Просторова обробка в бортових авіаційних радіотехнічних комплексах в умовах неідентичності характеристик антен та еволюцій об’єктів

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Постійне зростання вимог до точності та безпеки літаководіння потребує створення бортових авіаційних радіотехнічних комплексів (РТК), які призначені для прийому, передачі та обробки інформації на борту ЛА. Висока щільність розміщення різноманітних радіотехнічних систем в бортових РТК, які працюють в близьких діапазонах частот, в умовах можливого перевідбиття радіохвиль від елементів корпусу літального апарату (ЛА) та інших ЛА, а також дії навмисних завад суттєво загострюють проблему підвищення їх завадозахищеності (ЗЗ).

Важливе значення в комплексі можливих напрямків вирішення цієї проблеми відводиться подальшому удосконаленню методів та алгоритмів обробки сигналів у бортових РТК з урахуванням реальної завадової обстановки. Одними з найбільш конструктивних в цьому напрямку слід вважати використання методів адаптивної просторово-часової обробки сигналів (ПЧОС), в складі каналоутворюючої апаратури (КА) бортових РТК. Однак, використання цих методів у значній мірі залежать від того наскільки застосовані методи та алгоритми адаптації враховують властивості характеристик спрямованості приймальної апертури, утвореної бортовими антенами (БА) КА, змінність напрямків прийому сигналів та завад за рахунок еволюцій ЛА, наявність розсіювання та відбиття сигналів та завад на елементах корпусу ЛА, використання спеціальних режимів випромінювання, та застосування широкосмугових сигналів.

Традиційні методи та алгоритми адаптивної ПЧОС зазначені вище властивості враховують не в повній мірі. В основному дослідження адаптивної ПЧОС обмежуються лінійними, рідше плоскими, апертурами з ізотропними характеристиками спрямованості антенних елементів і однаковою їхньою орієнтацією, переважно в умовах стаціонарності інформаційно-завадового середовища.

На сьогодні питання, що пов'язані з використанням адаптивної ПЧОС з метою підвищення ЗЗ бортових РТК, є недостатньо дослідженими. А та кількість робіт, що присвячена дослідженню кола задач у даному напрямку не дає повного уявлення про можливості використання адаптивної ПЧОС і її ефективність на борту ЛА в умовах мінливого інформаційно-завадового середовища, обумовленого неідентичністю характеристик спрямованості БА та еволюціями ЛА. Тому дослідження методів адаптивної ПЧОС в бортових авіаційних РТК з метою підвищення їх ЗЗ в умовах нестаціонарності інформаційно-завадового середовища з урахуванням неідентичності характеристик спрямованості БА та еволюцій ЛА є актуальними.

Мета і задачі дослідження: підвищення ЗЗ авіаційних бортових РТК в умовах дії завад різного походження на основі використання адаптивної ПЧОС з урахуванням неідентичності характеристик спрямованості БА та еволюцій ЛА.

Завдання дослідження:

Розробка динамічної моделі системи інформаційної взаємодії (СІВ) авіаційних об'єктів на основі РТК в умовах реального польоту з урахуванням дії завад різного походження та оцінка імовірності інформаційного обміну (ІО).

Розробка математичних моделей сигналів та завад, що приймаються РТК з урахуванням характеристик спрямованості і розміщення БА та еволюцій ЛА.

Синтез системи оптимальної просторово-часової обробки для КА бортових РТК з урахуванням характеристик спрямованості БА приймальної апертури.

Дослідження якісних показників КА РТК, що реалізують відомі методи адаптивної просторової обробки, в умовах неідентичності характеристик спрямованості БА та еволюцій ЛА.

Розробка та дослідження методу ефективної адаптивної просторової обробки в умовах неідентичності характеристик спрямованості БА та еволюцій ЛА.

1. Аналіз особливостей функціонування бортових авіаційних РТК, розробці динамічної моделі системи інформаційної взаємодії авіаційних об'єктів на основі використання бортових РТК, оцінці імовірності інформаційного обміну в РТК з урахуванням завад різного походження та формулюванню задачі підвищення ЗЗ бортових РТК на основі використання просторово-часової обробки сигналів

Проаналізовано типову структуру бортового РТК та інформаційного середовища його функціонування. Показано, що в загальному випадку сучасний РТК повинен забезпечувати високу якість ІО в умовах вільних еволюцій та просторових переміщень ЛА в усій зоні їх застосування. Відмічається, що забезпечення високої якості ІО в РТК в цих умовах з урахуванням дії завад суттєво залежить від характеристик КА бортових РТК, до складу яких входять відповідна кількість БА та передавальних й приймальних радіотехнічних пристроїв, що розміщуються на ЛА. В умовах просторової динаміки та еволюцій авіаційних об'єктів найбільш важливими характеристиками є просторові характеристики спрямованості КА РТК. У зв'язку з цим були проаналізовані типові характеристики спрямованості БА та їх розміщення в існуючих типах КА з урахуванням частотного діапазону функціонування бортових РТК. Відмічається, що характеристики спрямованості БА, які використовуються переважно в УКХ діапазоні, за рахунок впливу металевого корпусу та складної геометрії ЛА, виявляються глибоко зрізаними. Встановлено, що провали характеристик спрямованості можуть досягати (до -20 -30дБ), а ширина окремих пелюстків може складати величину від 50 до 200, при цьому відмічається, що ХС суттєво залежать від місця розташування БА на борту, зовнішньої геометрії конкретного типу ЛА та робочого діапазону частот РТК. В цих умовах просторова динаміка та еволюції ЛА, призводять до значних різких змін рівнів сигналів та завад на виході приймальних БА КА.

В загальному випадку вихідний сигнал окремої БА визначатиметься рівнянням:

,

де - задана функція відповідних аргументів;

- вектор напруженості електромагнітного поля;

- векторна ХС БА;

- поточні курс, тангаж і крен ЛА відповідно.

Вплив просторової динаміки та еволюцій ЛА з урахуванням ХС БА запропоновано розглядати, як додаткову мультиплікативну заваду (ДЗ) щодо корисного сигналу та зовнішніх завад.

На основі моделі СІВ запропоновано щодо кількісної оцінки якості інформаційної взаємодії використовувати показник - імовірність ІО (під імовірністю ІО розуміється імовірність того, що відношення сигнал-завада плюс шум (ВСЗШ) на вході приймача КА РТК буде не нижче рівня, який визначає потрібну якість обміну) з урахуванням впливу завад різного походження без конкретизації джерел. Враховувалося, що завади можуть діяти у випадкові моменти часу на протязі всього польоту при умові незалежності кожного зі діючих джерел завад. Крім того вважалось, що еволюції ЛА є вільними і незалежними. Кожне з діючих джерел завад і можливі еволюції призводять до відповідного стану СІВ. При цьому вважалось відсутність впливу станів СІВ, які були у минулому на поточний її стан. Враховувалось, що СІВ може знаходитися у трьох станах. Перший стан визначається відсутністю дії завад різного походження. Другий стан визначається дією завад різного походження, а третій стан - технічною відмовою елементів СІВ.

З урахуванням вказаних припущень в загальному випадку модель зміни станів СІВ описувалась дискретним неоднорідним марковським процесом, який повністю визначається відповідною матрицею інтенсивностей переходів та початковим вектором ймовірностей станів.

Це дозволило здійснювати оцінку імовірності ІО в процесі польоту ЛА з урахуванням поточної зміни станів СІВ відповідно до рівняння:

, (1)

де - і-й елемент вектору імовірностей станів СІВ в поточний момент часу t, який визначає імовірність знаходження СІВ в і-му стані;

- і-й елемент вектору умовних ймовірностей ІО в момент часу t, що визначає імовірність ІО при знаходження СІВ в і-му стані.

З аналізу типової циклограми ІО в бортових РТК показано, як може визначатись інтенсивність відповідних переходів станів. Одержані розрахункові формули щодо визначення вектору ймовірностей станів у довільний момент часу при умові, що початковий стан СІВ відповідає його справному стану і здійснюється двосторонній радіообмін інформацією. Умовні показники якості ІО визначались з урахуванням статистичних розподілив вхідного ВСЗШ та потрібного його значення для нормального функціонування типового приймача.

Для цих умов досліджувана ймовірність станів СІВ для випадку дискретної зміни інтенсивності переходу у стан дії завад на протязі ділянки польоту, яка може відбуватися за рахунок різних причин - перевідбиттям хвиль від різноманітних об'єктів у просторі, або віддзеркалених від елементів фюзеляжу самого ЛА, або роботою інших радіотехнічних систем в близьких діапазонах частот, або навмисних завад та інше.

На основі запропонованої динамічної моделі СІВ досліджувалась якість ІО відповідно до (1) в різноманітних типових ситуаціях.

З представлених даних видно, що на рубежі відповідальності, що характеризується відстанню 100 - 120 км відносно пункту управління повітряним рухом (ПУ) імовірність ІО буде складати величину 0,27, що не відповідає потрібним нормам для бортових РТК подібного типу, для якого вона складатиме величину не менш 0,85.

Проведено аналіз способів захисту від завад, які використовуються в сучасних РТК. Відмічається, що до теперішнього часу просторово-часові характеристики радіосигналів, що приймаються, для підвищення ЗЗ РТК в повному обсязі практично не використовуються. Тому актуальною стає задача розробки та дослідження методів підвищення ЗЗ бортових РТК на основі повного використання ПЧОС з урахуванням відмічених особливостей функціонування РТК.

2. Синтез структури оптимального пристрою ПЧОС для КА бортових РТК та особливостям його структурної побудови з урахуванням використання в умовах дії завад, еволюцій ЛА та режимів роботи бортових РТК

З урахуванням особливостей режимів роботи бортових РТК розглянуті математичні моделі сигналів на виході БА, які враховують довільне розташування БА на фюзеляжі ЛА відносно заданої опорної точки, ХС БА у напрямках прийому сигналів та зміну цих напрямків за рахунок еволюцій ЛА.

Вектор сигналів в точках розташування БА без урахування ХС БА, за умов співпадіння літакової зв'язаної системи координат (СК) та літакової переносної СК OXYZ, має вигляд:

, (2)

де - вектор фазових зрушень сигналу від l-го джерела випромінювання в точках розташування БА відносно опорної, обумовлений запізненням радіосигналу за рахунок поширення;

-- хвильовий вектор для 1-го джерела в момент часу t0 ;

- початкове кутове положення l-го джерела в літаковій переносній СК OXYZ.

З урахуванням еволюцій ЛА кутове положення ЛІО, яке визначається кутами буде постійно змінюватися, тобто

, (3)

де - кути курсу, тангажу та крену відповідно.

Це означає, що будуть змінюватися відповідні параметри сигналів в точках розташування приймальних БА в (2). Для урахування цих змін протягом польоту потрібно здійснювати перерахунок положення ЛІО з літакової переносної СК в літакову зв'язану СК. Для цього використовуються відомі перетворення координат.

Оскільки кожна БА має індивідуальні ХС, то вводиться вектор спрямованих характеристик і-ої БА у напрямку l-го джерела

, (4)

де -- комплексна ХС і-ої БА у напрямку 1-го джерела;

-- одиничний вектор поляризації і-ої БА;

-- одиничний вектор поляризації поля 1-го джерела,

та блокова матриця спрямованих характеристик антенної системи (АС) з N БА для прийому сигналу від l-ого джерела з урахуванням (4)

. (5)

Тоді з урахуванням ХС БА (5) та еволюцій ЛА (3) сигнал від l-ого джерела на виході АС з N БА можна записати у вигляді вектора

, (6)

де - вектор амплітудно-фазових викривлень (АФВ), що вносить приймальна апертура для 1-го джерела випромінювання.

В загальному випадку дії L джерел, з яких одне джерело корисного сигналу, а інші джерела завадових випромінювань, вектор сигналів на виході N БА з урахуванням їх ХС та вільної поточної еволюції ЛА, що визначається (3), можна записати у вигляді:

, (7)

де - вектор корисного сигналу; - вектор завад;

- вектор шумів прийому.

З урахуванням розробленої моделі сигналів на виходах БА (7) виконано синтез структури пристрою оптимальної ПЧОС для КА РТК з урахуванням різних видів модуляції, які характерні для РТК. З аналізу структури пристрою оптимальної ПЧОС видно, що просторова обробка (ПО) може виконуватися окремо від часової обробки. Основу пристрою ПО складає ваговий суматор радіосигналів з виходів БА.

3. Дослідження показників якості функціонування пристроїв ПО, які реалізують традиційні методи формування вектора вагових коефіцієнтів (ВВК) в специфічних умовах функціонування РТК

Для пристрою ПО, з урахуванням оптимального рішення для ВВК за критерієм мінімуму середнього квадрату похибки (СКП), отримані вирази: для оптимального значення вихідного ВСЗШ у ситуації прийому на АС, яка складається з N БА, двох сигналів - корисного та завадового:

, (8)

де - кореляційна матриця завадового сигналу.

та відносної похибки відтворення корисного сигналу на виході пристрою ПО:

, (9)

де - узагальнений кут між векторами АФВ для корисного сигналу та завади.

Із отриманих виразів (8), (9) видно, що дані показники, які характеризують якість функціонування пристрою ПО залежать від характеристик спрямованості БА, конфігурації АС та узагальненого кута між векторами АФВ для корисного сигналу та завади.

В динамічних умовах польоту напрямки приходу та рівні сигналів будуть постійно змінюватися, а отже умови прийому будуть відрізнятися від оптимальних, тому пристрій ПО повинен бути ще й адаптивним до зміни напрямків прийому з причини еволюцій ЛА та рівнів сигналів обумовлених неідентичними та ізрізаними характеристиками спрямованості БА. У зв'язку з цим, за результатами аналітичних досліджень були проведені числові дослідження відомих методів формування ВВК пристрою адаптивної ПО сигналів (АПОС), які мінімізують СКП (МСКП) та максимізують вихідне ВСЗШ (МВСЗШ) в специфічних умовах функціонування РТК в польоті.

Для проведення числових досліджень було запропоновано модель ізрізаності ХС і-ої БА у вигляді:

, (10)

де та - параметри, якими можна змінювати ширину пелюстків та глибину провалів відповідної БА.

З урахуванням (10) узагальнена ХС двохелементної АС буде мати вигляд

. (11)

З урахуванням (10) та (11) досліджено відносну похибку відтворення корисного сигналу на виході пристрою ПО (9) та вихідне ВСЗШ (8) при різних швидкостях еволюцій ЛА і різних напрямках приходу сигналів. Встановлено, що при ізотропних ХС БА кутова швидкість еволюцій практично не відбивається на якості функціонування пристрою АПОС (рис.6, крива 1); ізрізаність при відсутності еволюцій ЛА та однакова форма ізрізаності також не призводить до значного погіршення показників якості пристрою ПО. Середнє значення вихідного ВСЗШ залежить від того куди приходять сигнали в ХС БА - у максимум чи провал. Водночас, ізрізаність та неідентичність ХС БА призводить до значного зростання відносної похибки відтворення корисного сигналу на виході пристрою ПО. Збільшення неідентичності призводить до збільшення похибки відтворення корисного сигналу (крива 3 відповідає зрушенню між ХС БА на 30, а крива 4 - на 60).

Показано, що зміною коефіцієнта зворотного зв'язку можна досягти мінімального часу закінчення перехідного процесу адаптації при оптимальному співвідношенні вихідного значення ВСЗШ пристрою ПО. Однак, при зміні вихідної сигнально-завадової ситуації (наприклад, прихід завади в провал ХС однієї з БА ) встановлений коефіцієнт зворотного зв'язку вже не буде оптимальним. У результаті проведених досліджень зроблено висновок, що методи формування ВВК МСКП та МВСЗШ в умовах неідентичності та ізрізаності ХС БА, які характерні для КА РТК і швидкісних еволюцій сучасних ЛА являються недостатньо ефективними.

4. Розробка методу формування ВВК пристрою ПО стійкого до не ідентичності та ізрізаності ХС БА в умовах еволюцій ЛА

Досліджено якість функціонування пристрою ПО в якому реалізовано комплексний метод формування ВВК, в типових ситуаціях динамічного інформаційно-завадового середовища функціонування РТК.

З літератури відомо використання традиційних процедур формування ВВК зі змінним коефіцієнтом у ланцюгу зворотного зв'язку , який зворотно пропорційний сумарній потужність всіх сигналів, що діють на вході АС - . При цьому рекурентні рівняння для процедур адаптації, які реалізують методи МСКП та МВСЗШ будуть мати вигляд:

, (12)

, (13)

де - ВВК на (к+1)-му та к-му кроку адаптації відповідно;

- коефіцієнт зворотного зв'язку;

- значення вихідного сигналу пристрою ПО на к-му кроку;

- вектор вхідних сигналів пристрою ПО на к-му кроку;

- значення опорного сигналу на к-му кроку.

Як свідчать результати досліджень, дані процедури адаптації дозволяють компенсувати залежність тривалості періоду адаптації від коливань потужностей рівнів сигналів, а також підтримувати вихідне ВСЗШ не нижче 5 дБ при вхідному ВСЗШ до -20 -25 дБ та швидкості еволюцій до 60 0/сек.

Для практичної реалізації даних процедур адаптації потрібно мати додаткову антену з ХС близькою до ізотропної та вимірювач потужності сигналів, які приймаються даною антеною. Складність реалізації вимірювальної антени з ХС близькою до ізотропної, з зазначених вище причин, водночас виявляється недоліком даної реалізації.

Вимірювання потужності сигналів можна здійснювати за допомогою тих самих антен, які застосовуються для обробки сигналів та розраховувати індивідуальний коефіцієнт зворотного зв'язку в кожному каналі, який адаптується, зворотно пропорційний сумарній потужності сигналів, що діють на виході відповідної БА , як:

. (14)

У результаті досліджень процедур адаптації показано, що у відповідності до (12) та (13) при застосуванні індивідуального канального коефіцієнту зворотного зв'язку (14) при різних ВСЗШ на вході пристрою ПО (для двох елементної АС) вихідне ВСЗШ не нижче 5 дБ можна підтримувати при вхідному ВСЗШ до -30 дБ, іноді до -40 дБ при швидкості еволюцій до 100-120 0/сек.

Встановлено, що досліджувані процедури адаптації мають суттєві недоліки, які не можна не враховувати в умовах прийому сигналів в польоті. Так метод формування ВВК МСКП передбачає знання точної копії корисного сигналу, а метод формування ВВК МВСЗШ передбачає точне знання напрямку приходу корисного сигналу та його постійне відслідковування, що не завжди можливо в мінливих умовах динамічного польоту. Для компенсації даних недоліків пропонується комплексний метод формування ВВК пристрою ПО для РТК, який дозволяє комплексувати апріорну інформацію про форму корисного сигналу та напрямок його приходу. Рекурентне рівняння, що реалізує даний метод можна представити у вигляді:

. (15)

Комплексування здійснюється методом вагового підсумовування з ваговими коефіцієнтами та . Знаючи дисперсії виміру апріорної інформації, за допомогою даного методу можна отримати меншу похибку визначення керуючого впливу та, як слідство, виграш у вихідному ВСЗШ.

В роботі запропоновано структуру КА РТК з пристроєм адаптивної ПО, який реалізує комплексний метод формування ВВК. З урахуванням запропонованого пристрою ПО, протягом польоту на вході штатних приймачів РТК підтримується ВСЗШ у потрібних межах, при цьому імовірність ІО на віддалені від аеродрому в 100-120 км складає приблизно 0,86 (рис.9, крива Qa у порівнянні з кривою Q при відсутності завад та кривою Qp при наявності завад та відсутності пристрою ПО), що дозволяє стверджувати про ефективність пристрою ПО у складі РТК.

Висновки

авіаційний радіотехнічний каналоутворюючий бортовий

У результаті проведених досліджень розроблено науково-технічні пропозиції щодо підвищення ЗЗ авіаційних бортових РТК в умовах дії завад різного походження на основі побудови і використання в КА РТК пристроїв ПО, що реалізують запропонований комплексний метод адаптації, який дозволяє здійснювати ефективну просторову адаптацію КА в умовах неідентичності характеристик спрямованості БА та еволюцій ЛА.

У процесі розв'язання наукової задачі були отримані наступні основні наукові та практичні результати:

1. Вперше запропоновано модель СІВ, яка дозволяє здійснювати оцінку імовірності ІО в бортових РТК в різноманітних умовах динаміки сигнально-завадової обстановки, що виникає на протязі польоту.

2. Отримали подальший розвиток математичні моделі радіосигналів на виході БА, які дозволяють враховувати не тільки їх розміщення та орієнтацію на фюзеляжі ЛА відносно опорної точки (ЦМ ЛА), а і ХС з урахуванням змінних напрямків приходу сигналів та завад, обумовлених еволюціями ЛА.

3. Одержано вираз щодо відносної величини СКП відтворення корисного сигналу на виході пристрою ПО. Доведено, що потенційне значення даного показника якості функціонування пристрою ПО визначається загальним кутом між векторами амплітудно-фазових викривлень для корисного сигналу та завад, обумовлених використанням реальних БА з відмінними характеристиками спрямованості.

4. Вперше синтезовано структуру пристрою оптимальної ПЧОС для КА бортових РТК. Встановлено, що оптимальний пристрій складається з пристроїв просторової обробки, формування опорного сигналу, дискримінатору та пристрою формування оцінки радіосигналу, який приймається. Показано, що в нестаціонарних умовах необхідно здійснювати поточну оптимізацію пристрою ПО і підстроювати пристрій формування опорного сигналу.

5. Запропоновано комплексний метод формування ВВК пристрою ПО для КА бортових РТК, за рахунок комплексного використання поточної інформації про корисний сигнал, напрямок його приходу та еволюції ЛА, що дозволяє забезпечувати ВСЗШ на виході пристрою на рівні 5-10дБ в умовах неідентичності та зрізаності характеристик спрямованості БА до -20 ...-30дБ.

6. Доведено, що запропонований комплексний метод формування ВВК пристрою ПО є менш чутливим до похибок у визначенні напрямку приходу корисного сигналу (у порівнянні з традиційним методом, який максимізує вихідне ВСЗШ) та більш стійким до властивостей характеристик спрямованості БА у напрямках приходу сигналів під час еволюцій ЛА (у порівнянні з методом, який мінімізує СКП).

7. Показано, що застосування пристрою ПО у складі КА бортових РТК дозволить підвищити імовірність ІО в умовах реальних завад до потрібного рівня (Q0,85) та підтримувати цей показник протягом польоту при коливаннях вхідного відношення сигнал-завада в межах -20…-60дБ.

8. Отримані результати можуть бути використані при розробці тактико-технічних вимог до пристроїв ПО КА бортових РТК динамічних, високо маневрових об'єктів із складною конфігурацією фюзеляжу, а також при модернізації існуючих РТК та розробці нових систем інформаційного обміну з ЛА.

Література

Поспелов Б.Б., Грушенко М.В., Чечеткин Д.Л. Влияние начальных значений весовых коэффициентов на эффективность адаптивных антенных систем в авиационных радиолиниях // Радіоелектронні і комп'ютерні системи. - 2003. - №3 - С. 23-28.

Поспєлов Б.Б., Новіков М.І., Чечоткін Д.Л. Алгоритм функціонування адаптивного каналу в системах авіаційного радіозв'язку // Збірник наукових праць ХІ ВПС. - Х.: ХІ ВПС, 2004. - випуск 1(10). - С. 141-148.

Поспєлов Б.Б., Мисик Ф.Ф., Чечоткін Д.Л. Дослідження впливу еволюцій літального апарату на ефективність бортового пристрою адаптивної просторової обробки сигналів та завад // Відкриті інформаційні та комп'ютерні інтегровані технології. - 2006. - №30. - С. 24-31.

Чечоткін Д.Л. Методика оцінки якості функціонування авіаційної лінії інформаційного обміну з урахуванням мінливості умов радіоелектронного подавлення // Відкриті інформаційні та комп'ютерні інтегровані технології. - 2006. - №32. - С. 168-174.

Поспєлов Б.Б., Чечеткин Д.Л., Ященок В.Ж. Методы повышения эффективности адаптивной пространственной обработки сигналов на фоне помех в авиационных бортовых радиотехнических системах информационного обмена // Авиационно-космическая техника и технология. - 2006. - №6. - С. 36-41.

Поспелов Б.Б., Чечеткин Д.Л., Грушенко М.В Влияние начальных значений весовых коэффициентов на эффективность адаптивных антенных систем в авиационных радиолиниях // Информационные технологии в авиации: Материалы международной научно-технической конференции. Харьков, 29-30 октября 2003 г. - Х.: ХИ ВВС им. Ивана Кожедуба, 2003. - С. 12-13.

Размещено на Allbest.ru