Пеленгатор системы радиомониторинга

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ (АССОЦИАЦИЯ)

«КИСЛОВОДСКИЙ ГУМАНИТАРНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ»

Факультет Инженерный

Кафедра Радиоэлектронных систем

Направление Радиотехника

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к выпускной квалификационной работе

на тему: «Пеленгатор системы радиомониторинга»

Студент: Гарданов Владлен Альбертович

Кисловодск 2017

Реферат

В выпускной квалификационной работе (ВКР) произведён анализ методов радиомониторинга, структуры схемы АСМИРИ. Обоснованы выбранная антенная система и анализатор спектра. Проведён анализ ИРИ в заданном диапазоне частот. При экспериментальной проверке проведено моделирование функциональных узлов на ПЭВМ.

В ходе проектирования рассматриваются вопросы безопасности и жизнедеятельности и охраны окружающей среды при разработке пеленгатора системы радиомониторинга, анализируются технико-экономические результаты.

Содержание

• Введение
• 1. Анализ технического задания
• 1.1 Постановка задачи
• 1.2 Общие сведения о радиотехнических системах
• 1.3 Сведения о системах радиомониторинга
• 1.4 Анализ методов радиомониторинга
• 1.5 Обзор аналогов
• 2. Анализ структурной схемы АСМИРИ
• 2.1 Выбор и обоснование структурной схемы АСМИРИ
• 2.2 Выбор и обоснование антенной системы
• 2.3 Выбор и обоснование анализатора спектра
• 3. Анализ и функциональной и структурной схемы РПРУ
• 3.1 Анализ ИРИ в заданном диапазоне частот
• 3.2 Анализ структурной схемы РПрУ
• 3.3 Выбор и обоснование ПЧ РПрУ
• 3.4 Анализ ДД РПрУ
• 3.5 Анализ технических требований, предъявляемых к элементной базе РПрУ
• 4. Экспериментальная проверка
• 4.1 Моделирование работы функциональных узлов на ПЭВМ
• 5. Конструкция линейной части приемника
• 5.1 Общие правила конструирования
• 5.2 Конструирование экранирующих узлов
• 5.3 Анализ характеристик печатных плат
• 5.4 Реализация требований к конструкции приемника
• 6. Технико-экономическое обоснование
• 6.1 Обоснование целесообразности разработки и выбор аналога
• 6.2 Техническая подготовка производства

7. Безопасность и экологичность

7.1 Системный анализ надёжности и безопасности при эксплуатации проектируемой системы

7.2 Мероприятия по повышению надёжности и безопасности проектируемой системы

7.3 Пожарная безопасность при производстве проектируемой системы

7.4 Защита окружающей природной среды при производстве проектируемой системы

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Развитие человеческого общества вызывает непрерывный и быстрый рост объема информации. Для передачи информации на расстояние доминирующим, а в ряде случаев единственно возможным средством является радиосвязь. Широко применяют системы радиосвязи, использующие ионосферное и тропосферное рассеяние радиоволн. Бурно развиваются системы космической связи с пассивными и активными ретрансляторами. Широкое развитие получили радиорелейные линии связи. Для систем связи в настоящее время используется практически весь освоенный диапазон частот от светового спектра до сверхдлинных волн. Но и в этом широчайшем диапазоне плотность радиоизлучений весьма велика. Это приводит к росту взаимных помех, а в современных системах (например, телеметрических и телевизионных) необходимо обеспечить высокую достоверность и качество передачи информации.

Необходимость одновременной передачи больших потоков информации, а также высокая стоимость современных систем связи требует их эффективной работы, что достигается уплотнением отдельных линий связи и повышении их многоканальности. При этом к обеспечению их помехозащищенности предъявляются еще более высокие требования. Так как радиоэлектронные системы других назначений работают в тех же диапазонах частот, что и системы передачи информации, то обеспечение их совместной работы и исключение или снижение до требуемого уровня взаимных помех становится весьма серьезной проблемой.

Тщательный контроль (мониторинг) за работой радиоэлектронных средств и правильным использованием общего диапазона частот является важной практической задачей. Огромное значение приобретает борьба с "паразитными" излучениями различных радиотехнических средств, с индустриальными помехами, а также с несанкционированным или нерациональным использованием радиосредств, приводящим к взаимным радиопомехам.

Важнейшее значение приобрели задачи извлечения информации о параметрах сигналов и координатах объектов, передающих эти сигналы. Необходимость решения подобных задач в интересах судовождения (морского, воздушного, космического) привела, в частности, к созданию радиоэлектронных средств и систем навигации, радионавигации в том числе.

Необходимость решения задач извлечения информации о воздушных, космических, наземных, надводных, подводных объектах (особенно не содействующих или препятствующих получению о них информации) привела к созданию средств и систем локации, в том числе радио-, оптической и гидролокации.

На основе средств и систем извлечения и передачи информации, электронной вычислительной технике и других электронных средств автоматизации получили развитие радиоэлектронные средства (РЭС) и системы управления.

При работе множества РЭС, наличие взаимных помех обострило вопросы обеспечения и контроля электромагнитной совместимости (ЭМС) последних. Оснащение вооруженных сил различных государств всевозможными радиоэлектронными устройствами привело, кроме того, к появлению разрушающих информацию средств и систем радиоэлектронного подавления (радиоэлектронное подавление рассматривается как составная часть радиоэлектронной борьбы - РЭБ).

Важной особенностью эфирного контроля является то, что все измерения, сопровождающие процедуры мониторинга, происходят с реальными сигналами при наличии естественных, индустриальных и станционных помех. Это значительно усложняет процедуры контроля, и для получения достоверных результатов измерений аппаратура систем мониторинга источников радиозлучений должна обладать определенными техническими характеристиками, позволяющими корректно проводить измерения в указанных специфических условиях. При этом разработка технических требований должна проводится на аппаратуру радиоконтроля в целом, исходя из требуемого качества решения технических задач мониторинга.

Таким образом, интенсивное развитие и внедрение систем радиосвязи в России требуют постоянного совершенствования систем мониторинга источников радиоизлучений и оснащения их современной аппаратурой, созданной в свете последних достижений науки и техники. Основой аппаратурного оснащения являются современные отечественные и зарубежные разработки. Из зарубежных комплексов мониторинга источников радиоизлучений, безусловно, заслуживает внимание аппаратура фирм Thomson-CSF, Rohde&Schwarz и HewlettPackard. Эта аппаратура создается с применением всех современных достижений в области высоких технологий и соответствует требованиям международного союза электросвязи (МСЭ) и имеет высокую степень автоматизации. Однако стоимость такой аппаратуры очень велика, что делает проблематичным ее использование при массовом оснащении системами мониторинга в большинстве регионов России. В связи с этим, проектирование отечественных средств радиомониторинга является актуальной и перспективной задачей, вариант решения которой, рассматривается в данной ВКР.

1. Анализ технического задания

1.1 Постановка задачи

В соответствии с техническим заданием необходимо разработать приемник сверхвысокой частоты автоматизированной системы мониторинга источников радиоизлучений (ИРИ) ОВЧ-СВЧ диапазона (в дальнейшем АСМИРИ), предназначенной для проведения радиоразведки (мониторинга) в диапазоне частот и с техническими характеристиками, указанными в техническом задании на проектирование (ТЗ).

Данная система предназначена для применения в государственных гражданских службах радиомониторинга (РМ), а так же в службах военного и специального профиля.

Таким образом, в соответствии с ТЗ необходимо осуществить разработку приемника СВЧ, обеспечивающего основные характеристики как самого РПрУ, так и всей рассматриваемой системы в целом. Необходимо учесть, что разрабатываемый приемник уже представляет собой сложную радиоэлектронную систему низшего уровня по сравнению с рассматриваемой следовательно, для решения поставленной задачи, необходимо осуществить общий системный анализ, включающий в себя рассмотрение общих вопросов и материалов по данной теме, а также анализ технических требований, предъявляемых к структурным узлам рассматриваемой системы. Далее, по результатам проведенного системного анализа, для решения поставленной задачи, необходимо предъявить технические требования к приемнику СВЧ и осуществить его разработку.

1.2 Общие сведения о радиотехнических системах

Термин "система" произошел от латинского слова "Systema", означающего "целое", составленное из "частей", поэтому под системой и понимают совокупность взаимосвязанных частей, выполняющих единую задачу или функцию.

Радиотехнической системой (РТС) или радиосистемой называют любую техническую систему, в которой радиоустройства выполняют основную или одну из основных функций. Примерами радиоустройств могут быть радиопередающее, радиоприемное и антенное устройства.

РТС относятся к классу информационно-управляющих технических систем, осуществляющих извлечение, передачу или разрушение информации с помощью радиоволн. Отличительный признак РТС - наличие радиоканала (одного или нескольких), состоящего из источника радиоволн, являющихся носителем информации, среды, в которой распространяются радиоволны, и приемника, извлекающего информацию путем соответствующей обработки радиоволн, достигших его антенны.

Радиоволны, несущие ту или иную информацию называют радиосигналом. Таким образом, характерным признаком радиосистемы является использование радиосигнала в качестве носителя информации. Назначение информации - один из признаков классификации радиосистем. По этому признаку радиосистемы можно подразделить на системы передачи, извлечения и разрушения информации (радиопротиводействия), а также системы радиоуправления. В свою очередь, каждая из этих групп имеет свои разновидности, отличающиеся функциональным назначением системы. Так, среди систем передачи информации различают системы радиосвязи, телеметрии, передачи команд, радиовещания и телевидения.

К системам извлечения информации относятся радиолокационные и радионавигационные системы, системы радиоастрономии, радионаблюдения поверхности Земли или других планет, радиоразведки РЭС противника.

Системы разрушения информации (радиопротиводействия) предназначены для создания условий, в которых работа радиосистем противника становится невозможной.

Системы радиоуправления служат для управления работой различных объектов с помощью радиосигналов.

Таким образом, предметом рассмотрения в данной ВКР является система извлечения информации, по характеру принимаемого сигнала относящаяся к системам пассивной радиолокации.

В пассивной радиолокации используются собственные излучения элементов цели и ее ближайшей окрестности (рисунке 1.1). К излучающим элементам можно отнести нагретые участки поверхности (объема), передающие устройства различного назначения (источники помех в том числе), ионизированные образования в окрестности цели и т.д.

Рисунок 1.1- Обобщенная структурная схема пассивной радиолокации

1.3 Сведения о системах радиомониторинга

Для эфирного контроля использования радиочастотного спектра (РЧС) применяют стационарные и подвижные средства РМ. Особенностью эфирного контроля является то, что все измерения, сопровождающие процедуры РМ, происходят с реальными сигналами при наличии естественных, индустриальных и станционных помех. Это значительно усложняет процедуры контроля, и для получения достоверных результатов измерений аппаратура АСМИРИ должна обладать определенными техническими характеристиками, позволяющими корректно проводить измерения в указанных специфических условиях. При этом разработка технических требований должна проводится на системную аппаратуру в целом, исходя из требуемого качества решения технических задач РМ.

Таким образом, анализ общих задач, решаемых системами РМ, позволяет свести их к следующим четырем техническим задачам, которые возлагаются на оборудование рассматриваемой системы:

- контроль загрузки (занятости) РЧС и радиоканалов;

- контроль параметров ИРИ;

- опознавание ИРИ;

- поиск и идентификация ИРИ.

В общем случае можно говорить о следующих режимах работы и управления оборудованием систем РМ: ручном, автоматическом и автоматизированном.

Ручной режим работы подразумевает, что все процедуры управления оборудованием системы и все операции, связанные с решением поставленных задач, выполняет оператор. Некоторые операции, связанные с решением этих задач, могут быть выполнены в ручном режиме более точно, чем в других режимах работы (особенно это касается измерений параметров сигналов и идентификации сигналов). Поэтому, не отвергая других режимов работы системы, можно сказать, что оборудование обязательно должно допускать возможность ручного управления.

Автоматический режим работы - режим, при котором работа оборудования системы осуществляется без непосредственного участия оператора. Автоматический режим, как и ручной, может иметь только ограниченное применение. В частности, он может иметь место на необслуживаемых системах, запрограммированных на решение определенных, конкретных задач.

Автоматизированный режим работы - режим, при котором автоматическое выполнение операций допускает вмешательство оператора с целью остановки решения конкретной задачи или изменения хода ее решения. Автоматизация базируется на использовании современных средств вычислительной техники и научных методов. Автоматизированный режим работы является наиболее предпочтительным для обслуживаемой системы РМ.

Поскольку решение некоторых задач связано с выполнением процедур, входящих в циклы решений других задач (как, например, измерение некоторых параметров в задачах идентификации). То оборудование должно позволять осуществлять прерывание решения конкретной задачи, чтобы выполнить другие, более неотложные, по мнению оператора действия. После их окончания программное обеспечение комплекса должно позволить вернуться к решению прерванной задачи с места, в котором произошло прерывание. Желательным качеством оборудования систем РМ является возможность параллельного решения задач. Наконец, отметим и такое требование, как работа системы в информационной сети. Только в этом случае можно говорить о качественном определении такого важного параметра, как местоположение источника радиоизлучения.

Таким образом, можно сформулировать, в качестве основных требований к рассматриваемой системе РМ, следующие параметры:

оборудование должно быть автоматизированным;

оборудование должно допускать возможность ручного управления;

режимы работы системы должны допускать одновременное решение нескольких задач, работу в информационной сети, обработку и документирование результатов работы.

Контроль параметров ИРИ непрерывно связан с процессом их измерения. Проконтролировать - значит измерить и сравнить с тем, что должно быть. Контролируемые параметры можно разделить на две группы:

общие параметры, характеризующие использование РЧС;

специальные параметры, определяющие качество передачи.

К общим параметрам относятся: несущая (или центральная) частота излучения, занимаемая ширина полосы частот излучения, уровень принимаемого сигнала (напряженность поля).

К специальным параметрам можно отнести параметры модуляции и скорость передачи информации. Обе группы параметров могут использоваться также для опознавания принимаемых сигналов.

Целью задачи опознавания радиосигналов и идентификации ИРИ является установление того факта, что в контролируемом радиоканале работает именно тот передатчик, который должен работать, и что параметры его излучений соответствуют тем параметрам, которые ему были назначены. Результатом решения задачи является выявление незаконных передатчиков и передатчиков, нарушающих регламент радиосвязи.

Операции, позволяющие установить, что частотный участок используется должным образом, включают следующие виды проверок:

идентификационный сигнал соответствует сигналу, назначенному передатчику этого частотного участка;

общие параметры информационных сигналов соответствуют параметрам, указанным в лицензии на передатчик;

класс сигнала соответствует классу, указанному в лицензии;

параметры модуляции соответствуют параметрам, предписанным передатчику данного радиоканала;

пеленг на радиопередатчик соответствует пеленгу передатчика, которому выделен контролируемый радиоканал (для стационарных передатчиков);

местоположение передатчика соответствует указанному в лицензии.

Специфическими операциями, которые может выполнять оборудование АСМИРИ в рассматриваемом режиме.

1) Выявление и анализ идентификационных сигналов.

2) Установление класса излучения и анализ (декодирование) информационных сигналов.

3) Пеленгация и определение местоположения ИРИ.

Соответственно радиотехническое оборудование должно обеспечивать оператору возможности опознавания сигналов на слух, на анализаторе спектра (АС) и с помощью специального оборудования для декодирования и анализа сигналов.

Функции многих декодеров можно объединить в одном программном продукте, позволяющем анализировать и декодировать большое число различных типов излучений при помощи цифровой обработки сигналов на выходе радиоприемного устройства.

Станция мониторинга должна иметь электронное оборудование, позволяющее измерять и записывать любые радиоизлучения и фиксировать передатчики, которые требуется опознать. Использование цифровых методов обработки обеспечило возможность разработки многоцелевой аппаратуры опознавания, способной демодулировать и декодировать большинство имеющихся сигналов и быть запрограммированной на обработку новых систем кодирования.

Для определения местоположения неизвестных ИРИ желательно иметь координатометрическую сеть из трех и более АСМИРИ, представляющую собой комплекс взаимосвязанных объектов, позволяющую определить местоположение ИРИ. Определение местоположения можно выполнять различными способами, например, используя разностно-дальномерный метод. Координатометрическая сеть может быть сетью радиопеленгационных станций или сетью станций, оснащенных направленными антеннами для определения направления на ИРИ. Для эффективной работы координатометрической сети все станции мониторинга должны быть обеспечены постоянной связью. Наиболее оптимальным является положение, когда оборудованием координатометрической сети можно дистанционно управлять с других станций мониторинга.

Как дополнительное средство опознавания может использоваться АС, обеспечивающий визуальное представление спектра излучения на рабочей частоте с возможностью как автоматического, так и полуавтоматического измерения параметров этого излучения. При визуальном анализе спектра оценивают его ширину, разрешающую способность по частоте и по уровню.

РЭС, входящие в АСМИРИ должны соответствовать функциональным задачам, решаемым системой. Сформулируем общие требования к составу аппаратуры постов АСМИРИ и их основным функциям.

Наличие, как минимум, двух РПрУ для одновременного (раздельного) решения задач контроля загрузки РЧС и измерений параметров принимаемых сигналов, а также для поиска и пеленгования ИРИ.

Использование высококачественных измерительных средств, для получения оценок параметров сигналов с требуемой точностью.

Наличие измерительных антенн и антенно-комутирующих устройств.

Управление аппаратуры поста, в том числе режимов и параметров РПрУ с помощью персональной электронно-вычислительной машины (ПЭВМ), используемой одновременно как устройство отображения информации.

Наличие устройств запоминания информации и регистрации результатов измерений.

Возможность обмена информацией с другими постами и службами.

Таким образом, с учетом отмеченных выше общих требований, обобщенную структурную схему станции системы РМ можно представить в виде, изображенном на рисунке 1.2.

Станция состоит из антенного устройства (АУ), РПрУ, анализатора параметров принимаемого сигнала (АС), пеленгационного устройства (ПУ), устройства запоминания и обработки результатов (УЗО), телеметрического устройства (ТУ) и аппаратуры контроля (АК).

Рисунок 1.2 - Обобщенная структурная схема станции радиомониторинга

АУ предназначено для приема сигналов ИРИ. Она должна быть широкополосной, чтобы работать во всем рабочем диапазоне частот и обеспечивать пеленгование разведываемого ИРИ. Кроме того, антенны станции РМ должны иметь минимальные боковые лепестки и обеспечивать хорошую ЭМС с другими РЭС. В противном случае возможно ложное определение направления на пеленгуемый источник.

РПрУ станции системы РМ характеризуются следующими основными параметрами: перекрываемым диапазоном частот, временем перестройки, чувствительностью, точностью определения параметров принимаемых сигналов, разрешающей способностью, способом поиска разведываемого радиосигнала и вероятностью его обнаружения.

Наиболее важной технической характеристикой РПрУ является полный диапазон частот, в котором с его помощью осуществляется мониторинг радиосигналов. Желательно, чтобы одно РПрУ перекрывало весь рабочий диапазон частот.

АС служит для оценки параметров и опознавания образа разведываемого РЭС. С его помощью, например могут измеряться временные, спектральные и энергетические параметры принимаемых сигналов. Сравнение анализаторов между собой производится по количеству измеряемых параметров, диапазону измерений, точности и разрешающей способности.

ПУ определяет направление на ИРИ и его координаты. К ПУ предъявляются высокие требования по следующим параметрам: быстродействию, точности пеленгации, разрешающей способности по угловым координатам.

УЗО обеспечивает автоматическое запоминание параметров каждого из принимаемых сигналов: частоты, длительности, уровня и т.д. Опознавание образа производится оператором станции с помощью ПЭВМ. Параметры принимаемых сигналов могут запоминаться путем их записи на электронные носители информации или выводится на бумажные носители с помощью принтера.

ТУ используется для передачи полученной информации на пункты ее сбора и обработки.

АК обеспечивает автоматический или полуавтоматический контроль, за работой отдельных блоков станции. С ее помощью осуществляется управление станцией РМ в целом. Важной функцией аппаратуры контроля является выдача необходимых сигналов при отказе отдельных элементов станции.

1.4 Анализ методов радиомониторинга

Для решения основной задачи РМ - определения местоположения ИРИ, необходимо использовать систему из нескольких станций РМ, разнесенных в пространстве. АнС стационарных пеленгаторов располагаются, как правило, на крышах преобладающих по высоте зданий по окружности, охватывающей контролируемый район. Минимальное число пеленгаторов для определения местоположения ИРИ - два, однако при этом существуют зоны, где определение местоположения ИРИ невозможно, поэтому оптимальное количество пеленгаторов - не менее трех. В этом случае, для определения местоположения получается треугольник, и при известном качестве пеленгов можно рассчитать положение наиболее вероятной точки, которая принимается за оценку местоположения ИРИ. Такой метод определения местоположения ИРИ получил название триангуляционный.

Необходимо отметить, что для триангуляционного метода определения местоположения ИРИ не обязательно использовать только стационарные пеленгаторы. Пеленгаторы могут быть мобильными и перемещаться в пространстве, но при этом необходимо, чтобы законы их движения были бы известны и временные зависимости собственных мгновенных координат учитывались бы при обработке полученной информации.

Таким образом общая система местоопределения может включать в себя один пост РМ в центре города, на превалирующем по высоте здании, комплект необслуживаемых пеленгаторов по радиусу города, мобильные станции РМ (для поиска ИРИ, работы по области, республике и решения задач, связанных с выездом на место) и несколько удаленных постов с возможностью их удаленного управления из центра управления. Схема такой системы представлена на рисунке 1.3.

Центральный пост РМ - это полный комплект радиоаппаратуры (пеленгатор, обнаружитель и т.д.).

Рисунок 1.3-Структура общей системы местоопределения

Для крупных (или протяженных) городов необходимо иметь несколько станционных постов, которые могут работать как с операторами, так и в режиме удаленного управления по высокоскоростной линии связи и передачи данных через аппаратуру беспроводной сети, например Enternet.

Для ОВЧ-СВЧ диапазона в настоящее время в основном используется пеленгационный метод определения местоположения ИРИ.

К пеленгаторам предъявляются высокие требования по быстродействию (возможность измерения пеленга по максимально короткой реализации сигнала), по точности пеленгования и по разрешающей способности.

При реальном использовании пеленгаторов на точность пеленгования влияет большое количество различных факторов:

аппаратурная погрешность;

воздействие "когерентных помех";

влияние подстилающей поверхности;

воздействие сосредоточенных помех (помех "в совмещенном канале");

влияние модуляции сигнала;

влияние временных изменений характеристик канала связи.

Аппаратурная (инструментальная) ошибка - ошибка отсчета пеленга в идеальных условиях (при отсутствии переотражений, влияния подстилающей поверхности, помех, искажений поляризации и т.д.), определяется во всем заданном диапазоне частот.

Когерентная помеха - уровень переотраженных сигналов определяемый каналом распространения радиоволн, при этом наибольшее влияние оказывает ближайшее окружение пеленгатора.

Влияние подстилающей поверхности на характеристики пеленгатора такое же, как и в предыдущем случае, однако это влияние можно уменьшить, выполняя определенные требования по установке антенн.

Ошибка, определяемая наличием сосредоточенной помехи возникает, когда в тракте основной избирательности РПрУ пеленгатора присутствует сигнал от другого ИРИ.

Ошибка, определяемая наличием модуляции, в основном зависит от параметров пеленгатора, выбранного метода и его реализации.

Ошибка, вызванная влиянием временных изменений характеристик канала связи, характеризуется видом пеленгатора, наиболее характерна для мобильных систем, у которых характеристики канала связи непостоянны.

Основная особенность пеленгования в условиях города - наличие когерентных помех и помех в совмещенном канале. Устойчивость выбранного типа пеленгатора к таким помехам и определяет качество решения задачи определения местоположения ИРИ.

Аппаратурная ошибка - это потенциальная точность пеленгатора. Остальные ошибки связаны с его реальной работой, т.е. для стационарного пеленгатора эксплуатационная ошибка - это практически аппаратурная ошибка и ошибка за счет воздействия когерентных помех и подстилающей поверхности.

Антенны стационарных пеленгаторов располагаются, как правило на крышах преобладающих по высоте зданий по окружности, охватывающей контролируемый район. Минимальное число пеленгаторов для определения местоположения ИРИ - два, однако при этом существуют зоны, где определение местоположения ИРИ невозможно, поэтому оптимально-необходимое количество пеленгаторов - не менее трех. В этом случае для определения местоположения получается треугольник, и при известном качестве пеленгов можно рассчитать положение наиболее вероятной точки, которая принимается за оценку местоположения ИРИ.

Наиболее подходящий для решения поставленной задачи является интерферометрический пеленгатор. Принцип его работы заключается в том, что в разнесенных по пространству идентичных АнЭ (чаще всего расположенных по кругу и называемых предметными антеннами) и на всенаправленной антенне (опорной) снимаются характеристики сигнала (амплитуда, фаза), при последовательном опросе АнЭ, фаза сигналов на них, сравнивается с фазой опорного сигнала. Результаты преобразуются в цифровую форму, и вычисляется направление прихода сигнала. Структура такого пеленгатора приведена на рисунок 1.4.

Рисунок 1.4-Структурная схема интерферометрического пеленгатора

При этом, интерферометрические пеленгаторы делятся на фазовые и корреляционные.

Преимущества интерферометрического пеленгатора следующие: большая, чем у фазовых пеленгаторов, помехоустойчивость по отношению к когерентной помехе и помехе в совмещенном канале; наличие устойчивого показателя качества пеленга; при определенных габаритах АнС, при использовании корреляционного интерферометра, возможно получить качественное разделение двух частотных каналов.

Недостатки пеленгатора: двухканальный прием, иногда наличие выносных ВЧ тюнеров, как следствие, необходимость разработки собственных РПрУ или переделка существующих.

В настоящее этот тип пеленгатора нашел наиболее широкое применение в системах РМ.

Вывод. Таким образом, исходя из проведенного анализа, наиболее приемлемым при проектировании АСМИРИ можно считать интерферометрический метод определения местоположения ИРИ.

1.5 Обзор аналогов

Большинство зарубежных фирм, выпускающих современную радиоэлектронную аппаратуру, как правило, следует рекомендациям МСЭ, определяющим технические характеристики этого оборудования. К числу таких фирм, как уже отмечалось, относятся, например, такие зарубежные фирмы, как Rohde&Shwarz, HewlettPackard, Wavetec, Thomson-CSF и др.

Блок-схема типовой станции РМ обеспечивающей автоматизированное выполнение требуемых задач РМ в различных диапазонах приведена на рисунке 1.5.

Основой аппаратурного комплекса этой станции является семейство приемников и пеленгаторов включающее интерферометрический пеленгатор с двухканальным РПрУ, а также приемник, выполняющий функции поиска, наблюдения и измерения. Определение местоположения ИРИ может выполняться как триангуляционным методом, так и с использованием локальной сети для определения азимута и дальности до пеленгуемого объекта.

Особенность аналогичных комплексов - это использование недорогих, так называемых сканирующих РПрУ, с достаточно сложной обработкой принимаемых сигналов на ПЭВМ или на сигнальном процессоре. Причем, на ПЭВМ и программное обеспечение (ПО), часто перекладываются практически все основные функции станции РМ, что позволяет значительно упростить и удешевить используемую аппаратуру.

Рисунок 1.5-Блок-схема типовой станции радиомониторинга системы

Вывод. Таким образом, в результате проведенного анализа ТЗ, включающего рассмотрение сведений по РМ, методам определения местоположения ИРИ, вариантам построения структур пеленгаторов, а также проанализировав структуры зарубежных и отечественных станций РМ, с учетом решаемых ими задач, видно, что поставленная в ТЗ на ВКР задача выполнима и вполне реализуема.

Для реализации заданных в ТЗ технических характеристик, необходимо построить стационарный интерферометрический пеленгатор, позволяющий обнаруживать и пеленговать ИРИ, с возможностью работы в общей системе местоопределения.

За основу при выборе и обосновании структурной схемы АСМИРИ, можно принять укрупненную структурную схему станции системы РМ, приведенную на рисунке 1.5, решающей аналогичные задачи.

Исходя из этого, исходные данные на проектирование АСМИРИ можно считать полными.

радиомониторинг спектр приемник

2. Анализ структурной схемы АСМИРИ

2.1 Выбор и обоснование структурной схемы АСМИРИ

По результатам анализа, проведенного в первом разделе работы, с учетом решаемых задач и требований к составу станции системы РМ, обобщенная структурная схема рассматриваемой АСМИРИ имеет вид, представленный на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1-Обобщенная структурная схема АСМИРИ

Общий принцип работы АСМИРИ (см. рисунок 2.1). Высокочастотный сигнал принимается опорной (всенаправленной) и предметной антеннами. Коммутатор, управляемый ПЭВМ, по очереди подключает антенны предметного канала к РПрУ. Опорный канал подключен к РПрУ постоянно для осуществления работы алгоритма пеленгатора, а так же для устранения влияния АМ на характеристики АнС и выполнения ей функций сканирования и обнаружения сигналов в рабочем диапазоне частот. В РПрУ, принятый сигнал транспонируется в промежуточную частоту (ПЧ), после чего сигнал ПЧ поступает в цифровой анализатор спектра (ЦАС), где оцифрованный в аналого-цифровом преобразователе (АЦП), поступает наПЭВМ. В ПЭВМ сигналы подвергаются дальнейшей обработке, в частности формируется ДН АнС и реализуется алгоритм обнаружения сигналов и вычисление пеленга.

Синтезатор СВЧ, входящий в состав двухканального РПрУ, под управлением ПЭВМ, обеспечивает синтез частоты гетеродина, которая поступает когерентно в каждый канал РПрУ для сохранения в принятом с опорной и предметных антенн сигнале, фазовых соотношений. С той же целью, опорной частотой синтезатора СВЧ осуществляется синхронизация опорного генератора ЦАС.

Дополнительные внешние устройства обеспечивают автоматическое запоминание и хранение информации по каждому из принимаемых сигналов. Результаты работы могут записываться на магнитную ленту с помощью видео- и аудио-магнитофонов, на бумагу с помощью принтера, на магнитные, оптические и электронные носители ПЭВМ и т.д. Модем используется для передачи полученной информации на пункты ее сбора и обработки, а также для связи с другими постами РМ.

Осуществим анализ технических требований, предъявляемых к структурным узлам АСМИРИ, в соответствии с техническими характеристиками, заданными в ТЗ, и приведенной на рисунок 2.1 структурной схемой станции АСМИРИ.

2.2 Выбор и обоснование антенной системы

В результате проведенного анализа методов построения пеленгаторов, АнС, реализующие амплитудный способ определения направления на ИРИ, требуют разработки сложных и достаточно дорогих диаграммообразующих устройств и, как правило, не обеспечивают требуемой широкополосности. АнС построенные на основе фазового интерферометрического способа определения направления на ИРИ наиболее подходящие, для решения задач радиомониторинга, однако, в ряде случаев, они не обеспечивают достаточную для современных условий эксплуатации разрешающую способность. В связи с этим, в последние годы широкое развитие получили средства РМ, основанные на использовании АР с цифровым формированием ДН использующие интерферометрические принципы пеленгования, что позволяет обеспечивать достаточную разрешающую способность и точность определения направления на ИРИ.

Обобщенный алгоритм цифрового формирования ДН, приведен на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2-Обобщенный алгоритм цифрового формирования ДН АР

Общий принцип работы алгоритма следующий: сигнал, принятый АнЭ обрабатывается в АЦП. Далее, цифровые данные с АЦП поступают на вычислительное устройство, реализующее алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ), после чего, в устройстве формирования ДН осуществляется вычисление взаимно корреляционной функции (ВКФ) по результатам вычисления БПФ и данным базы амплитудно-фазового распределения. Таким образом, реализуется цифровое формирование ДН АР.

Формируемая при этом ДН АР описываться ВКФ следующего вида

,

где f - текущая частота; - азимутальная координата; - направление прихода сигнала ИРИ; - экспериментально определяемые коэффициенты, которые имеют следующий смысл: сигнал, пришедший с заданного направления с частотой f в i-ом АнЭ, возбудит комплексную амплитуду тока равную ; - знак комплексного сопряжения.

Применение такого метода формирования ДН АР позволяет значительно улучшить качественные показатели пеленга, в частности уменьшить уровень боковых лепестков АР (УБЛ) и как следствие увеличить точность и достоверность измерений. Необходимо также отметить, что для обеспечения заданной точной настройки сформированной ДН АР при пеленговании ИРИ, РПрУ системы РМ должно обеспечивать точную подстройку частоты (до 1 кГц), во всем рабочем диапазоне частот.

Далее, по результатам анализа АнС, будут представлены сравнительные характеристики выбранной АР с использованием данного метода формирования ДН.

Основная особенность работы АР заключаются во взаимном влиянии элементов АР, которое может неприемлемо исказить характеристики АнС: ДН, согласование и т.д. Поэтому для обеспечения метрологических характеристик целесообразно применять максимально широкополосные АнЭ.

Принципиальным путем, обеспечивающим компактное размещение антенн при минимальных искажениях их азимутальных ДН, является разбивка антенн на литеры и установка последних друг над другом.

Анализируя известные структуры АР можно сделать вывод, что при отсутствии сканирования по углу места, обеспечить круговой обзор в азимутальной плоскости могут кольцевые, линейный или многогранные АР.

Кольцевая антенная решетка позволяет осуществлять обзор пространства в азимутальной плоскости с минимальными искажениями формы главного лепестка ДН, однако УБЛ кольцевой АР достаточно велик и может достигать минус 2…3 дБ. Существенно меньший УБЛ, до минус 8…13 дБ, могут обеспечить линейные и многогранные АР. Однако при обзоре пространства у таких АР происходит существенное искажение формы ДН.

Учитывая, что в ТЗ, УБЛ не задан, представляется целесообразным в дальнейшем при выборе структуры построения АР рассмотреть кольцевую, линейную и многогранную АР.

Выбор структуры АР будем проводить на основе сравнения основных обобщенных характеристик рассматриваемых структур АР: коэффициента усиления КУ, ширины ДН, количества элементов и размеры АР.

Анализ ТТХ антенных систем компаний AgilentTechnologies и Rohde& Schwarz показывает, что при одинаковых значениях ширины ДН наименьшими размерами обладает кольцевая АР, которая также требует и меньшее число АнЭ.

Таким образом, для выполнения требований ТЗ наиболее целесообразно использовать кольцевую АР, имеющую минимально возможное количество элементов и минимально возможный радиус кольца.

В связи с тем, что в ТЗ УБЛ не задан, будем ориентироваться на минимально возможный показатель УБЛ и количества элементов АР, для этого рассмотрим, полученную при разработке кольцевой АР, зависимость УБЛ от числа элементов АР, при фиксированном электрическом диаметре кольца, представленную на рисунке 2.3.

Анализ зависимости, приведенной на рисунке 2.3 показывает, что УБЛ кольцевой АР достигает минимальных значений при нечетном количестве элементов АР. При этом наименьшее количество элементов АР, при котором УБЛ можно считать приемлемым, равняется девяти.



Рисунок 2.3-Зависимость УБЛ от количества антенных элементов

Одним из основных параметров рассматриваемой АнС является обеспечение заданной точности пеленгования. В первом разделе работы, был проведен общий анализ факторов, влияющих на точность пеленгования ИРИ, при этом было отмечено, что точность пеленгатора определяется аппаратурной ошибкой пеленгования, задаваемой среднеквадратическим отклонением главного максимума ДН АР (СКО).

СКО главного максимума от среднего значения для кольцевой АР приближенно может быть оценено по формуле

,

где - длина волны; - диаметр кольцевой АР; -количество антенных элементов; - дисперсия измерения фазы при отношении мощности сигнала к мощности шума (С/Ш) на выходе антенной системы равном q. Согласно ТЗ дБ.

Как показывают практика эксплуатации кольцевых АР, наиболее критичным в реализации минимального значения СКО является нижний диапазон заданных частот, поэтому характеристики антенной системы аналогичные заданным в ТЗ, могут быть реализованы, если низкочастотная литера будет иметь диаметр, равный примерно 3 м.

Практически проверено, что внизу рабочего диапазона частот при диаметре кольцевой АР равном 3 м и количестве элементов равном девяти, СКО главного максимума от среднего значения будет порядка 5.5, что не удовлетворяет заданному значению точности пеленгования в ТЗ.

Анализ литературы показал: чтобы уменьшить значение СКО при неизменном диаметре АР необходимо проводить накопление сигнала, т.е. многократный съем информации.

В результате проведения накопления сигнала в нижней области диапазона частот, СКО может быть меньше 5 уже при диаметре АР равном 2.5 м.

В таблице 2.1 приведены данные зависимости УБЛ и СКО от частоты и диаметра разработанных кольцевых АР, при количестве элементов АР равным девяти.

Таблица 2.1 - Зависимость УБЛ и СКОот частоты

Диаметр АР, м	Частота, МГц	СКО, град	УБЛ, дБ
0.5	20	22.841	-4.523
	290	7.201	-2.471
	2990	5.373	-1.874
	6020	5.293	-0.589
1.0	20	12.04	-17.439
	290	5.243	-6.615
	2990	4.663	-1.084
	6020	4.64	-0.119
2.0	20	5.037	Нет
2.5	20	4,859	Нет
	290	3.890	-5,362
3	20	4.502	-30,075

Анализируя данные таблицы 2.1 видно, что уменьшение СКО главного максимума от среднего значения на нижних частотах происходит с увеличением диаметра АР.

Таким образом, по результатам проведенного анализа можно сделать вывод: обеспечить заданные в ТЗ характеристики АнС и перекрыть весь рабочий диапазон частот можно в том случае, если в заданном диапазоне частот от 20 до 290 МГц использовать кольцевую АР диаметром 3 м, а в заданном диапазоне частот от 290 до 6020 МГц использовать кольцевую АР с диаметром 1.0 м, при этом в нижней части рабочего диапазона частот необходимо использовать накопление сигнала.

Работа АнС с двумя и более литерами предполагает наличие в системе коммутирующего устройства, обеспечивающего согласованную работу каждой литеры. В качестве такого устройства, наиболее целесообразно применить так называемый диплексер - устройство, в состав которого входят два и более пассивных фильтра высоких и низких частот (ФВЧ и ФНЧ), объединенных по выходу в общий канал. Таким образом представляется возможным осуществить "сшивку" двух заданных диапазонов 20…290 МГц и 290…6020 МГц, в один.

Общий вид АнС станции АСМИРИ представлен на рисунке 2.4

В результате проведенного анализа АнС АСМИРИ, выяснилось, что техническим характеристикам ТЗ удовлетворяет АР с цифровым формированием ДН, использующая ВКФ метод формирования ДН.Для обеспечения заданной точности пеленгования, исходя из перекрытия частотного диапазона, минимального уровня боковых лепестков и количества антенных элементов, антенная система должна включать в себя следующие элементы:

- две литеры предметного канала с девятью элементами в каждой литере, представляющими собой пассивные вибраторы с резистивной нагрузкой и вибратором-директором. При этом диаметр НЧ литеры составляет 3 м., а ВЧ - 1 м. "Сшивку" диапазонов необходимо выполнить с использованием частотного диплексера;

Рисунок 2.4-Общий вид АнС станции АСМИРИ

- две литеры опорного канала с использованием в качестве АнЭ конического вибратора. "Сшивку" диапазонов необходимо выполнить аналогично предметному каналу, используя частотный диплексер.

2.3 Выбор и обоснование анализатора спектра

Спектральный анализ - это один из методов обработки сигналов, который позволяет охарактеризовать частотный состав измеряемого сигнала.

В основе работы АС лежит явление резонанса, а сам процесс выделения частотных составляющих осуществляется при помощи различных резонансных систем или их эквивалентов. При этом различают параллельный, последовательный и комбинированный частотный анализ.

Сущность параллельного частотного анализа заключается в том, что все частотные составляющие в определенной полосе частот, называемой полосой обзора, выявляются одновременно. Анализ осуществляется с помощью большого числа элементарных резонаторов со смещенными резонансными частотами, одновременно находящимися под воздействием исследуемого сигнала. При этом, каждый резонатор, под воздействием сложного сигнала, возбуждаясь, будет выделять частотные составляющие, соответствующие его частоте настройки.

Достоинством параллельного частотного анализа является то, что все частотные составляющие выделяются одновременно и практически мгновенно. Однако существуют ограничения, связанные с реализацией большого количества резонаторов с узкой полосой пропускания, следствием которого является не всегда удовлетворительное разрешение частотных составляющих.

Сущность последовательного частотного анализа состоит в том, что частотные составляющие сигнала в полосе обзора выявляются последовательно (поочередно), посредством перестройки входного резонатора в пределах полосы обзора. При этом резко увеличивается разрешающая способность АС и уменьшается его быстродействие.

Комбинированный частотный анализ основан на комплексном использовании в одном АС параллельного и последовательного методов анализа, при этом удается получить широкие полосы анализа при высокой скорости обработки результатов. Учитывая заданную в ТЗ полосу одновременного анализа и время обработки результатов, данный метод является наиболее приемлемым при решении поставленной задачи.

Согласно ТЗ, обработка результатов измерений в рассматриваемой системе должна проводиться в цифровой форме на ПЭВМ.

Под цифровой обработкой понимают процесс, при котором требуемые измерения и вычисления осуществляются путем операций над числами, представляющими в дискретной форме анализируемый сигнал.

Таким образом, устройство, осуществляющее цифровой анализ спектральных составляющих частотного спектра исследуемого сигнала будет представлять собой ЦАС.

К основным параметрам ЦАС относятся: средняя частота входного сигнала; максимальная полоса входного сигнала; максимальный уровень входного сигнала; ДД входного сигнала; частотное разрешение; время анализа; тип интерфейса обмена с ПЭВМ.

Первые четыре параметра определяются, в основном, типом интегральной микросхемы (ИМС) входного АЦП, остальные - примененными аппаратно-программными средствами.

В силу существующих технологических ограничений многие параметры взаимосвязаны не лучшим образом. Так, например, увеличение верхней частоты анализируемого сигнала или расширение полосы анализа ведет к уменьшению ДД. Время анализа напрямую зависит от выбранного частотного разрешения и состоит из времени накопления нужного числа отсчетов и времени выполнения программной процедуры спектрального анализа. Впрочем, во многих современных ЦАС, процесс ввода отсчетов происходит в фоновом режиме, за счет использования прямого доступа к памяти, что не влияет на общее время вычислений.

На сегодняшний день разработано около десятка ЦАС используемых в системах РМ и различающихся, как типом, так и техническими возможностями.

Параметры некоторых устройств ЦАС, разработанных и применяемых в настоящее время в различных системах РМ, приведены в таблице 2.3.

Таблица 2.3 -Параметры существующих ЦАС

производитель	Кол-во каналов, шт	Полоса анализа, МГц	ДД входных сигналов, дБ	Максимальная входная частота, МГц	Применяемый процессор
Analog Devices	1	30.3	82	300	AD9650
Analog Devices	1	9.7; 30.3	80.5	500	AD9650-EP
Linear technology	2	550	90	-	LTC2165

Как видно из анализа данных таблицы 2.3, имеющимся в настоящее время набором устройств ЦАС, возможен спектральный анализ сигналов с верхней частотой до 500 МГц, полосой анализа до 550 МГц и ДД входных сигналов до 90 дБ. При этом время вычисления БПФ для ЦАС, с реализацией алгоритма вычисления БПФ на ПЭВМ, определяется самой ПЭВМ, в которой он установлен, а с реализацией последнего аппаратно, на специализированном процессоре в составе ЦАС - определяется возможностью применяемого процессора.

Таким образом для решения поставленной задачи, учитывая заданный в ТЗ ДД системы и полосу одновременного анализа, в первом приближении, в соответствии с данными таблице 2.6, можно сказать, что наиболее подходящими являются ЦАС построенные на базе специализированных процессоров с цифровой обработкой сигналов (ЦОС) типа AD9650.При этом заданное в ТЗ время пеленгования и обнаружения ИРИ будет определяться производительностью процессоров ЦОС и структурой построения ЦАС. В связи с этим осуществим анализ вариантов построения ЦАС.

Существует несколько вариантов построения ЦАС, ориентированных на применение совместно с ПЭВМ. Кроме типа интерфейса обмена с ПЭВМ они отличаются наличием или отсутствием процессора ЦОС и цифровых фильтров. Наиболее простая структура ЦАС изображена на рисунке 2.5.



Рисунке 2.5-Структурная схема простого ЦАС

Общий принцип работы ЦАС, структурная схема которого представлена на рисунке 2.5, следующий. Входной сигнал проходя через входной фильтр оцифровывается в АЦП и запоминается в буферном оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ). Под управлением контроллера интерфейса данные из буферного ОЗУ переводятся во внутреннюю память ПЭВМ, в которой и производится вычисление спектра (например, реализация алгоритма БПФ). При частотах дискретизации меньших скорости обмена данными ЦАС с ПЭВМ, буферное ОЗУ может отсутствовать.

Источником частоты дискретизации служит генератор, иногда перестраиваемый, с уровнем комбинационных составляющих спектра меньше, чем у АЦП.

Входной фильтр должен иметь высокие качественные характеристики для исключения анализа внеполосных сигналов прошедших через предыдущее устройство. Зачастую он является выходным каскадом источника сигналов (например, фильтр в РПрУ), что еще больше упрощает ЦАС. В этом случае входной фильтр ЦАС вырождается в ФНЧ малого порядка.

Вышеперечисленные структуры ЦАС - это устройства ввода аналоговых сигналов в ПЭВМ, в которой и происходит вычисление спектра. Общим отличием такого рода ЦАС является отсутствие процессоров ЦОС, что приводит к невозможности использования аппаратных устройств обработки, а также к временным затратам при вычислении спектра в ПЭВМ. С другой стороны отсутствие процессора ЦОС приводит к упрощению ЦАС, сокращаются стоимость и сроки разработки, как самого устройства, так и программного обеспечения для него.

Введение процессора ЦОС в ЦАС, позволяет переложить весь программный алгоритм вычисления спектра с ПЭВМ на устройство ЦАС, решая его аппаратно. Это оправдывает себя в случае несоответствия скорости вычисления алгоритмов на ПЭВМ.Структурная схема ЦАС с процессором ЦОС изображена на рисунке 2.6.

Рисунке 2.6-Структурная схема ЦАС с процессором ЦОС

Работа схемы, представленной на рисунке 2.6, аналогична рассмотренной выше, с той лишь разницей, что поток цифровых данных передается не в буферное ОЗУ, а по каналу прямого доступа к памяти во встроенный микропроцессор, который и осуществляет процедуру вычисления спектра. Для сокращения времени выполнения этой процедуры, процессоров может быть несколько. ЦФ в схеме может отсутствовать, что определяется конкретной задачей применения ЦАС.

Данный тип устройств позволяет кроме вычисления собственно спектра сигналов также выполнять функции устройств обработки (обнаружение, пеленгация и т.д.), что определяется исключительно программным обеспечением устройства ЦОС.

...