Развитие методов пеленгации ионосферных сигналов

Кочмарский, Алексей Викторович

Развитие методов пеленгации ионосферных сигналов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Кочмарский, Алексей Викторович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Калининград МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Развитие методов пеленгации ионосферных сигналов»

Автореферат диссертации на тему "Развитие методов пеленгации ионосферных сигналов"

Балтийский федеральный университет имени И. Канта

На правах рукописи

005049^"

Кочмарский Алексей Викторович

РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ПЕЛЕНГАЦИИ ИОНОСФЕРНЫХ СИГНАЛОВ

01.04.03 — Радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Калининград 2012

005049200

Диссертация выполнена на кафедре радиофизики и информационной безопасности

Балтийского федерального университета им. Иммануила Канта

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор

Пахотин Валерий Анатольевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор

Волхонская Елена Вячеславовна

доктор технических наук, профессор

Макаров Сергей Борисович

Ведущая организация: Научно-исследовательский центр

«НИИДАР - Резонанс», г.Москва.

Защита диссертации состоится «2,1-» к^С-^/у^И. 2012 г. в I часов на заседании диссертационного совета К212.084.02 при БФУ им. И.Канта по адресу: 236041, ул.А.Невского, 14, ауд. 1*2.V".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке БФУ им. И.Канта.

Автореферат разослан « к » О^^^-Х 2012 г.

Общая характеристика работы

Тематика диссертационной работы направлена на дальнейшее развитие методов пеленгации ионосферных сигналов. Основой являются исследования, проводимые в БФУ им.И.Канта в области пеленгации, в которых автор работы принимал непосредственное участие (2007-2011гг). Теоретической основой настоящей работы являются положения теории оптимального приема, развитые в приложении к вопросам пеленгации пространственно-временных ионосферных сигналов. Экспериментальной основой являются данные экспериментов при приеме ионосферных сигналов, полученные с помощью цифрового восьмиканального пеленгатора в 1990-1991 г и данные, полученные с помощью комплекса аппаратуры в 2010-2012г.

Сложность решения задачи пеленгации ионосферных сигналов связана с двумя факторами: многолучевостью и нестационарностью параметров сигнала Малые угловые различия лучей ионосферных сигналов не позволяет решить задачу пеленгации методами углового или частотного (доплеровские фильтры) спектрального анализа. Для решения этой задачи требуется развитие новых, более эффективных методов обработки. Наиболее эффективной является совместная обработка как пространственной, так и временной информации, получаемой с помощью многоканальных антенных системы. Переход к линейному пространству сигналов существенно формализует решение задачи пеленгации ионосферных сигналов. Вместо многообразия функций, зависящих от времени и пространственных координат, рассматриваются векторы, длина которых определяется амплитудным значением и пространственно-временной базой сигнала, а ориентация вектора определяется азимутом, углом места, частотой и фазой сигнала. Нестационарность параметров ионосферных сигналов приводит к наличию мультипликативной помехи. Она существенно снижает эффективность методов обработки ионосферных сигналов, используемых в пеленгационных системах. Мультипликативная помеха проявляет себя при обработке как временных, так и пространственных сигналов. В этих условиях наиболее оптимальной является совместная обработка ионосферных сигналов на малых пространственной и частотной базах. В этом случае влияние мультипликативной помехи оказывается минимальным.

Таким образом, основной целью настоящей диссертационной работы является развитие методов обработки при одноточечной пеленгации ионосферных сигналов на основе положений теории оптимального приема. Основное внимание обращено на вопросы обработки пространственно-временного сигнала при наличии многолучевости. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи: 1. Разработка положений теории оптимального приема в приложении к вопросам

пеленгации пространственно-временных ионосферных сигналов.

2. Анализ вопросов оптимизации антенной системы для приёма ионосферных сигналов как в условиях однолучевого, так и многолучевого приёма

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

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

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

6. Обработка и анализ экспериментальных данных, полученных на трассах различной протяженности и ориентации.

Актуальность работы и обоснование поставленных задач

Исследование вопросов ионосферного распространения радиоволн, в том числе и вопросов пеленгации, продолжает оставаться актуальной областью. Это подстверждается большим количеством публикаций и проведением различных конференций по ионосферной тематике. Актуальность тематики ионосферного распространения радиоволн объясняется необходимостью повышения эффективности работы различных комплексов аппаратуры, основой которых является ионосферное распространение радиоволн. При решении задачи разрешения лучевой структуры ионосферного сигнала появляется возможность получения новой информации о ионосферных процессах с помощью наклонного зондирования. Эта информация позволяет практически мгновенно обнаруживать запуски ракет, взрывы, землетрясения и другие факторы возмущения ионосферы естественного и антропогенного происхождения, а так же дает возможность изучать солнечно-земные взаимосвязи с помощью наклонного зондирования.

Практическая ценность диссертационной работы

Практическая значимость диссертационной работы состоит в следующем:

1. Разработаны основные положения теории оптимального приема в приложении к вопросам пеленгации пространственно-временных ионосферных сигналов.

2. Установлено наличие мультипликативной помехи в ионосферных сигналах, связанной с пространственной нестационарностью параметров ионосферы.

3. Разработан устойчивый метод пеленгации в условиях многолучевости.

4. В практику пеленгации введен критерий качества, определяющий достоверность результатов пеленгации ионосферных сигналов.

5. Разработан алгоритм обработки четырехлучевого ионосферного сигнала.

6. Показана возможность калибровки антенной системы по принимаемому ионосферному сигналу.

Новизна и научная ценность диссертационной работы

Новизна и научная ценность диссертационной работы состоит в следующем:

1. Впервые вопросы пеленгации рассмотрены на основе объединения пространственной и временной информации. Это позволило создать алгоритм обработки, решающий задачу пеленгации четырехлучевого сигнала с минимальной пространственной (115м) и временной (5сек).

2. Впервые установлено влияние мультипликативной помехи на эффективность алгоритмов обработки пространственно-временных ионосферных сигналов.

3. Впервые установлена возможность алгоритмического изменения пространственной базы сигнала.

4. Впервые для оценки эффективности обработки ионосферных сигналов при пеленгации введён критерий качества. Он дает возможность исключить недостоверные оценки параметров.

5. Впервые показана возможность калибровки антенной системы по принимаемому сигналу. Это позволяет оперативно уточнять инструментальные поправки, что увеличивает точность оценок угловых параметров.

Защищаемые положения

Основные защищаемые положения диссертационной работы:

1. Результаты теоретических, модельных и экспериментальных исследований метода пеленгации ионосферного сигнала, основанного на пространственно-временной информации.

2. Методика устойчивой однолучевой обработки многолучевых ионосферных сигналов.

3. Результаты развития положений теории оптимального приема в приложении к пеленгации ионосферных сигналов.

4. Анализ влияния мультипликативной помехи на эффективность пространственно-временной обработки сигналов.

5. Методика калибровки многоканальной антенной системы.

6. Возможность использования введенного в практику пеленгации критерия качества.

Личный вклад автора

Личный вклад автора состоит в следующем:

1. Разработка структуры пространственно - временного сигнала, его формализация в линейном пространстве сигналов, развитие положений теории оптимального приема в приложении к пространственно-временным сигналам выполнены автором при консультационной помощи научного руководителя.

2. Разработка и исследование работоспособности четырехлучевого алгоритма обработки ионосферных сигналов, а также проведение необходимых траекторных расчетов выполнены лично автором диссертационной работы.

3. Реализация ряда положений: мультипликативная помеха, критерий качества, устойчивый метод пеленгации выполнены Кочмарским A.B. при консультационной помощи руководителя.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XVII Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация и связь» (Воронеж, 2011г.), XXIII Всероссийская научная конференция «Распространение радиоволн» (Йошкар-Ола, 2011г.), X, XI межвузовская научно-техническая конференция аспирантов, соискателей и докторов (Калининград, БГАРФ, 2010, 2011гг.)

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Она изложена на 146 страницах машинописного текста, включает 112 рисунков, И таблиц и содержит список литературы из 47 наименований.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, представляется ее общая характеристика и формируются основные задачи:

Первая глава диссертационной работы содержит краткое изложение теоретических основ настоящей работы:

1. Проводятся основные оценки ионосферных сигналов, их структура и динамика

2. Приводятся дифференциальные уравнения для расчета траекторных характеристик методом геометрической оптики

3. Представляются основы теории оптимального приема, связанные с решением задач обнаружения сигнала, оценки его параметров, разрешения сигналов

4. Представлен иллюстративный и табличный материал, подтверждающий сложную многолучевую структуру ионосферного сигнала

5. Дано обоснование модели ионосферного сигнала.

Во второй главе диссертационной работы представлены разработанные теоретические положения, связанные с обработкой пространственно временных сигналов в пеленгации. Сигнал представлен в виде

5(Х,Г,л)=-^ехр(;(й*-Йг)) (1)

л/Р

Где А - вектор параметров сигнала, Е0 - комплексная амплитуда напряженности поля, со - круговая частота, к - волновой вектор,

Ят =(х,>',0) - радиус вектор на площадке ХУ р = 120тг Ом - волновое сопротивление

При таком определении сигнала, его энергия определяется в Джоулях

Т X У Р (2)

Принятое сообщение содержит сигнал и аддитивный шум

Е(1,х,у)

Еш = —---, имеющии нормальное распределение, среднее значение, равное нулю,

<72

дисперсию — и интервалы корреляции т ,т ,т . Р

В линейном пространстве сигналов коэффициент корреляции В. определяет угол между векторами, что дает возможность ввести понятие ортогональности и неортогональности пространственно-временных сигналов

11 р, (А,Я ) (I, /, Я) й<Ыу

к = 1Л1--

(3)

Где - энергии первого и второго сигналов.

При изменении таких параметров пространственно-временного сигнала как азимут а, угол места р, частота со, время приема /0, создается четырехмерная функция корреляции. Она определяет частотно-угловой спектральный анализ и корреляционный анализ (параметр /0). Основой обработки пространственно-временного сигнала является выражение для логарифма функции правдоподобия

тШ

¿.и гхгут, тхг

скс1ус1х

Где штрихами отмечены оценочные параметры сигнала.

Данное выражение позволяет решить основные задачи: задачу обнаружения пространственно-временного сигнала, задачу разрешения двух или более подобных сигналов.

Задача обнаружения пространственно-временного сигнала решается на основании неравенства

(А (Д))> ln^I))

(5)

Где А(^) - функция правдоподобия при наличии сигнала в принятом сообщении

¿з (Я) - функция правдоподобия при отсутствии сигнала в принятом

сообщении. Если неравенство (5) выполняется, тогда принимается решение о присутвии сигнала в принятой реализации. Методика решения этой задачи соответсвует методике решения изложенной в §1.3.

Вероятность обнаружения пространственно-временного сигнала, представленная в форме функции ошибок , определена выражением

--Ф

TXY

=ф

(6)

Вероятность обнаружения пространственно-временного сигнала зависит от соотношения энергии сигнала \¥с и шума В конечном счёте она зависит от отношения амплитуды сигнала Ес к среднеквадратическому значению шума а, а так же (как результат пространственно-временной обработки) от количества некоррелированных по шуму отсчётов в трёхмерном кубе ТХУ.

Задача обнаружения сигнала классически решается при известных параметрах сигнала Я. Однако анализ показывает, что эта задача может быть решена и при неизвестных параметрах сигнала. Покажем это.

Выделим из (4) функционал правдоподобия

I XI уР

dxdydz

(7)

Это, по существу, поверхность в пространстве параметров. Минимум этой поверхности достигается при условии Я' = Я. Следовательно, используя минимум поверхности функционала, как критерий, можно оценить энергию сигнала

'= ||]Цехр(/(<»'/-Гл)| dtdxdy

тхг (8)

W--

Энергия шума определяется значением функционала в минимуме д(Л' = я).

Следовательно, по этим оценкам в эксперименте возможно оценить вероятность обнаружения пространственно-временного сигнала.

Задача оценки параметров сигнала решается на основании выражения (4). Учитывая, что функция правдоподобия является условной плотностью распределения с максимумом, определяющим наиболее вероятное значение вектора параметров А', найдём экстремум этой функции с помощью дифференцирования по Е0'. В результате получим выражение для оценки Еа'.

тху (У)

Это выражение определяет трёхмерное преобразование Фурье - частотно-угловой спектр пространственно-временного сигнала. Оно представляет собой поверхность в трёхмерном пространстве параметров со\кх\ку\а\а\рг). Максимум

этой поверхности даёт оценку параметров со\а\р\Ей'.

V1п(ф))~'

^ ах1йх1 J

Где М - оператор математического ожидания. Элементы матрицы Фишера находятся в максимуме функции правдоподобия, т.е. при Я' = Л . Матрица обратная матрице Фишера определяет дисперсии параметров пространственно-временного сигнала.

J¡l = -м

п * -

Е■ ~ N

О _^_М

7 |Д)|2 М^МуМ, сое2

и =1£_г!_(ЛУ

' 7 ШЧ^зт2^2^

в . Зст

(11)

Выражения (11) для дисперсий параметров сигнала совпадают с аналогичными выражениями, полученными К.Ю. Королевым при анализе возможностей многоканальных антенных систем. На основании выражений для дисперсий параметров сигнала (11) можно сделать ряд важных выводов:

1. Минимальная дисперсия параметров обеспечивается совместной пространственно-временной обработкой данных. Дисперсия азимута Ц, и дисперсия угла места Ор могут быть уменьшены за счет увеличения количества коррелированных отсчетов по времени И,. При раздельной обработке по времени и пространству Оа и определяются лишь значениями Мх ъМ,.

2. Антенная система на поверхности земли (двумерная антенная система) характеризуется увеличением дисперсии О, с уменьшением угла места (Р<15°). Для исключения этой зависимости необходимо использовать трехмерную антенную систему с линейкой вибраторов по вертикали.

3. Зависимость дисперсий от длины волны X определяет нижнюю границу частотного диапазона. Для понижения этой границы необходимо увеличивать размер антенной системы X, У.

4. Из выражений (11) следует, что, если фиксировать количество коррелированных отсчетов ЫхМуЫ,, тогда за счет оптимального размещения

вибраторов на поверхности земли можно уменьшить отношение и ^. Это

Л 1

приведет к уменьшению дисперсий азимута Оа и дисперсия угла места . Этот вывод обосновывает использование при пеленгации ионосферных сигналов антенных систем типа «Угол», «Крест», «Круг». Элементарные вибраторы в начале системы координат менее эффективны, чем вибраторы на периферии. По отношению к антенной системе «Угол» и «Круг» оцениваются выражениями:

Р а угол _ 7 & а круг _ 7

^а квадрат ^^ ^а квадрат ^^

Где N - количество вибраторов (некоррелированных отсчетов) вдоль стороны квадрата.

В третьей главе приведены результаты модельных расчетов и экспериментов, подтверждающих теоретические положения, развитые в главе 2.

С помощью модельных расчетов проведено сравнение параметров антенных систем: «Квадрат», «Угол», «Круг». Наилучшая диаграмма направленности отмечается для антенной системы типа «Круг». Частотные зависимости среднеквадратичных отклонений (СКО) азимутов антенных систем типа «Квадрат», «Угол», «Круг» показаны на рис.1. Минимальные значения СКО отмечаются для антенной системы типа «Круг».

Рисунок 1. Частотная зависимость расчётных СКО угла места на антенных системах типа

«Угол», «Квадрат», «Круг»

Согласно этим результатам при работе в частотном диапазоне ниже 5 МГц точность оценки азимута и угла места, при угле места р=35° и апертуре антенной системы «Круг» (N=16,11=30 м), неудовлетворительны (более 1°).

В §3.5 приведены результаты модельных расчетов трехмерной антенной системы (Круг-7). В дополнении к круговой антенной системе добавлена линейка вибраторов (5 шт) вдоль вертикали (AZ=\0 м). Такая антенная система полностью решает проблему малых углов места при пеленгации. На рис.2 показана угломестная диаграмма направленности такой антенной системы (точки).

Рисунок 2. Угломестная диаграмма направленности антенных системы «Круг^» и «Круг»

Для сравнения линией показана угломестная диаграмма направленности плоской круговой антенной системы. Антенная система «Круг-7» определяет лучшую

оценку угла места, чем плоская круговая антенная система. Угол места в модельных расчетах принят 35°. Дисперсии азимута и угла места для антенной системы «Круг-7» следующие:

2а2

А.

\Ё\ (k0Rcos(/3)f N .

6а2

Dp~\É\2^{(3Rsm(fi)fN+2(Zcos(fi)fM) ^

Если дисперсия азимута практически не меняется, то дисперсия угла места зависит от базы:

L = y¡(3R sin (P]f N + 2 (Z eos (/3)f M

где N=16 количество вибраторов по окружности радиуса R. М - количество вибраторов вдоль оси Z. При р=0 дисперсия угла места конечна

\É\(kazfM (14)

Данная антенная система является наиболее оптимальной для пеленгации ионосферных сигналов. Она полностью исключает проблему малых углов при пеленгации ионосферных сигналов и обеспечивает минимальную дисперсию углов места.

Одной из основных является задача разрешения лучевой структуры многолучевого ионосферного сигнала. В настоящей работе она решена на основе пространственно-временной информации методом максимального правдоподобия (§2.3, §2.4). Запишем логарифм функции правдоподобия в виде

ш lilylt XI Т

Гр

dxdydt

(15)

Дифференцируя (15) по Ё0'я и приравнивая дифференциалы нулю можно получить уравнения правдоподобия. В матричном виде эти уравнения имеют вид

р = к\Ё (16)

Где рт = (Д,&,...,/?„), рт =£(*,^,/)ехр(-/(в»,„/-А,И1Л)), черта сверху означает интегрирование по х, у, I.

ЁТ ',,...,£„'т,...,£0'м) - вектор амплитуд.

к\рт - элементы корреляционной матрицы для лучей.

Решая матричное уравнение (16) можно получить

Ё = к (17)

Где КГ1 - матрица обратная к корреляционной матрице.

Подставим (17) в функционал правдоподобия, записанный в следующей форме

А'..*'-) = (*.ЛОГ -"?=£ ■К'„ (*.У.'О'ехР(»'(®' ~ **))

V/» —1 (18)

В результате получим поверхность функционала в многомерном пространстве параметров о}'т,к'т , где т=КМ. Минимум поверхности функционала определяет решение, т.е. набор оценочных параметров а>'т,к'„ наиболее близких к параметрам а)т,к„. Таким образом, задача разделения лучевой и доплеровской структуры сигнала

оказывается решенной.

Оценим дисперсии амплитуд в полученном решении. Для этого используем выражение (10) для оценок элементов информационной матрицы Фишера в приложении к (15). Матрица, обратная матрице Фишера определяет дисперсии амплитуд.

<т2 Лтп

А. =-

г,М N N А~*1 Р11

(19)

Где Д, „ - алгебраическое дополнение к диагональным элементам корреляционной матрицы.

<1е1(й1) - детерминант корреляционной матрицы.

Из выражения (19) следует важный вывод: дисперсия О^ определяется

детерминантом корреляционной функции. Если детерминант корреляционной матрицы стремится к нулю, тогда дисперсия амплитуд, а вместе с ними и дисперсии угловых параметров, будут стремиться к бесконечности.

Для случая двухлучевого ионосферного сигнала дисперсии азимута Оа и угла места йц будут:

л2

1-|л1|2

д 2ст

/> ~ I -I2

£ NN.

гя-двЦ/?), 13

где - модуль коэффициента корреляции между лучами. При |Л1|=0 выражения (20) определяют дисперсии Ц,, ортогональных сигналов. Следовательно, можно записать:

и £)„,

А,=

Д.,

1-Я1

1-Л1

для

(21)

Решение задачи возможно даже при Д1 =0,9. Дисперсия параметров в этом

случае увеличивается всего на 7дБ.

Для модельных расчётов разработана программа расчёта четырёхлучевого ионосферного сигнала на основе разностного уравнения.

Задача решается на временном интервале Т=5сек и с пространственной базой 115м. На следующих рисунках представлены возможности этой программы. На рис.3 показаны значения доплеровских сдвигов по частоте для четырёх лучей.

1 1 60 "ц

0 0, / \

00 0, 05 0, 10 0, 15 0 20 0 25 0, 30 0, 35 0, 40 0 45 0 50 0, 55 0

Рисунок 3. Значения функционала правдоподобия (Д) в зависимости от частоты

Решение получено на временном интервале 5сек . Коэффициент корреляции между лучами 11=0,3-^0,5.

На рис.4 показана фазовая плоскость на которой точками показаны амплитуды и фазы четырёх лучей.

0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -0 ивт(ф)

исоз(ф)

•

,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

Рисунок 4. Фазовая плоскость и, ср В таблице 1 представлены истинные значения параметров и их оценки.

Таблица 1. Истинные и оценочные параметры лучей.

Парам. Луч 1, Луч 1, Луч 2, Луч 2, Луч 3, Луч 3, Луч 4, Луч 4,

истин. оцен. истин. оцен. истин. оцен. истин. оцен.

70 70,12 68 68,12 66 67,12 64 64,12

40 40 13 12 25 20 30 30

Е 0,5 0,52 1,3 1 0,6 0,73 0,9 0,8

0 2,68 17 6,86 60 48 230 232

На рис.5 показана возможность разрешения доплеровских частот ионосферного сигнала.

Й.ГЦ °'40

0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00

0,000 0,025 0,050 0,075 0,100 0,125 0,150 0,175 0,200 0,225 0,250

Л1д, Гц

Рисунок 5. Разрешение доплеровских линий ионосферного сигнала

По горизонтали отложена разность доплеровских частот двух составляющих ионосферного сигнала. По вертикали отложена доплеровская частота /¡=0,1 Гц. Доплеровская частота второй составляющей сигнала /2 меняется линейно. Разность доплеровских частот Д/=0,2Гц определяет предельное разрешение согласно критерию Рэлея. Как видно из рисунка, при отношении сигнал/шум ~20дБ метод позволяет разрешить два составляющие спектра при Д/=0,025Гц. Разрешающая способность увеличена в 10 раз. Разработанный метод позволяет разрешить два луча с угловым различием Др=2,5°. Разрешающая способность оказывается увеличенной в 12 раз.

а. Р.0 80

70 60 50 40 30 20 10 0

8 £ © 1 © © € а @ @ @ ё @ @ а а а а®. 8 € © © © _© 1

----- • .......-

1ААДД/ Ь А д А А к А А А А к

л д

10 15 20 25 30

Рисунок 6. Частотная зависимость азимутов и углов места

На рис.6 показана частотная зависимость лучевой структуры сигнала. Результаты получены при отношении сигнал/шум ~13 дБ, углы места лучей Д=10° и Р2 =35°. Результаты расчета вполне удовлетворительны. Однако ниже частоты £= 10МГц точность оценок углов места (как и следует из теории) недостаточна. При увеличении радиуса антенной системы до 11=143,75м (в 2,5 раза) точность оценок углов места в диапазоне частот ниже £=10МГц повышается.

В §3.6 проведено дополнительное исследование вопроса разрешения лучевой структуры сигнала при многомерной функции корреляции, зависящей от параметров: азимут а, угол места р, доплеровского сдвига по частоте со. Основной вывод этого параграфа следующий. Если два луча ионосферного сигнала ортогональны по углу места, то автоматически они разделяются по азимуту. Если два луча разделяются за счет различий доплеровского смещения частоты, то они автоматически разделяются по азимуту и углу места. В связи с этим трехмерная антенная система типа «Круг-г» является наилучшей. Она обеспечивает наилучшее разделение лучей по углу места. При этом азимутальное и частотное разделение параметров обеспечивается автоматически.

Одним из важных вопросов, рассмотренных в настоящей работе, является вопрос о влиянии мультипликативной помехи на эффективность работы различных алгоритмов обработки ионосферных сигналов (§2.5). При наличии мультипликативной помехи пространственно-временной сигнал может быть записан в виде

1 м

1,/Р »-1 (22)

а, С-«)=-=4^оф(/((<ч. (а)<о0„ у- (*„ М)к).«))

Где »•"

мультипликативная помеха для ш-составляющей сигнала.

Мультипликативная помеха уменьшается, если пространственно-временной интервал обработки приближается к интервалу стационарности. Следовательно, оптимальным является минимальный пространственно-временной интервал обработки. Анализ, проведенный на основании функции правдоподобия, показал следующее. При малой мультипликативной помехе математическое ожидание от функционала правдоподобия в минимуме имеет вид

д/(д)=^с+гш (23)

Где 5 - малая мультипликативная добавка, \УС - энергия сигнала, \УШ - энергия

шума.

Следовательно, минимум функционала правдоподобия увеличивается как . Это объясняет возникшее противоречие между результатами модельных расчетов и экспериментом. В модельных расчетах без учета мультипликативного шума значение функционала ^ меняется от 100 до 1000 и более .В эксперименте значения

функционала находятся на уровне 5-И 00 . Исходя из этого сделан вывод о существенном влиянии мультипликативной помехи на эффективность методов обработки ионосферных сигналов.

При пеленгации ионосферных сигналов в условиях многолучевости возникает проблема. Она связана с тем, что алгоритм максимального правдоподобия при решении задачи разделения лучевой структуры требует большого машинного времени. Для уменьшения требуемого для расчетов машинного времени необходимо локализовать интервал поиска азимутов отдельных лучей Да в окрестности ориентировочного азимута, определяемого однолучевым алгоритмом. Однако однолучевой алгоритм обработки в условиях многолучевого приема часто даёт значения азимутов, отличающиеся от истинного на десятки градусов. Это связано с эффектом интерференции лучей. За счет интерференции суммарный главный лепесток диаграммы направленности оказывается подавленным и оценка азимута производится по максимальному боковому или заднему лепестку диаграммы направленности. Возникает задача создания устойчивого однолучевого алгоритма обработки многолучевого ионосферного сигнала. На практике такую задачу решают с помощью двух антенных систем с большим радиусом и с малым радиусом. Рассмотрим возможности алгоритмического изменения пространственной базы антенной системы. Запишем выборку данных, полученную на круговой антенной решетке диаметром 2Я в виде

Г„=£„ехР(-/(й„ )) + Д„ (24)

Где Еп - комплексная амплитуда поля в точке Я„ на поверхности земли, к -волновой вектор плоской волны. Дополнительно запишем Г„+, = Ё. ехр(-г(Д,))ехр(-/(Щ,)) + Е^

Объединяя эти два выражения, получим

7„+1=Г„ехр(-г(АМ„)) + £ш

(25)

(26)

Данное выражение является основой для создания устойчивого однолучевого метода обработки многолучевого сигнала. На основании (26) можно получить поверхность функционала правдоподобия

А(Аг') = 1---— --1

1 ' К\2+К\ (27)

Где черта сверху означает суммирование. у/„,(с„+1 - значение фаз на вибраторах. Расчетное выражение (27) почти полностью исключает влияние разности фаз между отдельными лучами при оценках параметров сигнала.

На рис.7 показаны диаграммы направленности рассчитанные устойчивым методом (точки) и классическим методом (линия).

Рисунок 7. Азимутальные диаграммы направленности антенной системы типа «Круг» рассчитанные по устойчивому методу и методу Фурье, а, =73°, а2= 78°

При разности фаз —180° между лучами основной суммарный лепесток диаграммы направленности почти полностью подавляется. Азимут в этом случае определяется максимальным боковым лепестком (-160°). Устойчивый метод расчета в этих условиях определяет азимут близкий к истинному (73°^78°).

На рис.8 показана частотная зависимость углов места полученных устойчивым методом обработки (точки) и двухлучевым алгоритмом (маркеры). Каждая точка определялась при случайных значениях фаз и амплитуд.

р,

60 -50 -40 -30 20 10

I оой

Д »Д

Д" А"Д АйД^ДАддЛд ДД^А -дДМЛдАДДД^ЛЛ ЛлМА АЛЛЛЛЛ

Л-

••и» • •••• г

«Луч 1

Д Луч 2

»Устойчивый

I МГц

Рисунок 8. Частотная зависимость значений углов места. /?,=10°, /32=30°

Из рисунка ясно, что устойчивый метод обработки полностью решает свою задачу. Он определяет ориентировочный угол места, значения которого не выходят за пределы углов места двух лучей. Следовательно, решить задачу разрешения лучевой структуры возможно на ограниченной площадке Да*Др, где Да не более 10°.

Одним из наиболее важных вопросов является степень соответствия модельных представлений и реальности. Структура ионосферных сигналов сложная и не все особенности учитываются при моделировании. В частности это относится к вопросам учета мультипликативной помехи. Она существенно снижает эффективность методов обработки сигналов.

В связи с этим лишь при благоприятных условиях можно получать разрешение лучевой структуры сигнала. На рис.9 показаны изменения углов места в зависимости от времени, полученные на трассе протяженностью (1=653 км.

Рисунок 9. Зависимость углов места от времени. «Би-Би-Си» (Англия). Г=6,02МГц

На интервале 30с отмечается устойчивая двухлучевая структура сигнала. Однако в большинстве случаев мультипликативная помеха не позволяет решить задачу разрешения лучевой структуры сигнала.

В условиях значительной мультипликативной помехи предлагается использовать значения минимума функционала, как критерия качества получаемого решения. Следующие рисунки иллюстрируют такую возможность.

ГУА А/!ТУу\ Д А А ¿д А Мд Д АУЛ Д

• ••* •• •

• • Л ______

«ДО* • •

•

• -•-

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

| А Азимуты • Углы места | Д1

Рисунок 9. Зависимость оценок азимутов и углов места от значения обратного функционала.

Прием одного луча. РВМ, ¥=9996 КГц

На рис.9 показан случай приема однолучевого сигнала на трассе Москва -Калининград. Азимуты и углы места поставлены в соответствии с критерием качества (минимум функционала - горизонтальная шкала). Наиболее достоверными являются азимуты и углы места с минимальным значением функционала. Как видно из рисунка в этом случае как азимут, так и угол места имеют устойчивое значение. Большая дисперсия угловых параметров отмечается в области больших значений минимума функионала (Д>0,4-Ю,7). Минимальная дисперсия углов места отмечается в области значений функционала Д~0,1-Ю,3. На рис.10 показана гистограмма углов места, полученная на трассе Москва - Калининград без учета критерия (верхний рисунок) и с учетом критерия (нижний рисунок, Д<0,5). Как видно из рисунка с учетом критерия углы места имеют меньший разброс и даже логично эти данные сопоставить с лучами отраженными от Е и Б2 областей ионосферы.

Без учета критерия

Учет критерия

/Угол мест а

О 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 в градусах

Рисунок 10. Гистограмма углов места без учета критерия и с учетом критерия. РВМ г.Москва, июль 1990 г., 9996 кГц

В таблицах 2 и 3 представлены результаты измерений азимутов а„, углов места Д, для ряда радиостанций. Решая обратную задачу «методом характеристик» была оценена дальность до точки излучения Ц, и отклонение азимута от азимута по дуге

О,, - О

большого круга. Относительная погрешность дальности " в среднем составляет -10%. Отклонения азимута в среднем не превышают ±3°.

Таблица 2. Результаты измерений азимутов и углов места на трассе Москва - Калининград, ао =78,26°, °°=1066км

№ Число Время {, кГц а„ о А о ",КМ Д а = а0-аГ1 0 АО/

1 22.08.90 12:21 9996 79 39 1086 -0,74 -1,8

12:30 78 27 1158 0,26 -8,6

23:36 76 33 1271 2,26 -19

15:00 76 39 949 2,26 10

15:29 77 27 1054 1,26 1,1

15:36 75 25 1077 2,26 -1,0

2 05.07.90 23:30 9996 78 36 1052 0,26 1,3

23:31 76 34 1084 2,26 -1,6

3 06.07.90 9:15 9996 76 39 1035 2,26 5,2

4 11.07.90 21:36 4996 76 62 999 2,26 5,2

5 12.07.90 11:36 9996 74 36 1084 4,26 -1,6

11:37 75 33 1220 3,26 -14

Таблица 3. Результаты измерений азимутов и углов места для ряда радиостанции

№

Число, излучатель

27.08.90 Ленинград

а°=38,3°

°=819км

27.08.90 Ленинград

ао=43°

»=731км

Время

10:12

10:13

14:29

16:18

0:06

0:30

14:10

16:51

17:16

20:04

20:15

20:31

£ кГц

7240

5935

",км

772

818

718

901

760

903

718

808

673

800

734

684

Да = а0-аГ1 0

-0,5

1,5

■1,5

-0,5

0,5

-3

-4

27.08.90 Киев а„

=124,5° =530км

13:14

125

558

-0,5

13:19

6030

125

505

-0,5

13:42

126

500

-1,5

13:48

122

517

2,5

27.08.90 Киев

а° =120,0°

°=676км

14:29

119

619

14:40

6195

119

600

14:49

120

684

16:19

120

804

Таким образом, при учёте критерия качества, задача пеленгации ионосферных сигналов может быть решена с указанной точностью: для азимута ±3°, для относительной дальности ~10°.

Основные результаты диссертационной работы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в

следующих работах: Работы, опубликованные в журналах, рекомендованных ВАК:

1. Кочмарский A.B., Бессонов В.А., Чугайнов A.C. Методика выделения лучевой структуры ионосферных сигналов // Современные проблемы науки и образования. - 2011. - №5.

2. Кочмарский A.B., Алещенко А.Н., Петров C.B., Бессонов В.А. Мультипликативная помеха при пеленгации ионосферных сигналов // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - №4.

3. Власова К.В., Никитин М.А., Чугайнов A.C., Кочмарский A.B. Оценка параметров ионосферного сигнала // Вестник Балтийского федерального университета им. И.Канта. Серия физико-математические науки. - 2012. - №4. С.78-84.

4. Пахотин В.А., Власова К.В., Кочмарский A.B. Оптимальная обработка сигналов с затуханием // Современные проблемы науки и образования. - 2011. -№6.

5. Пахотин В.А., Бессонов В.А., Шаров С.Б., Кочмарский A.B. Комплекс аппаратуры для приема ионосферных сигналов // Вестник Балтийского федерального университета им. И.Канта. Серия физико-математические науки. - 2011. - №5. С.90-93.

Работы, опубликованные в других изданиях:

1. Власова К.В., Пахотин В.А., Кочмарский A.B., Молостова C.B. Метод локации ионосферы короткими радиоимпульсами // XVII Международная научно-техническая конференция, «Радиолокация, навигация и связь», г.Воронеж. -2011.-Т.1, секция 1-2, С.66-72.

2. Пахотин В.А., Власова К.В., Кочмарский A.B., Молостова C.B. Метод обработки при наклонном зондировании ионосферы // Сборник работ XXIII Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн», г.Йошкар-Ола. - 2011. - Т.З, С.35-38.

3. Бессонов В.А., Пахотин В.А., Кочмарский A.B., Чугайнов A.C. Пеленгация ионосферных сигналов // Сборник работ XXIII Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн», г.Йошкар-Ола. - 2011. - Т.З, С.43-46.

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

5. Белошевский И.О., Пахотин В.А., Кочмарский A.B. Методика оценки параметров земной поверхности на основе вертикальной линейки вибраторов // Сборник докладов XI межвузовской научно-технической конференции аспирантов, соискателей и докторов. г.Калининград, БГАРФ. - 2011. - С.222-226.

6. Молостова C.B., Власова К.В., Кочмарский A.B. Экспериментальное определение параметров двух близкорасположенных целей // Сборник докладов X межвузовской научно-технической конференции аспирантов, соискателей и докторов. г.Калининград, БГАРФ. - 2010. - С.209-212.

Кочмарский Алексей Викторович

РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ПЕЛЕНГАЦИИ ИОНОСФЕРНЫХ СИГНАЛОВ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Подписано в печать 03.10.2012 г. Бумага для множительных аппаратов. Формат 60*90 ^^

Ризограф. Гарнитура «Тайме». Усл. печ. л. 1,5. Уч.-изд. л. 1,3. Тираж 90 экз. Заказ 198

Отпечатано полиграфическим отделом Издательства Балтийского федерального университета им. Иммануила Канта 236041, г. Калининград, ул. А. Невского, 14

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Кочмарский, Алексей Викторович

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Основы теории оптимального приема.

1.1 Ионосфера, распространение радиоволн, основные оценки.

1.2 Основы теории оптимального приема.

1.3 Решение задачи обнаружения сигнала методом максимального правдоподобия.

1.4 Решение задачи оценки параметров сигнала методом максимального правдоподобия.

1.5 Решение задачи разрешения подобных сигналов методом максимального правдоподобия.

1.6. Пеленгация ионосферных сигналов. Амплитудная, фазовая пеленгация.

Глава 2. Разработка методов пеленгации ионосферных сигналов.

2.1 Пеленгация однолучевого ионосферного сигнала.

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

2.3 Алгоритм обработки многолучевого ионосферного сигнала.

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

2.5 Мультипликативная помеха и ее влияние на прием ионосферных сигналов.

Глава 3. Результаты модельных исследований вопросов пеленгации ионосферных сигналов.

3.1 Пеленгация ионосферных сигналов в условиях однолучевого приема.

3.2 Частотный диапазон многоканальных антенных систем.

3.3 Устойчивый метод пеленгации в условиях многолучевого приема.

3.4 Пространственно-временная обработка однолучевого ионосферного сигнала

3.5 Трехмерная антенная система для пеленгации однолучевых ионосферных сигналов.

3.6 Анализ корреляционной функции лучей ионосферного сигнала.

3.7 Общая характеристика решения задачи оценки параметров ионосферного сигнала.

3.8 Анализ разрешающей способности разработанного метода пеленгации.

3.9 Результаты экспериментальных исследований возможностей пеленгации ионосферных сигналов.

Введение диссертация по физике, на тему "Развитие методов пеленгации ионосферных сигналов"

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Вопросы теории и практики пеленгации ионосферных сигналов . (

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

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

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

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

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

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

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

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

Заключение диссертации по теме "Радиофизика"

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изложим кратко основные результаты, полученные в настоящей работе:

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

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

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

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

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

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

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

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Кочмарский, Алексей Викторович, Калининград

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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