Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
21
МІНІСТЕРСТВО ПРОМИСЛОВОЇ ПОЛІТИКИ УКРАЇНИ
Центральний науково-дослідний інститут навігації і управління
МЕТОД ПІДВИЩЕННЯ ЗАВАДОСТІЙКОСТІ ПРИЙОМНИХ ПРИСТРОЇВ НАЗЕМНИХ РАДІОТЕХНІЧНИХ КОМПЛЕКСІВ
КОСМІЧНИХ НАВІГАЦІЙНИХ СИСТЕМ
20.02.11 –засоби та методи військової навігації
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ-2007
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у Національній академії Оборони України, Міністерство оборони України (м. Київ), Національному центрі управління та випробувань космічних засобів (м Євпаторія).
|
Науковий керівник: |
кандидат технічних наук, Моргун Олександр Андрійович, Центральний науково-дослідний інститут навігації і управління (м. Київ), провідний науковий співробітник. |
|
Офіційні опоненти: |
доктор технічних наук, професор, Медведєв Валерій Павлович Центральний науково-дослідний інститут навігації і управління (м. Київ), провідний науковий співробітник; |
|
кандидат технічних наук, старший науковий співробітник, Богомья Володимир Іванович, Київський оперативний центр Національного центру управління та випробування космічних засобів (м. Київ), провідний спеціаліст. |
Захист відбудеться 02.10.2007 р. о 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.876.01 у Центральному науково-дослідному інституті навігації і управління, за адресою 04073, м. Київ, вул. Фрунзе, 160/20.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Центрального науково-дослідного інституту навігації і управління, за адресою: 04073, м. Київ, вул. Фрунзе, 160/20.
Автореферат розіслано 01.09. 2007р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради К26.876.01 В.П. Гарам
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Кардинальні зміни, що відбуваються останніми роками в галузі навігаційних систем торкнулися однієї з їх складових –космічних навігаційних систем. Проголосивши свою незалежність і суверенітет, Україна вирішує комплекс державних задач по побудові перспективних навігаційних систем, що підтверджує прийняття Загальнодержавної (Національної) космічної програми. Головною метою Національної космічної програми є розвиток наземної інфраструктури навігаційних та спеціальних інформаційних систем. При цьому основним завданням є “розробка апаратури та технологій оперативного інформаційного забезпечення безпеки рухомих і віддалених стаціонарних об'єктів за допомогою космічних систем навігації та зв'язку”. Проблемні питання застосування супутникових навігаційних технологій постійно вимагають вдосконалення їх наземного сегменту. У даній роботі досліджуються питання підвищення якості функціонування космічних радіонавігаційних систем і зокрема розробка методу підвищення завадостійкості приймальних пристроїв наземних радіотехнічних комплексів.
Відомо, що вирішення цільових задач космічних навігаційних систем (КНС) залежить від стійкості інформаційного обміну між орбітальним і наземним сегментами системи. Необхідно відзначити, що навігаційне поле (інформаційна мережа) створене між КА і наземними радіотехнічними системами (РТС) постійно зростає. Особливості його побудови і тенденції розвитку сучасних КНС висувають ряд вимог по підвищенню швидкості і точності визначення місцеположення об'єкту. Це пов’язано в першу чергу з якістю прийому сигналів в наземних радіотехнічних комплексах (РТК), одним з основних показників якого є завадостійкість прийому радіосигналів. Проте є ряд критичних чинників, що впливають на якість функціонування РТК, у тому числі, обумовлені середовищем розповсюдження радіохвиль в каналі передачі сигналів між КА і наземним комплексом. Аналіз показує, що основним радіофізичним ефектом, що впливає на розповсюдження радіосигналів в космічних каналах зв'язку (КЗ) є частотно-селективні завмирання в іоносферному шарі атмосфери.
Для вирішення подібного роду задач застосовується комплекс методів і засобів, що включають використання сигналів складної форми з оптимізацією методів їх обробки, побудова спеціального класу антенно-приймальних пристроїв, а також підвищення швидкодії цифрової техніки, яка бере участь в обробці сигналу, що приймається. Одночасно з технічним рішенням даних задач намітилася тенденція до освоєння перспективних діапазонів радіохвиль, включаючи надвисокочастотний діапазон хвиль.
Отже, при проектуванні перспективних космічних навігаційних систем необхідно враховувати вплив іоносферних збурень на розповсюдження радіохвиль.
Проведений аналіз в даній області показав, що питання компенсації (урахування впливу) частотно-селективних завмирань (ЧСЗ) і до теперішнього часу не знайшли достатньо повного відображення в науково-технічній літературі. В реальних умовах функціонування РТС при дії частотно-селективних завмирань в атмосферному шарі вірогідність помилкового прийому радіосигналів істотно підвищується. При цьому виникають завади, викликані нелінійними спотвореннями інформаційного сигналу, методи урахування яких, для випадку модульованих сигналів, у відомій літературі розглянуто недостатньо повно.
Таким чином, вдосконалення приймальних пристроїв радіосистем є однією з важливих умов подальшого розвитку космічних навігаційних систем. Тому можна обґрунтовано затверджувати про наявність актуальної наукової задачі дослідження вирішуваної в дисертаційній роботі –розробка методу підвищення завадостійкості приймальних пристроїв наземних радіотехнічних комплексів космічних навігаційних систем.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Дисертаційна робота виконувалася в рамках Загальнодержавної (Національної) космічної програми України на 2003-2007 рр. Одним з перспективних напрямів досліджень, що проводяться, є вдосконалення існуючих, створення нових навігаційних систем на основі космічних технологій та їх інтеграція.
Автор роботи брав участь у виконанні науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт по темах “Модернізація”, “Центр”, “Управління”, “Мікросупутник”, “Січ-1М”, “Спостереження”, а також в науково-дослідних роботах (НДР), на користь озброєних сил України: “Сузір'я” і “Екліптика”.
Вказані теми НДР і ДКР виконувалися автором в Головному центрі випробувань і застосування космічних систем Міністерства оборони України, Національному центрі управління і випробувань космічних засобів Національного космічного агентства України і в Національній академії оборони України.
Мета і задачі дослідження.
Метою дисертаційної роботи є розробка методу підвищення завадостійкості космічних навігаційних систем (КНС) в умовах збурення іоносфери Землі.
Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі сформульовані і вирішені наступні основні задачі:
Об'єкт дослідження –процес прийому інформації в приймальних пристроях космічних радіонавігаційних систем.
Предмет дослідження –завадостійкість прийомних пристроїв космічних радіонавігаційних систем.
Методи дослідження. Теоретичною базою для вирішення сформульованої задачі є основоположні роботи по теорії статистичних рішень, теорії інформації, теорії завадостійкості, теорій розповсюдження радіохвиль, а також теорій побудови антенних систем і радіоприймальних пристроїв.
Наукова новизна отриманих результатів.
Практична значущість отриманих результатів.
Розроблені в дисертації наукові положення є розвитком методологічних основ для підвищення завадостійкості приймальних пристроїв РТС, що дозволяє підвищити:
Достовірність результатів.
Достовірність наукових і практичних результатів підтверджується результатами експериментальних досліджень завадостійкості приймального пристрою радіосигналу в умовах частотно-селективних завмирань. Наукові результати впроваджені.
Особистий внесок здобувача.
В дисертаційну роботу включені положення, які знайшли своє відображення в 1 опублікованій особисто і 4 в співавторстві роботах в збірниках наукових праць, які входять в перелік видань дозволених ВАК України для публікацій отриманих результатів досліджень по технічним наукам. При цьому особистий внесок автора в спільних роботах полягає:
[1] - розроблено алгоритм оцінки ефективності перспективних космічних радіосистем навігації та зв’язку; [2] - запропоновані шляхи урахування впливу середовища розповсюдження радіохвиль космічних каналів зв’язку; [3] - проведено аналіз основних напрямків підвищення ефективності використання радіотехнічних систем наземного автоматизованого комплексу управління космічними апаратами в умовах збурення іоносфери; [4] - розроблено алгоритм розрахунку завадостійкості прийомних пристроїв навігаційних космічних систем в умовах збурення іоносфери Землі.
Апробація результатів дисертації.
Отримані результати досліджень в ході виконання дисертаційної роботи докладалися на:
Публікації.
Основні результати досліджень опубліковані в 5 статтях в науково-технічних збірниках і доповідалися на 5 міжнародних і міжвідомчих науково-практичних конференціях і семінарах, які опубліковані в тезах доповідей. Матеріали роботи використовувалися в 8 звітах науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт.
Структура і обсяг дисертації.
Дисертація складається з вступу, 4 розділів, загальних висновків, літератури і додатків. Загальний об'єм дисертації складає 143 сторінки машинописного тексту, 17 рисунків на 8 сторінках, 4 таблиці, список використаної літератури - 129 найменувань на 11 сторінках, 4 додатки на 8 сторінках.
Основний зміст роботи
В вступі розкривається актуальність теми дисертації, зв'язок роботи з науковими програмами і планами організацій, поставлені мета й основні наукові задачі досліджень, наукова новизна і практична значимість отриманих результатів. Показано публікації результатів дисертації їхня реалізація й апробація, а також особистий внесок здобувача.
В першому розділі роботи на підставі огляду літератури і аналізу недоліків відомих методів підвищення завадостійкості РТС сформульована загальна наукова задача дисертаційних досліджень і вибрані напрямки її рішення. Обґрунтовуються вимоги до каналу передачі даних і визначається значення імовірності помилкового прийому (не повинна перевищувати Рош≤10-5), що ставить перед розробниками задачу пошуку нових аналітичних методів прогнозування завадостійкості сучасних приймальних пристроїв космічних навігаційних систем в умовах дії збуреної іоносфери.
Проведений аналіз особливостей побудови і функціонування навігаційних систем в умовах збурення іоносфери (ЗІ) Землі. Визначено що, оскільки більшість з них працює в діапазоні дециметрових хвиль, то ці лінії володіють сильною схильністю до атмосферних і вчасності іоносферних ефектів, що супроводжуються збільшенням шумів в антенно-приймальному тракті і зростанням втрат енергії сигналу і, як наслідок, збільшення вірогідності помилки Рош.
У зв'язку з цим в розділі проведено аналіз неоднорідної структури іоносфери Землі, представлені короткі характеристики і відомості про природні збурення і їх джерела. До них відносяться різні прояви Сонячної активності (електромагнітні і корпускулярні збурення, сонячний вітер), а також такі природні явища, як урагани, землетруси, блискавки і т.д. Також здійснено аналітичний огляд основних методів обліку впливу частотно-селективних завмирань (ЧСЗ) на розповсюдження радіохвиль.
Проведено аналіз основних напрямків забезпечення завадостійкості навігаційних космічних систем в умовах трансіоносферного розповсюдження радіохвиль. Показані недоліки традиційного науково-методичного апарату для аналізу завадостійкості РТК космічних навігаційних систем. За результатами проведеного дослідження проводиться аргументована постановка загальної і часткових завдань для досягнення мети роботи.
В другому розділі на основі проведених в першому розділі досліджень можливості підвищення завадостійкості радіотехнічних систем розглядається задача оцінки впливу чинників трансіоносферного розповсюдження радіохвиль на якість функціонування космічних навігаційних систем. Вплив цих чинників виявляється в зміні параметрів електромагнітних хвиль в точці прийому, відповідних зміні параметрів середовища розповсюдження радіохвиль. Так розподіл електронної концентрації (ЕК) іоносфери по висоті z характеризується сукупністю деякого регулярного середнього значення Nеср(z) і випадкових відхилень ЕК в просторі Ne(x,y,z)=Ne(,z) щодо цього середнього
Ne=Nе ср(z)+Ne(,z).
Комплексна модель розподілу ЕК в іоносфері представляється у вигляді сукупності однорідного шару завтовшки zэ з електронною концентрацією Nем і розташованим над ним тонким шаром неоднорідностей з флуктуаціями ЕК, відповідними Nт().
Завадостійкість будь-якого оптимального приймача оцінюється за допомогою функціональної залежності Рош=(h), де h –вхідне відношення енергії сигналу на вході приймача до спектральної щільності перешкод Er/N, яке відповідає відношенню потужностей сигналу (Рс) і перешкоди (Рп) на виході даного приймача
h=Er/N=(Рс/Рп)вих.
Очевидно, що вплив поглинання в іоносфері і їх рефракція приводять до зростання Рош унаслідок зменшення вхідного відношення h=Er`/N в порівнянні із забезпечуваним h=Er/N при ідеальному розповсюдженні радіохвиль:
h=п р h
де п1 –коефіцієнт енергетичних втрат, обумовлений поглинанням радіохвиль в іоносфері;
р1 - коефіцієнт енергетичних втрат, обумовлений неточністю наведення антен через іоносферну рефракцію радіохвиль.
Визначені загальні закономірності впливу послаблюючого і рефракційного чинників трансіоносферного розповсюдження радіохвиль на завадостійкість КНС, які полягають в тому, що збільшення інтегральної середньої ЕК іоносфери Nтср і зменшення несучої частоти fсигналів, що передаються, викликають зменшення відношення сигнал/шум на вході приймача КНС і, як наслідок, - зростання Рош.
Проведений аналіз фазових ефектів, що виникають при трансіоносферному розповсюдженні модульованої хвилі (характеризується наявністю огинаючої і високочастотного заповнення (f) і має кінцеву ширину спектру частот (f)) показав, що прийняті в КНС сигнали схильні до дисперсійних перетворень і завмиранням загального або частотно-селективного типу.
Отримані вирази для визначення завадостійкості РТС в різних умовах. Так, в умовах незбуреної іоносфери і передачі в КНС сигналів з f6 ГГц завмирань сигналів, що приймаються, не відбувається. Тому в даних умовах завадостійкість некогерентного приймача КНС визначатиметься відомим виразом
.
При значному зменшенні несучої частоти відносно 6 ГГц розповсюдження сигналу через іоносферу супроводжується появою невеликих флуктуацій часу затримки ()=і.. Якщо при цьому дотримується умова і1/f, то
,
де =/2b2 відношення регулярної і флуктуаційної складових коефіцієнта передачі КЗ по потужності.
Подальше зростання Nт() при збуренні іоносфери і незмінній частоті сигналу, що передається, f6 ГГц приводить до поступового збільшення потужності флуктуаційної складової коефіцієнта передачі КЗ і відповідного зменшення потужності його регулярної складової. В цьому випадку
.
Ще більш високий ступінь збурення іоносфери або розширення смуги спектру f сигналів, що передаються, в умовах попереднього стану іоносфери призводять до того, що в трансіоносферних КЗ виконуватиметься співвідношення і1/f. Сигнали, що приймаються, в цьому випадку будуть схильні до ЧСЗ, тому завадостійкість некогерентної схеми обробки таких сигналів визначається як
,
де чсз1 –коефіцієнт енергетичних втрат, що виникають при обробці сигналів з ЧСЗ.
Таким чином визначені наступні закономірності впливу чинника розсіювання радіохвиль на неоднорідностях іоносфери на завадостійкість некогерентного приймача КНС: при збільшенні флуктуацій інтегральної ЕК іоносфери Nт(), а також при зменшенні несучої частоти f сигналів, що передаються, і розширенні їх спектру fтип моделі трансіоносферного каналу зв’язку стає складнішим, унаслідок чого при незмінному значенні відношення сигнал/шум величина Рош приймача КНС зростає.
Результати проведеного в розділі 1 дослідження і отримані в розділі 2 результати якісного опису впливу розсіюючих властивостей іоносфери на завадостійкість приймальних пристроїв радіосистем КНС дозволили в третьому розділі розробити метод кількісної оцінки для випадку незбуреної іоносфери.
Описана математична модель розподілу ЕК в незбуреній іоносфері наступними фізичних параметрами:
Проведено обґрунтовування і вибір аналітичного методу розрахунку статистичних характеристик поля хвилі, що приймається, при її трансіоносферному розповсюдженні. Визначено, що найдоцільнішим з погляду простоти і області використання є метод фазового екрану.
Здійснено розвиток даного методу для умов розповсюдження модульованих сигналів та встановлено граничне значення його застосовності
,
при виконанні якого результати розрахунку вказаних характеристик можна вважати достатньо достовірними для прикладних досліджень, а при його порушенні - нижньою межею їх зміни.
У ході досліджень отримані вирази для коефіцієнту втрат, виникаючих при некогерентній обробці сигналів з ЧСЗ:
,
де - смуга когерентності сигналу;
та коефіцієнту , який визначає глибину загальних завмирань прийнятого сигналу, залежно від несучої частоти f сигналу та фізичних параметрів іоносфери через значення дисперсії фази
.
Виявлені закономірності дозволили отримати аналітичне співвідношення для оцінки Рош в каналах зв’язку космічних радіонавігаційних систем при різних типах завмирань одним узагальненим співвідношенням
,
яке відповідно до зміни виду узагальненого параметра трансіоносферного КЗ і співвідношення між величиною і значеннями частотних параметрів сигналів, що передаються, набуває наступний вигляд:
.
.
.
.
Таким чином, в результаті розробленого методу отримано узагальнене аналітичне співвідношення для оцінки Рош при некогерентному прийомі сигналів в космічних радіонавігаційних системах залежно від значень частотних параметрів сигналів, що передаються, і фізичних параметрів іоносфери, що визначають її розсіюючі властивості.
В четвертому розділі представлені результати експериментальних досліджень. Метою проведення практичних досліджень було підтвердження теоретичних положень, приведених в третьому розділі роботи, а також розроблених науково-технічних пропозицій підвищення завадостійкості приймальних пристроїв космічних навігаційних систем.
За допомогою розробленої імітаційної моделі визначені залежності завадостійкості прийомних пристроїв від відношення сигнал/шум (рис. 1) та несучої частоти сигналу (рис. 2) для різних ступіней збурення іоносфери
Землі:
Визначено, що забезпечити необхідні значення завадостійкості радіотехнічних комплексів можливо за умови обліку збурень іоносфери Землі на етапі розробки і експлуатації перспективних космічних навігаційних систем.
d0.1. / :
1 – ,
2 – ,
3 – .
d0.2. :
1 – ,
2 - ,
3 - .
В роботі проведена теоретична і експериментальна оцінка розроблених науково-технічних пропозицій.
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
В роботі відповідно до поставленої мети на основі теоретичних і експериментальних досліджень вирішена важлива науково-технічна задача, пов’язана з теоретичним обґрунтуванням і розробкою методу підвищення завадостійкості прийомних пристроїв на основі прогнозування ймовірності помилки прийому сигналу. Результати, отримані в даній дисертаційній роботі, носять самостійне значення та можуть бути використані як для модернізації, так і при створенні перспективних прийомних пристроїв навігаційних космічних систем.
У процесі виконання дисертаційних досліджень у роботі основними науковими результатами є:
Практичне значення проведених досліджень полягає в наступному:
Достовірність отриманих наукових і практичних результатів дисертаційних досліджень підтверджується відсутністю протиріч відомим положенням теорій нелінійних радіопристроїв, а також відповідності отриманих даних з результатами імітаційного моделювання. Так у ході моделювання був перевірений метод розрахунку завадостійкості в умовах збурення іоносфери Землі. Це дозволило підвищить показники якості функціонування наземних радіотехнічних комплексів.
Основні наукові положення роботи реалізовані в:
У ході виконання дисертаційних досліджень, отримані наукові положення доповідалися та пройшли кваліфікаційну апробацію на 5 науково-технічних конференціях. Основні результати опубліковані в 5 статтях. Матеріали роботи використовувалися в 8 НДДКР.
Результати дисертації можуть бути використані при проектуванні та модернізації прийомних пристроїв радіотехнічних комплексів космічних навігаційних систем.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
АНОТАЦІЯ
Ломоносов С.Є. Метод підвищення завадостійкості приймальних пристроїв наземних радіотехнічних комплексів навігаційних космічних систем. - Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 20.02.11 – засоби та методи військової навігації, - Центральний науково-дослідний інститут навігації і управління. -
Київ, 2007.
Робота присвячена розробці методу підвищення завадостійкості приймальних пристроїв космічних каналів зв'язку і передачі даних на основі аналізу впливу збурень іоносфери землі на параметри сигналів, що передаються.
В дисертації запропонований метод підвищення завадостійкості радіотехнічних комплексів в умовах трансіоносферного розповсюдження хвилі, що приймається, на основі:
- аналітичного методу розрахунку статистичних характеристик поля хвилі, що приймається, при її трансіоносферному розповсюдженні;
- методу встановлення взаємозв'язку фізичних параметрів іоносфери із статистичними параметрами передавальних характеристик трансіоносферного каналу зв'язку та передачі даних;
- науково-методичного апарату обліку впливу розсіюючих властивостей незбуреної іоносфери на завадостійкість космічної навігаційної системи.
Ключові слова: прийомний пристрій, навігаційна система, космічний апарат, завадостійкість, радіохвиля, іоносфера.
АННОТАЦИЯ
Ломоносов С.Е. Метод повышения помехоустойчивости приёмных устройств наземных радиотехнических комплексов космических навигационных систем. - Рукопись.
Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 20.02.11- средства и методы военной навигации, - Центральный научно-исследовательский институт навигации и управления, - Киев, 2007.
Работа посвящена разработке метода повышения помехоустойчивости приёмных устройств космических навигационных систем (КНС) на основе учёта влияния факторов трансионосферного распространения радиоволн в каналах связи и передачи данных.
Анализ особенностей построения и тенденции развития современных КНС выдвигают ряд требований по повышению скорости и точности определения местоположения объекта. Это связано в первую очередь с качеством приема сигналов в наземных радиотехнических комплексах, одним из основных показателей которого является помехоустойчивость приема радиосигналов. Однако имеется ряд факторов, влияющих на качество функционирования РТК, в том числе, обусловленные средой распространения радиоволн в канале передачи сигналов между КА и наземным комплексом.
Определено, что основным радиофизическим эффектом, влияющим на распространение радиосигналов в космических каналах связи являются частотно-селективные замирания в ионосферном слое атмосферы. Следовательно, при проектировании перспективных спутниковых систем необходимо учитывать влияние ионосферных возмущений на распространение радиоволн.
Получены аналитические выражения расчёта характеристик поля принимаемой волны и помехоустойчивости приёмных устройств наземных радиотехнических комплексов в условиях возмущения ионосферы Земли, что позволяет прогнозировать вероятность ошибочного приёма полезного сигнала в различных условиях эксплуатации космических навигационных систем.
Полученные экспериментальные результаты достаточно точно согласуются с расчётными и подтверждают эффективность предложенного метода.
В диссертации предложен метод повышения помехоустойчивости приёмных устройств наземных радиотехнических комплексов космических навигационных систем на основе:
Ключевые слова: приёмное устройство, навигационная система, космический аппарат, помехоустойчивость, радиоволна, ионосфера.
ANNOTATION
Lomonosov S. E. Method of interference immunity receiving devices of the ground radio engineering complexes of the space navigation systems. Manuscript.
It is a Ph. D. Thesis, specialty 20.02.11 - - means and methods of military navigation, is the Central research institute of navigation and management, is Kiev, 2007.
Work is devoted to development of method of increase of antijamming of receiving devices of the space navigation systems (SNS) on the basis of account of influencing of factors of transyonosfering distribution of radio waves of waves of communication and data communication channels.
Perfection of receiving devices of radyosystem is one of important terms of further development of the space navigation systems, that allows grounded to assert about expedience of the use, got in dissertation work of results:
Key words: receiving device, navigation system, space vehicle, immunity, radio wave, ionosphere.