Разработка усовершенствованного алгоритма разделения источника радиоизлучения по азимуту

УКВ широко применяются в системах связи и вещания. Большинство таких систем работает в пределах зон, ограниченных условиями прямой видимости корреспондирующих пунктов. Увеличение дальности связи до нескольких тысяч километров достигается в так называемых радиорелейных линиях (РРЛ) - цепочке ретрансляционных станций, отстоящих друг от друга на расстоянии прямой видимости. В РРЛ используют волны УВЧ-диапазона. Большая ширина диапазонов УКВ по частоте и возможность создания узконаправленных антенных систем позволяют применять этот диапазон для создания широкополосных и многоканальных магистральных линий связи. Диапазон УКВ является единственным, в котором осуществляются телевизионные передачи и организуется высококачественное частотно-модулированное радиовещание. В тех случаях, когда размещение ретрансляторов в РРЛ на расстояниях прямой видимости затруднено, используются линии дальней тропосферной радиосвязи [2].

Проведем анализ сигнальной и помеховой обстановки ОВЧ и УВЧ диапазонов.

1.1 Анализ сигнальной обстановки

радиоизлучение азимут сигнал спектр

В УКВ диапазоне большое многообразие различных систем связи. Как правило, применяется одноканальная телефония, телеграфная радиосвязь, функционирует связь на основе обычных радиостанций с узкополосной частотной модуляцией, действуют автоматические сети связи с аналоговой и цифровой передачей речевой информации, развернуты системы беспроводной передачи данных. В последние годы наметилась тенденция к созданию многопозиционных радиостанций, обеспечивающих УКВ и спутниковую связь.

Одним из основных потребителей УКВ диапазона являются вооруженные силы практически всех стран мира, в частности этот диапазон широко применяется в авиационных радиостанциях, то есть отдельно надо сказать об авиадиапазоне 117,975÷137 МГц (шаг сетки 19,025 кГц), где для связи "борт-земля" используют радиотелефонная связь с АМ.

В последние годы в войсковых радиостанциях начато использование диапазона частот радиолюбителей 420÷4500 МГц, а также диапазона 900÷1215 МГц, отведенного аэродромным РЛС.

Существующий парк авиационных средств связи ВС США и НАТО обеспечивает телефонную связь и передачу данных между самолетами и наземными, корабельными, воздушными пунктами управления. Все самолеты тактической авиации ВВС и ВМС США оборудованы, по меньшей мере, одной радиостанцией УВЧ (225÷400 МГц), самолеты непосредственной воздушной поддержки - радиостанциями ОВЧ диапазона (30÷88 МГц), самолеты стратегической авиации - радиостанциями УВЧ (ближняя связь) и КВ (дальняя связь) диапазонов. Узкополосная ЧМ в наиболее простом виде может применяться в технологических целях в ОВЧ-диапазоне. Как правило, используется одна и та же частота, выход в эфир осуществляется поочередно (симплекс). Системы узкополосной ЧМ и диапазоны частот, в которых они осуществляют связь, указаны в таблице 1.2. Также применяются две частоты разнесенных на 30÷40 МГц (дуплекс, для абонентов - полудуплекс). Наиболее оптимальным в настоящее время признано использование сетей подвижной радиосвязи общего пользования (транкинговых, сотовых), так как они предоставляют абонентам больше разнообразных услуг (от образования диспетчерской связи отдельных служб до автоматического выхода на абонентов городских и междугородних телефонных сетей), а также позволяют резко поднять пропускную способность сети. Одной из разновидностей систем связи в УВЧ-диапазоне являются транкинговые (стволовые) системы. Они возникли ввиду необходимости более рационально использовать ограниченный частотный ресурс и объединяют пользователей в одну группу с обеспечением приоритетного или общего равного автоматического доступа к системе радиоканалов связи по принципу обычной телефонной сети.

Таблица 1.2-Характеристика системы узкополосной ЧМ

Способ передачи речи в транкинговой системе: аналоговый с помощью частотной модуляцией при разносе каналов 12,5/25 кГц или цифровой со скоростью передачи речевых данных не более 4,8 кбит/с. В таблице 1.3 приведены основные характеристики некоторых цифровых транкинговых систем [4].

Самым массовыми и стремительно развивающимся в настоящее время являются сети сотовой связи, которые рассматриваются, прежде всего как системы индивидуальной связи.

Принято говорить о трех системах сотовой связи: аналоговых системах, цифровых системах, широко использующихся в настоящий момент, и перспективных универсальных системах близкого будущего, позволяющих передавать видео и мультимедийные данные со скоростями 2÷10 Мбит/с.

Известными стандартами цифровых сотовых систем связи - GSM, D-AMPS CDMA. Их основные характеристики приведены в таблице 1.4 [4].

Таблица 1.3 - Основные характеристика транкинговых систем связи

Особое значение в УКВ-диапазоне играют системы ближней навигации. Используемый диапазон частот (700÷1000 МГц) предопределяет работу с наземными радиомаяками в пределах прямой видимости (не более 400 км при высоте полета 10 км). Наибольшее распространение в УВЧ-диапазоне получили отечественная угломерно-дальномерная радиотехническая СБН (770÷1000 МГц), а также разработанные в США угломерная система TACAN (900÷1200 МГц) и дальномерная система DME (960÷1215 МГц) и в ОВЧ-диапазоне угломерная система VOR (108÷118 МГц).

Таблица 1.4 - Основные характеристики стандартов цифровой сотовой связи

Как видно из таблицы 1.4 самый популярный стандарт сотовой связи - GSM использует технологию множественного доступа с разделением по времени (TDMA), а также применяются системы с ППРЧ для большей помехоустойчивости и обхода замираний.

Произведена модернизация отечественной РСБН с целью обеспечения ее работы в международном диапазоне частот 960÷1215 МГц интеграции с зарубежными системами DME/TACAN, а также расширения ее функциональных возможностей позволит наиболее рационально с точки зрения временных и финансовых затрат реализовать планы конверсии радиочастотного спектра. При этом это позволит освободить занимаемый в настоящее время диапазон частот 726÷960 МГц для развития телевидения и систем сотовой подвижной связи. Перспективы развития радионавигации связаны, прежде всего, с совершенствованием и расширением возможностей спутниковых радионавигационных систем (СРНС).

СРНС второго поколения - отечественная ГЛОНАСС и американская GPS разрабатывались по заказу военных ведомств и предназначались для обеспечения точного позиционирования высоко-динамичных объектов военного назначения. Однако предусматривалось использование данных систем гражданскими пользователями с худшими точностными характеристиками, для военных потребителей, использующих закрытый канал. ГЛОНАСС применяет передачу двухкомпонентного навигационного сигнала в диапазонах L₁ (1,6÷1,62 ГГц) и L₂ (1,26÷1,27 ГГЦ), что позволяет с помощью ионосферной коррекции повысить точность решения навигационных задач [2].

Современная военная спутниковая связь обеспечивает закрытый помехоустойчивый обмен речевыми сообщениями, данными, видеоизображениями, организацию видеоконференций для всех звеньев управления. Высокие темпы ее развития и внедрения в последние десятилетия также обусловлены значительными достижениями ведущих фирм - производителей средств связи в сфере информационных технологий.

В настоящее время на вооружении СВ США состоят стационарные и мобильные (транспортабельные, переносные, портативные) станции спутниковой связи. Они работают через искусственные спутники Земли (ИСЗ) военных систем спутниковой связи в УВЧ-диапазоне (225÷400 МГц).

До сих пор самым актуальным в наше время остается наземное телевизионное вещание, которое осуществляется в диапазоне метровых (48,5÷230 МГц) и дециметровых волн (470÷790 МГц), с разбиением на поддиапазоны:

I поддиапазон - 48,5÷66 МГц (радиоканалы 1 и 2);

II поддиапазон - 76÷100 МГц (радиоканалы 3 -5);

III поддиапазон - 174÷230 МГц (радиоканалы 6 - 12);

IV поддиапазон - 470÷582 МГц (радиоканалы 21 - 34);

V поддиапазон - 582÷790 МГц (радиоканалы 35 - 60).

В настоящее время, также широко используются системы с программной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ), работающих в современных системах связи УКВ диапазона. При методе ППРЧ расширение спектра обеспечивается путем скачкообразного изменения несущей частоты в выделенном для работы СРС диапазоне W_s . Под скачкообразным изменением частоты следует понимать периодическую перестройку одной частоты или нескольких частот, используемых для передачи сигналов. Сигналы с ППРЧ можно рассматривать как последовательность в общем случае модулированных радиоимпульсов, несущие частоты которых перестраиваются в диапазоне W_{s .} Число перестраиваемых частот и порядок их чередования определяются псевдослучайными кодами. Фундаментальный принцип псевдослучайности сигналов препятствует системе РЭП добиваться эффективного воздействия на СРС с ППРЧ организованных помех и вынуждает систему РЭП с ограниченной мощностью передатчика распределять соответствующим образом спектральную плотность мощности по частотному диапазону СРС. Перестройка несущей частоты (скачок) может происходить в такой полосе частот, которая включает в себя несколько частотных каналов. Каждый канал можно рассматривать как спектральную область с центральной частотой, значение которой является одной из возможных несущих частот в выделенном диапазоне. Каналы могут быть или смежными (соприкасающимися), или разнесенными друг от друга неиспользованными спектральными областями. Такой метод формирования сигналов с ППРЧ позволяет исключать в случае необходимости из всей совокупности частотных каналов те каналы, которые заняты сильными помехами, или в которых имеет место устойчивые замирания. В зависимости от соотношения времени работы на одной частоте T_h и длительности информационных символов T_s ППРЧ может быть классифицирована на межсимвольную, посимвольную и внутрисимвольную (в частном случае при двоичной ЧМ и без кодирования- на межбитовую (рисунок 1.1.1а), побитовую (рисунок 1.1.1б) и внутрибитовую).

Рисунок 1.1.1 - Сигнал с ППРЧ: а) неслучайная межбитовая ППРЧ; б) случайная побитовая ППРЧ

Метод ППРЧ широко применяют в подвижных СРС и в тех случаях, когда требуется энергию передаваемого сигнала рассредоточить по возможно более широкой полосе частот. Ширина занимаемой полосы частот при этом принципиальных ограничений не имеет с точки зрения параметров разрабатываемой СРС.

Квадратом с горизонтальными линиями обозначен основной канал (канал передачи), по которому в соответствующие отрезки времени передаются элементы сообщения, а квадратом с наклонными линиями - дополнительный канал, в котором в эти же отрезки времени элементы сообщения отсутствуют.

_f = W_s / F_{s ,} (1)

где F_s -- ширина полосы одного частотного канала;

M_f - число частотных каналов.

Для сравнения различных СРС с ППРЧ в качестве одного из отличительных признаков используется скорость скачков частоты в единицу времени. По этому признаку различают СРС с медленной, средней и быстрой скоростью перестройки частотных элементов. Так как эта скорость не стандартизирована, то условно перестройка считается медленной при 100-300 скачках в секунду (ск/с), а при 1000 ск/с и более имеет место быстрая перестройка; скорость ППРЧ между этими двумя значениями считается средней. Хотя скорость ППРЧ и используется при сравнении СРС, однако она имеет косвенное значение. Самым важным параметром любой СРС с ППРЧ с точки зрения помехоустойчивости является фактическое время работы на одной частоте. Этот параметр и характеризует способность СРС с ППРЧ "уходить" от помехи РЭП.

Скачки частоты сопровождаются паузами между ними, определенными временем перестройки генератора несущего колебания. Больше частота скачков - больше пауз, что непосредственно влияет на увеличение скорости передачи.

В режиме ППРЧ речь передается в цифровой форме со скоростью 19,2 кбит/с. Увеличение скорости обусловлено паузами между соседними скачками частоты [5].

Ярким примером радиосвязи со скачкообразным изменением частоты является программа JAGUAR. Создано два типа радиостанций: JAGUAR-V - диапазона 30÷80 МГц со скоростью 100 скачков/с и JAGUAR U - диапазона 225÷400 МГц со скоростью 150÷200 скачков/с.

.2 Анализ помеховой обстановки

Помимо полезных радиосигналов в УКВ-диапазоне действуют посторонние колебания различного происхождения, называемые радиопомехами. Они могут вызывать искажения принимаемых сообщений. При телефонной связи они проявляются в виде щелчков, треска и шума, ухудшающих разборчивость речевых сообщений, радиопомехи могут быть по интенсивности сравнимыми с радиосигналами от нужного корреспондента или превосходить его. В этом случае правильный прием переданных сообщений обычно оказывается либо сильно затруднен, либо невозможен.

Наиболее характерными видами помех являются следующие:

)        посторонние радиосигналы. Поскольку потребность в радиосвязи очень велика, а диапазоны радиочастот не безграничны, реализация в полной мере частотного разделения не удается и приходится допускать одновременное использование одних и тех же частот на многих линиях радиосвязи. Чтобы избежать взаимных помех общие частоты применяют на отдельных друг от друга радиолиниях;

)        индустриальные помехи. Это помехи могут вызываться электромагнитными излучениями промышленных, транспортных, медицинских, научных, бытовых и прочих электрических установок. Они возникают главным образом при наличии электрических искр, дуги, либо при резких изменениях тока в электрических цепях могут распространятся по соединенным с этим устройствами проводам на большие расстояния, излучаться в окружающее пространство и действовать на антенны радиоприемных устройств;

)        космические шумы. Эти помехи радиоизлучениями из-за атмосферного пространства. Например, с солнечными пятнами связано интенсивное радиоизлучение солнца в диапазоне метровых волн. Заметные излучения приходят со стороны некоторых созвездий и туманностей. Этот вид радиопомех особенно важно учитывать при создании и эксплуатации систем космической радиосвязи;

)        атмосферные помехи. Электрические явления в атмосфере создают электромагнитные волны, далеко распространяющиеся во всех направлениях и оказывающих влияние на прием нужных радиосигналов.

Основным источником атмосферных помех являются грозовые разряды. Грозовая активность приводит к значительному повышению уровня помех, создавая мощные электромагнитные возмущения, распространяющиеся на огромные расстояния. Напряженность поля помех зависит от грозовой активности и скорости распространения в ионосфере.

Существуют три сценария, характеризующие интенсивность атмосферных помех в зависимости от времени суток и региона:

спокойный (ночной период суток). Данный период характеризуется спокойными условиями воздействия помех, при которых компоненты формируемой импульсной помехи создаются единичными вспышками с относительно небольшой интенсивностью.

тропический. Данная ситуация характерна для регионов, расположенных в средних широтах и для летних месяцев. Данный период характеризуется многочисленными грозовыми разрядами, которые распространяются на обширные районы. Некоторые помехи распространяются на большие расстояния и достигают места расположения антенны приемника, хотя в непосредственной близости источники помех отсутствуют.

фронтальные. Грозовые разряды формируются в непосредственной близости от места расположения антенны приемника, т.е. образуется локальный район атмосферных помех с высокой интенсивностью [6].

Типичными помехами, действующими на входе приемников, являются:

–       широкополосная шумоподобная помеха (на рисунке 1.2.1 показаны уровни широкополосных помех);

–       интерференция незатухающих колебаний;

–       импульсные помехи.

Рисунок 1.2.1 - Диаграмма уровней помехи в зависимости от ширины полосы для широкополосной помехи

Эталонные значения для широкополосной помехи изменяются в зависимости от ширины полосы. Действие помехи можно представить как широкополосный шум на частоте 1575,42 МГц.

На данном рисунке отчетливо видно, что с увеличением ширины полосы, используемой при данном виде связи, уровень широкополосной помехи также увеличивается.

1.3 Краткие выводы по разделу

Проведенный анализ сигнально-помеховой обстановки позволяет сделать следующие выводы:

УКВ диапазон является наиболее используемым и перспективным, ввиду того, что насыщен различными системами связи с большим разнообразием услуг и возможностей.

На рисунке 1.4.1 показаны системы радиосвязи и их частотные границы.

Рисунок 1.4.1 - Занятость ОВЧ/УВЧ диапазонов системами связи

В данных диапазонах широко применяются системы радиолокации, ближней радионавигации, спутниковых РНС, радиорелейной линии, мобильных системах связи, также является единственным, в котором осуществляются телевизионные передачи и организуется высококачественное частотно-модулированное радиовещание и множество различных систем связи. Но наряду с полезными сигналами не стоит забывать о помехах и замираниях присутствующих в данном диапазоне;

Таким образом, можно сделать вывод о значительной загруженности УКВ-диапазона, что делает этот его наиболее интересным для радиоконтроля, в отличие от остальных диапазонов, так как в нем работают основные системы связи и радиотехнические системы иностранных государств.

2. Обоснование требовании к точности разделения ИРИ по азимуту

Оценка точности радиопеленгования производится эксплуатационной угловой ошибкой радиопеленгатора, которая включает в себя инструментальную ошибку и ошибки от других источников, проявляющиеся в реальных условиях пеленгования.

Ниже представлены ошибки, влияющие на точность пеленгования:

)        изменение причин, вызывающих инструментальные ошибки, часто приводит к наличию значительной случайной составляющей.

)        ошибки среды распространения определяются отклонением трассы радиоволны от плоскости дуги большого круга, соединяющей источник радиоизлучения (ИРИ) с радиопеленгатором, под влиянием различных факторов, действующих в среде распространения радиоволн.

)        ошибки среды окружения радиопеленгатора, то есть ошибки местности, характеризующиеся влиянием рельефа и предметов, непосредственно окружающих место установки пеленгатора.

)        топогеодезические ошибки зависят от точности привязки антенно-фидерной системы, а также от точности прокладки линий пеленгов на карте. Неточность привязки пеленгатора на местности приводит к ошибке линии положения и непосредственно влияет на линейную ошибку места.

Нельзя также забывать про субъективные ошибки, которые определяются квалификацией оператора и условиями измерений, а также конструкцией и возможностями индикатора углов (цена деления, удобство отсчета, расплывчатость линии пеленга на экране ЭЛТ и т.д.). Таким образом в процессе измерения координат необходимо учитывать возможные ошибки и условия измерения, так как они непосредственно влияют на точность проводимых измерений. В общем виде структура тракта измерения координат ИРИ представлена на рисунке 2.1[7]:

Рисунок 2.1 - Структура тракта измерения координат ИРИ

Требования к точности измерения координатно-информативного параметра определяются для двух случаев:

а) оценка местоположения в интересах принятия решения старшим начальником на действия своих войск;

б) оценка местоположения в интересах огневого поражения объектов.

Проведем анализ требований к точности по этим критериям.

.1 Оценка местоположения в интересах принятия решения старшим начальником на действия своих войск

Для разделения на местности двух близкорасположенных друг к другу объектов по азимуту необходимо обеспечить выполнение основного требования: " В интересах принятия решения старшим начальником на действия своих войск точность определения местоположения близкорасположенных объектов определяется половиной расстояния между ними". Данное требование отражено на рисунке 2.1.1 и определяется выражением (2.1).

_cк = R/2, (2.1)

где R - расстояние между объектами.

При этом в зависимости от типа звена управления подразделяется:

а) в тактическом звене 1÷3 км;

б) в оперативно-тактическом звене 3÷5 км.

Таким образом, точностные характеристики системы определения местоположения объекта можно оценить радиусом круговой среднеквадратической линейной ошибки (R_cк). Результаты расчетов абсолютной ошибки измерения задержки сигнала в зависимости от звена управления сведены в таблицу 2.2.1.

Рисунок 2.1.1 - Разделение близко расположенных друг к другу объектов

Таблица 2.2.1 - Результаты расчета абсолютной ошибки измерения задержки сигнала

.2 Оценка местоположения в интересах огневого поражения объектов

Точность определения местоположения объектов в интересах огневого поражения определяется радиусом поражения:

_cк ≤ R_пор, (2.2)

где R_пор - радиус поражения.

Данное требование отражено на рисунке 2.2.1.

Рисунок 2.2.1 - Точность определения местоположения в зависимости от радиуса поражения огневыми средствами

Точность местоопределения зависит от радиуса поражения, а так как у орудий огневых средств различные радиусы поражения, то соответственно для каждого из этих средств будет соответствовать своя точность определения местоположения объекта. В таблице 2.2.2 представлены характеристики некоторых поражающих средств.

Таблица 2.2.2 - Виды поражающих средств и их радиусы поражения

Установлено, что разностно-дальномерный метод (РДМ) обладает высокой потенциальной точностью. Местоположение ИРИ с использование разностно-дальномерных систем местоопределения определяется как точка пересечения линий положения, каждая из которых представляет собой гиперболы от двух наземных станций.

Учитывая соотношение для каждой пары [8]:

где σ_τ1 и σ_τ2 - среднеквадратические значения погрешностей измерения параметра положения τ₁ и τ₂, представляющих собой разность моментов прихода сигналов соответственно для первой и второй пары станций;

ψ₁ и ψ₂ - углы, под которыми видны первая и вторая базы системы.

Для среднеквадратического значения радиальной ошибки вычисления местоположения ИРИ получим:

где γ - угол, под которым видна общая база системы.

На рисунке 2.2.2 представлено размещение разностно-дальномерной системы местоопределения на местности имеет следующие исходные данные:

₁₁=15 км; R₂₁=20 км; R₃₁=30 км;

R₁₂=20 км; R₂₂=20 км; R₃₂=25 км;

R₁₃=30 км; R₂₃=20 км; R₃₃=20 км;

Для КП 1: Для КП 2: Для КП 3:

γ = 85◦ γ = 95◦ γ = 70◦

ψ₁= 53◦ ψ₁= 46◦ ψ₁= 46◦

ψ₂= 32◦ ψ₂= 49◦ ψ₂= 24◦

Широкодиапазонная антенна на мачте высотой 12 м.

Отсюда можно перейти непосредственно к определению КИП:

Данные по определению КИП, рассчитанные по формуле (2.6), для точности определения местоположения объектов в интересах огневого поражения сведены в таблицу 2.2.3.

Таблица 2.2.3 - Результаты расчета абсолютной ошибки измерения задержки сигнала

Рисунок 2.2.2 -