Ипполитов Сергей Павлович. Разработка и исследование алгоритмов пространственно-временной обработки радиосигналов в навигационной аппаратуре потребителей спутниковых радионавигационных систем в условиях воздействия помех

brief description

Ипполитов Сергей Павлович. Разработка и исследование алгоритмов пространственно-временной обработки радиосигналов в навигационной аппаратуре потребителей спутниковых радионавигационных систем в условиях воздействия помех;[Место защиты: ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»], 2021

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Национальный исследовательский университет «МЭИ»
На правах рукописи
Ипполитов Сергей Павлович
Разработка и исследование алгоритмов пространственно-временной обработки
радиосигналов в навигационной аппаратуре потребителей спутниковых
радионавигационных систем в условиях воздействия помех
05.12.14 - Радиолокация и радионавигация
Диссертация на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Научный руководитель доктор технических наук Перов А. И.
Москва - 2020
Оглавление
Стр.
Введение 5
Г лава 1. Оптимальная пространственно - временная обработка
навигационного радиосигнала в НАП с антенной решеткой при
воздействии имитационной помехи 19
1.1 Модель наблюдаемого процесса 20
1.2 Синтез алгоритма фильтрации параметров навигационного
радиосигнала и имитационной помехи 25
1.3 Анализ статистических характеристик дискриминаторов
оптимального алгоритма фильтрации параметров навигационного радиосигнала и имитационной помехи 35
1.4 Анализ характеристик компонент корреляторов, используемых в
дискриминаторах с компенсацией после корреляторов 43
1.5 Структурная схема синтезированной системы фильтрации 44
1.6 Выводы по первой главе 46
Глава 2. Имитационное моделирование оптимального алгоритма фильтрации параметров навигационного радиосигнала при воздействии имитационной помехи 48
2.1 Структура имитационной модели 48
2.2 Условия моделирования 55
2.3 Результаты имитационного моделирования 57
2.3.1 Анализ ошибок слежения в синтезированном алгоритме фильтрации 57
2.3.2 Анализ вероятности срыва слежения 69
2.3.3 Анализ влияния неопределенности знания амплитуды помехи на
характеристики слежения 70
2.3.4 Анализ влияния неопределенности знания направления прихода
помехи на характеристики слежения 83
2.4 Выводы по второй главе 85
Стр.
Глава 3. Оптимальная пространственно-временная обработка
навигационного радиосигнала в НАП с антенной решеткой при воздействии маскирующей помехи 88
3.1 Общая характеристика методов пространственно-временной обработки навигационного радиосигнала при воздействии
маскирующей помехи 88
3.2 Описание наблюдаемого процесса в действительной форме 90
3.3 Структура корреляционной матрицы помех и шумов для
наблюдаемого процесса в действительной форме 94
3.4 Обращение корреляционной матрицы помех и шумов для
наблюдаемого процесса в действительной форме 97
3.5 Синтез алгоритма оценки начальной фазы навигационного радиосигнала по критерию максимального правдоподобия
в действительной форме 98
3.6 Выводы по третьей главе 106
Глава 4. Имитационное моделирование алгоритмов пространственной обработки в действительной и комплексной формах 108
4.1 Структура имитационной модели 108
4.2 Условия моделирования 110
4.3 Показатель качества 111
4.4 Результаты имитационного моделирования 111
4.4.1 Результаты имитационного моделирования при известной
корреляционной матрице помех 111
4.4.2 Результаты имитационного моделирования при неизвестной
корреляционной матрице помех 117
4.4.3 Исследование влияния квантования наблюдаемого процесса 119
4.5 Выводы по четвертой главе 122
Стр.
Глава 5. Экспериментальное исследование алгоритмов
пространственной обработки сигналов антенной решетки в
действительной форме 125
5.1 Описание экспериментальной установки 125
5.2 Показатель качества 128
5.3 Характеристики макета помехозащищенной НАП 129
5.3.1 Методика и оценка неидентичности частотных
характеристик трактов 129
5.3.2 Методика и оценка линейности трактов 134
5.4 Упрощенный алгоритм пространственной обработки
сигналов антенной решетки в действительной форме 137
5.5 Описание аппаратно-программной части 139
5.6 Результаты экспериментальных исследований 140
5.7 Оценка затрат аппаратных ресурсов 144
5.8 Выводы по пятой главе 148
Общие выводы и заключение 150
Список литературы 155
Приложение 168

bibliography

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертации получены следующие основные результаты:
1. Методами теории оптимальной фильтрации синтезирован новый алгоритм фильтрации параметров (фаз и задержек огибающих) навигационного радиосигнала и имитационной помехи в НАП с АР. Показано, что в синтезированном алгоритме реализуется принцип компенсации имитационной помехи в следящих системах за параметрами навигационного радиосигнала и компенсация навигационного радиосигнала в следящих системах за параметрами имитационной помехи
2. Проведен статистический анализ дискриминаторов фаз и задержек огибающих навигационного радиосигнала и имитационной помехи. По результатам анализа построены дискриминационные характеристики. Показано, что они имеют устойчивые точки равновесия, в которых оценки параметров равны их истинным значениям.
3. Приведены две, эквивалентные друг другу, структурные схемы синтезированной системы — с компенсацией «мешающих» сигналов до корреляторов и компенсацией после корреляторов, на которых показаны две ветви, в которых производится фильтрация параметров навигационного радиосигнала и имитационной помехи. Показано, что структурная схема с компенсацией после корреляторов более предпочтительна для реализации.
4. Разработана имитационная модель и проведено имитационное моделирование приемника с синтезированными алгоритмами фильтрации параметров навигационного радиосигнала и имитационной помехи, а также стандартного приемника, осуществляющего слежение только за параметрами навигационного радиосигнала.
Показано, что в приемнике с синтезированными алгоритмами фильтрации при известных амплитудах навигационного радиосигнала и имитационной помехи и при их известных направлениях прихода обеспечивается надежное слежение (с вероятностью срыва, не превышающей 0,02) за параметрами навигационного радиосигнала при мощностях имитационной помехи и навигационного радиосигнала, характеризуемых J/S < 40дБ.
Показано, что в алгоритме фильтрации с дополнительной оценкой амплитуд обеспечивается слежение (с вероятностью срыва, не превышающей 0,02) за параметрами навигационного радиосигнала при мощностях имитационной помехи и навигационного радиосигнала, характеризуемых J /S < 20 дБ.
Показано, что при погрешности знания направлений прихода навигационного радиосигнала и имитационной помехи с СКО а0 = 3° надежное слежение (с вероятностью срыва, не превышающей 0,02) за параметрами навигационного радиосигнала в этом случае обеспечивается при мощностях имитационной помехи и навигационного радиосигнала, характеризуемых J/S < 16 дБ.
Показано, что в стандартном приемнике слежение за параметрами навигационного радиосигнала при воздействии имитационной помехи
обеспечивается лишь при энергетическом отношении J/S < 2дБ. Следовательно, в синтезированном алгоритме фильтрации обеспечивается повышение
энергетической эффективности (в указанном выше смысле) слежения за навигационным радиосигналом на 14 дБ.
Учитывая, что на практике мощность прицельной имитационной помехи на выходе выбирается выше мощности навигационного радиосигнала на 2 - 5 дБ (J/S = 2 - 5 дБ), сделан вывод о том, что применение в НАП синтезированного алгоритма фильтрации параметров навигационного радиосигнала и имитационной помехи с предложенными алгоритмами оценки амплитуд навигационного радиосигнала и имитационной помехи и дополнительными данными о направлении прихода помехового сигнала с погрешностью (СКО) а0 < 3°,
обеспечивает надежное слежение за навигационным радиосигналом с вероятностью срыва близкой к нулю.
5. Приведено оригинальное описание сигналов на выходах антенных элементов АР в действительной форме с использованием квадратурных составляющих. Для данного описания рассмотрена корреляционная матрица суммы помех и шумов, для которой показано, что она имеет блочную структуру с блоками, обладающими свойствами симметрии. Приведены выражения для обратной корреляционной матрицы помех и шумов и показано, что она имеет с структуру, аналогичную структуре исходной матрицы, а, именно, представляет из себя блочную матрицу с блоками, обладающими свойствами симметрии.
6. Применительно к задаче оценки начальной фазы навигационного радиосигнала в НАП с АР проведен синтез оптимального алгоритма обработки в действительной форме, который включает пространственную и временную обработки. Пространственная обработка заключается в весовом суммировании квадратурных компонент с каждого АЭ с учетом направлений прихода навигационного и помехового радиосигналов. Сформированные в результате такой обработки квадратурные компоненты используются далее в алгоритме временной обработки, результат которой представляет собой оценку фазы навигационного радиосигнала.
7. Проведено сравнение синтезированного алгоритма пространственной обработки (ПОС) в действительной форме с известным алгоритмом обработки в комплексной форме. Показано, что алгоритмы ПОС в действительной и комплексной формах по сути представляют собой весовое суммирование квадратурных компонент наблюдаемого процесса, но отличаются формой представления математических операций и алгоритмами вычисления весовых коэффициентов.
8. Разработана имитационная модель и проведено имитационное моделирование алгоритма пространственной обработки сигналов в действительной форме в сравнении с алгоритмом пространственной обработки сигналов в комплексной форме.
Проведено сравнение алгоритмов в действительной и комплексной формах по коэффициенту эффективности (КЭ), под которым понимается отношение сигнал/(помеха+шум) на выходе алгоритма пространственной обработки в АР к аналогичному отношению на входе АР. Показано, что как алгоритм в действительной форме, так и в комплексной форме подавляют помеху с одинаковым КЭ. На примере четырехэлементной антенной решетки показано, что оба алгоритма (в действительной и комплексной формах) при воздействии трех и менее помех подавляют их с одинаковым КЭ.
На примере четырехэлементной АР показано, что при воздействии трех помех, пространственно разнесенных по углу на ~40°, КЭ при приеме навигационного радиосигнала с направлений, отличных от направлений прихода помех (на -10° по углу) снижается до 8дБ по сравнению с КЭ для воздействии одной помехи с суммарной мощностью трех помех.
Проведено исследование влияния использования оценок корреляционной матрицы (КМ) помех и шумов вместо истинных КМ на характеристики подавления алгоритмов ПОС в действительной и комплексной формах. При оценивании КМ с использованием выборки M > 500 отсчетов эффективность подавления помех не изменяется (при воздействии трех пространственно разнесенных помех на четырехэлементную АР). Показано, при уменьшении объема выборки до значения M < 100, точность формируемых оценок КМ снижается, что приводит к снижению КЭ на 3дБ и более (при воздействии трех пространственно разнесенных помех на четырехэлементную АР).
Проведено исследование влияния квантования наблюдаемого процесса на характеристики подавления алгоритмов ПОС в комплексной и действительной формах. Показано, что для минимизации потерь коэффициента эффективности при квантовании для помехи уровнем J/S = 90дБ необходимо использовать АЦП с разрядностью NАЦП > 14 бит, для помехи уровнем J/S = 120дБ необходимо использовать АЦП с разрядностью NАЦП > 18бит.
9. Создана экспериментальная установка для оценки эффективности алгоритмов ПОС в НАП с АР. Разработана методика оценки характеристик РЧБ для определения достижимых характеристик подавления помех.
10. Применительно к ресурсам (возможностям) экспериментальной установки разработан упрощенный алгоритм ПОС с обработкой в действительных числах. Показано, что в НАП с 7-элементной АР при воздействии трех и менее помех эффективность подавления помех близка к эффективности подавления помех при использовании оптимального алгоритма с обработкой в действительных числах.
11. Проведено экспериментальное исследование эффективности подавления помех при использовании в НАП упрощенного алгоритма с обработкой в действительных числах и с использованием линии задержки с различными характеристиками, обеспечивающей компенсацию неидентичностей АЧХ приемных трактов. При этом получены следующие значения коэффициента подавления помех:
- КП = 57дБ для гармонической помехи,
- КП = 51 дБ для шумовой полосовой помехи (AF = 15 МГц),
- КП = 52дБ для ФМн-помехи (AF = 1МГц).
12. Проведен расчет затрат на аппаратные ресурсы при реализации трех алгоритмов: в действительной форме, в комплексной форме, упрощенный в действительной форме. Показано, что для четырехэлементной АР использование алгоритма ПОС с обработкой в действительных числах дает выигрыш в 1,5 раза по числу используемых умножителей и в 10 раз по числу используемых сумматоров по сравнению с использованием алгоритма ПОС с обработкой в комплексных числах. Данное преимущество сохраняется при использовании в НАП с АР многоотводных линий задержек.
13. Экспериментально подтверждена эффективность подавления помех в НАП с АР при использовании алгоритмов ПОС с обработкой в действительных числах и выигрыш в вычислительных затратах при реализации такого алгоритма.
Упрощенный алгоритм ПОС с обработкой в действительных числах с использованием многоотводных линий задержек реализован в ОКР «Высотка-28», посвященной созданию микросхемы для построения многопозиционных радиоизмерительных систем фазовой пеленгации, а также в ОКР «Фарватер», посвященной созданию помехоустойчивой контрольно-корректирующей стации дифференциальных поправок.