та спектрального кореляційно-інтерферометричного методів практично однакова, але швидкодія дисперсійно-кореляційного методу на порядок вища. Іншими дослідженнями підтверджено, що точність пеленгування не залежить від та .

Виконано дослідження цифрового методу широкосмугового комплексного спектрально-кореляційного радіопеленгування з використанням АР. Отримано залежність СКВ значень пеленгу від відношення сигнал/шум.

Результати досліджень підтвердили на порядок вищу швидкодію та високу точність розробленого комплексного методу пеленгування з використанням синтезу двох БПДС та безпошуковим уточненням напрямків на ДРВ в межах пелюсток ДС.

У висновках наведено основні результати, отримані в дисертації.

Висновки

В дисертації розв'язано актуальну наукову задачу, яка полягає у підвищенні швидкодії та точності кореляційно-інтерферометричного пеленгування радіовипромінювань ДВЧ-УВЧ діапазону з використанням спектрально-просторових методів оброблення, що має важливе значення в науці і техніці.

Отже, основні результати та висновки, отримані в дисертаційній роботі, наступні:

1. Розроблено цифровий метод спектрального кореляційно-інтерферометричного радіопеленгування з відновленням робочої частоти, що забезпечує усунення методичної похибки компенсації і підвищення точності пеленгування ДРВ з розширеним спектром до . Також забезпечується до двох порядків підвищення швидкодії пеленгування у порівнянні з відомим цифровим методом часового кореляційно-інтерферометричного радіопеленгування, що досягається за рахунок використання широкосмугового прийому суміші радіовипромінювань, мінімально можливої частоти дискретизації та спектрального аналізу, що значно скорочує об'єм обчислень та тривалість пеленгування. Розроблено алгоритм роботи та структурну схему такого радіопеленгатора. Захищено двома патентами України спосіб та пристрій такого пеленгування.

2. Вперше запропоновано прямий цифровий метод широкосмугового спектрального дисперсійно-кореляційного радіопеленгування з відновленням робочої частоти, що при незмінних апаратурних витратах у порівнянні з розробленим цифровим методом спектрального кореляційно-інтерферометричного радіопеленгування забезпечує оптимальну, на порядок вищу, швидкодію пеленгування за рахунок прямого визначення затримок сигналів та відповідних напрямків на ДРВ. Розроблено алгоритм роботи та структурну схему такого радіопеленгатора.

3. Вперше запропоновано цифровий метод широкосмугового комплексного спектрально-кореляційного радіопеленгування з використанням АР, що забезпечує при незмінних апаратурних витратах підвищення більше ніж на порядок швидкодії пеленгування за рахунок здійснення паралельної просторової селекції та безпошукового уточнення напрямків на ДРВ в межах просторових пелюсток ДС та суттєве, на , підвищення завадозахищеності. Розроблено алгоритм роботи та структурну схему такого радіопеленгатора. Захищено патентом України спосіб такого пеленгування.

4. Вперше досліджено властивості та отримано аналітичні вирази похибок компенсації та відповідної похибки оцінки пеленгу кореляційно-інтерферометричного компенсаційного пеленгування з обробленням сигналів на проміжній частоті. Показано, що похибка компенсації навіть при обмеженні робочого сектора напрямків на ДРВ діапазоном до 5 градусів погіршує точність пеленгування ДРВ з розширеним спектром.

5. Експериментально підтверджена ефективність розроблених методів та засобів пеленгування і отримані їх основні характеристики, що дозволяють оптимізовувати їх параметри при використанні у відповідності до заданих умов пеленгування.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Точність цифрового кореляційного пеленгування радіоелектронних засобів / В.В. Ципоренко, В.Г. Ципоренко // XXX наукова конференція Житомирського державного технологічного університету: наук. конф., 10-17 березня 2005 р.: тези доп. - Житомир: ЖДТУ, 2005. - С. 37-38.

2. Ефективність широкосмугового кореляційного радіопеленгування в умовах апріорної невизначеності / В.В. Ципоренко, В.Г. Ципоренко // XXXI науково-практична міжвузівська конференція Житомирського державного технологічного університету: наук.-практ. конф., 14-16 березня 2006 р.: тези доп. - Житомир: ЖДТУ, 2006. - С. 59.

3. Точність частотного кореляційного пеленгування радіоелектронних засобів / В.В. Ципоренко, В.Г. Ципоренко // X Ювілейний міжнародний молодіжний форум «Радіоелектроніка і молодь у XXI столітті ММФ-2006»: міжнар. молод. форум, 10-12 квітня 2006 р.: тези доп. - Харків: ХНУРЕ, 2006. - С. 28.

4. Ципоренко В.В. Принципи побудови широкосмугового кореляційного цифрового радіопеленгатора / В.В. Ципоренко, М.В. Коваленко, В.Г. Ципоренко // Вісник ЖДТУ. Технічні науки. - 2006. - №4 (39). - С. 36-43.

5. Ципоренко В.В. Точність кореляційного радіопеленгатора з обробкою радіосигналу на проміжній частоті в умовах апріорної невизначеності / В.В. Ципоренко // Вісник ЖДТУ. Технічні науки. - 2007. - №3 (42). - С. 101-106.

6. Аналіз методичної похибки широкосмугових цифрових кореляційних аналізаторів аерокосмічних навігаційних систем / В.В. Ципоренко, В.Г. Ципоренко // VI Міжнародна науково-практична конференція «Практична космонавтика і високі технології»: наук.-практ. конф., 9-11 січня 2007 р.: тези доп. - Житомир: ЖДТУ, 2007 - С. 22.

7. Ципоренко В.В. Моделювання інваріантних антенних решіток для умов змішаного синтезу / В.В. Ципоренко, М.В. Коваленко, М.Ф. Хоменко, В.В. Бура // Вісник ЖДТУ. Технічні науки. - 2008. - №3 (46). - С. 74-81.

8. Ципоренко В.В. Похибка компенсації кореляційного радіопеленгатора з обробкою радіосигналу на проміжній частоті / В.В. Ципоренко // Вісник ЖДТУ. Технічні науки. - 2008. - №4 (47). - С. 109-116.

9. Дослідження ефективності методів спектрально-просторової обробки / В.В. Ципоренко, А.В. Камінський // XXXIII науково-практична міжвузівська конференція: наук.-практ. конф., 18-19 березня 2008 р.: тези доп. - Житомир: ЖДТУ, 2008 - С. 39.

10. Дослідження точності кореляційного радіопеленгатора в умовах апріорної невизначеності / В.В. Ципоренко // 5-та міжнародна молодіжна науково-технічна конференція «Сучасні проблеми радіотехніки і телекомунікацій РТ-2009»: наук.-техн. конф., 20-25 квітня 2009 р.: тези доп. - Севастопіль: Сев НТУ, 2009 - С. 60.

11. Ципоренко В.В. Дослідження методів підвищення точності кореляційних компенсаційних радіопеленгаторів / В.В. Ципоренко // Вісник ЖДТУ. Технічні науки. - 2009. - №I (48). - С. 118-126.

12. Просторово-спектральний метод пеленгування із використанням антенних решіток / В.В. Ципоренко // XXXIV науково-практична міжвузівська конференція: наук.-практ. конф., 16-18 березня 2009 р.: тези доп. - Житомир: ЖДТУ, 2009. - Т. 1. - С. 63-64.

13. Ципоренко В.В. Алгоритм швидкого комплексного пеленгування із використанням антенних решіток / В.В. Ципоренко // Вісник ЖДТУ. Технічні науки. - 2009. - № ІІ(49). - С. 53-58.

14. Патент України на винахід №84964, G 01 S 3/02. Спосіб цифрового кореляційного радіопеленгування та пристрій для його здійснення / В.В. Ципоренко, В.Г. Ципоренко. - № а200702605; Заявл. 12.03.2007; Опубл. 10.12.2008, - Бюл. №23.

15. Патент України на винахід №90068, G 01 S 3/00. Спосіб цифрового комплексного радіопеленгування / В.В. Ципоренко, В.Г. Ципоренко. - №а200904409; Заявл. 05.05.2009; Опубл. 25.03.2010, - Бюл. №6.

16. Патент України на винахід №90619, G 01 S 5/02. Спосіб цифрового кореляційного радіопеленгування / В.В. Ципоренко. - № а200902874; Заявл. 27.03.2009; Опубл. 11.05.2010, - Бюл. №9.

17. Ципоренко В.В. Цифровий метод широкосмугового спектрального дисперсійно-кореляційного пеленгування радіовипромінювань / В.В. Ципоренко // Вісник ЖДТУ. Технічні науки. - 2009. - №III (50). - С. 185-193.

18. Ципоренко В.В. Оптимізація алгоритму комплексного спектрально-кореляційного пеленгування з використанням антенної решітки / В.В. Ципоренко // Вісник ЖДТУ. Технічні науки. - 2009. - №IV (51). - С. 186-190.

19. Ципоренко В.В. Цифровий метод широкосмугового комплексного спектрально-кореляційного пеленгування радіовипромінювань з використанням антенної решітки / В.В. Ципоренко // Вісник Хмельницького національного університету. Технічні науки. - 2010. - №2. - С. 106-111.

20. Дослідження методів підвищення швидкодії кореляційно-інтерферометричних радіопеленгаторів / В.В. Ципоренко // 6-та міжнародна молодіжна науково-технічна конференція «Сучасні проблеми радіотехніки і телекомунікацій РТ-2010»: наук.-техн. конф., 19-24 квітня 2010 р.: тези доп. - Севастопіль: Сев НТУ, 2010 - С. 73.

Размещено на Allbest.ru

...