Методи та пристрої обробки радіосигналів інваріантних до порушень працездатності авіаційної системи посадки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ХМЕЛЬНИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 621.396.98

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Методи та пристрої обробки радіосигналів інваріантних до порушень працездатності авіаційної системи посадки

05.12.13 - Радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій

Воловик Андрій Юрійович

Хмельницький - 2010

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у Вінницькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Кичак Василь Мартинович, Вінницький національний технічний університет, директор інституту РТЗП, завідувач кафедри «ТКСТБ».

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Карташов Володимир Михайлович, Харківський національний університет радіоелектроніки завідувач кафедри «Радіоелектронних систем»;

доктор технічних наук, професор Ігнатов Володимир Олексійович, Національний авіаційний університет м. Київ професор кафедри «Телекомунікацій та захисту інформації».

Захист відбудеться «18» лютого 2010 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 70.052.04 у Хмельницькому національному університеті за адресою: 29016, м. Хмельницький, вул. Інститутська, 11.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Хмельницького національного університету за адресою: 29016, м. Хмельницький, вул. Кам'янецька, 110/1.

Автореферат розісланий «15» січня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради канд. техн. наук, доцент Мартинюк В.В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Гарантування безпеки процесу посадки повітряного судна (ПС) являє собою складну технічну задачу. Її актуальність підтверджується усією історією розвитку авіаційної техніки. Більше того, динаміка розвитку посадочних засобів така, що вимоги до точності та надійності процесу посадки завжди випереджали їх технічні можливості. У цьому сенсі сучасні інструментальні системи посадки СП-50, СП-70, ILS та їх модифікації не є винятком. Численні роботи, проведені, головним чином, у колишньому СРСР та США показали, що за допомогою існуючих посадочних систем важко, а іноді і неможливо виконувати посадку ПС за третьою категорією ICAO (International Civil Aviation Organization) з регламентованими показниками надійності, а саме ймовірність льотної пригоди повинна бути не більшою ніж 10^-7. Цим вимогам у повній мірі відповідає система посадки сантиметрового діапазону TRSB (Time Reference Scanning Beam), яка у травні 1978р. була затверджена ICAO в якості міжнародного стандарту на перспективу після 2000 року. Оскільки система посадки TRSB використовує більш високі частоти ніж СП-50, СП-70 та ILS, то численні перешкоди, що пов'язані з топографією району посадки та наявністю аеродромних споруд суттєво послаблюються, проте повністю усунути їх не вдалось. Інтерференція прямого та відбитого сигналів може призводити до падіння рівня корисного сигналу нижчого за припустимий і за таких обставин упевнений прийом сигналів кутових радіомаяків стає неможливим, а в потоці посадочних даних можуть з'являтись випадкові пропуски окремих результатів вимірювань або вони будуть супроводжуватись нечастими аномальними похибками. Окрім того, найбільш вразливим місцем новітньої системи посадки є фазовий канал синхронізації, тому що основна синхроінформація, така як попередній сигнал настроювання бортового радіовимірювального тракту, сигнал початку відліку та код ідентифікації кутової функції передаються одночасно усім ПС за допомогою окремої ненаправленої секторної антени. Це призводить до того, що у дальній зоні дії посадочної системи (у зоні найбільш інтенсивного маневрування ПС з метою заходу на посадку) енергетичні показники вкрай несприятливі, що може бути причиною руйнування цілісності формату радіосигналу у випадкові моменти часу через короткочасну втрату працездатності радіотехнічних засобів.

Таким чином, реальним умовам польоту ПС при виконанні посадочного маневру в більшій мірі відповідає такий режим роботи радіотехнічних засобів, коли у вихідному потоці кутових даних, що надходять у систему автоматичного керування польотом, пілотажно-навігаційний комплекс та індикаторні прилади, присутні випадкові пропуски окремих результатів вимірювань або вони супроводжуються рідкими аномальними похибками. Проте в процесі керування польотом ПС повинна використовуватись виключно достовірна інформація, а тому є актуальною задача розробки таких методів та пристроїв оцінювання кутових координат ПС, які поєднують високу точність та достовірність отриманих оцінок з підвищеною стійкістю до комплексу можливих порушень працездатності радіотехнічних засобів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основний зміст дисертаційної роботи складають результати досліджень, які проводились протягом останніх років відповідно до наукового напрямку кафедри телекомунікаційних систем і телебачення Вінницького національного технічного університету, у яких автор приймав участь як виконавець окремих розділів держбюджетних тем: 1. Розробка основ теорії цифрового оброблення високочастотних сигналів в радіотехнічних та телекомунікаційних системах. Номер державної реєстрації - 0105 U 002 415. 2. Розробка основ теорії цифрового оброблення над широкосмугових сигналів. Номер державної реєстрації - 0108 U 000 658.

Експериментальна частина була виконана під час стажування автора при інженерній академії ім. А.Ф. Можайського за програмою підвищення кваліфікації.

Мета та завдання дослідження. Метою роботи є підвищення стійкості кутомірного каналу системи посадки сантиметрового діапазону до широкого класу неполадок шляхом застосування спеціальних високоточних методів обробки радіосигналів та алгоритмів дискретної фільтрації, які гарантують високу достовірність оцінювання кутових координат ПС.

Для досягнення мети в дисертаційній роботі вирішені такі задачі:

– виконано аналіз архітектури системи посадки сантиметрового діапазону, структури радіотехнічних засобів, надмірності формату сигналу для пошуку резервів підвищення точності та достовірності первинних вимірювань кутових координат ПС у широкому діапазоні співвідношень сигнал-шум ;

– виявлено джерела нестабільності в роботі радіотехнічних засобів системи посадки і обґрунтувати необхідність застосування спеціальних методів обробки радіосигналів для зменшення негативного впливу неполадок на точність та достовірність оцінювання кутових координат;

– розроблено спеціальні методи обробки радіосигналів, які не погіршують точність вимірювань за нормальних умов, а за наявності неполадок здатні гарантувати високу достовірність отриманих оцінок шляхом розширення функціональних можливостей класичних методів обробки сигналів;

– уточнено математичну модель динамічних змін у часі кутових координат ПС при виконанні ним посадочного маневру і на основі цієї моделі методом Калмана синтезовано оптимальну структуру пристрою оцінювання кутових координат, яка використовувалась у якості порівняльного еталону;

– удосконалено математичну модель кутомірного каналу, яка допускає наявність різноточних первинних вимірювань, причому неполадки у тракті радіовимірювань можуть розглядатись як окремий випадок цієї моделі;

– розробити метод аналізу процесу, який описує динаміку розповсюдження аномальних похибок у дискретному фільтрі Калмана, обумовлених наявністю збоїв у роботі оперативної пам'яті;

– запропоновано інженерну методику реалізації цифрових пристроїв обробки результатів кутових вимірювань, обчислювальне ядро яких рівномірно захищено від широкого спектру неполадок.

Об'єкт дослідження - процеси перетворення інформативних сигналів у кутомірному каналі системи посадки сантиметрового діапазону за наявності неполадок.

Предмет дослідження - спеціальні методи обробки сигналів, які мають підвищену стійкість до широкого класу неполадок у роботі кутомірного каналу системи посадки сантиметрового діапазону та комплекс системних заходів, що сприяють підвищенню достовірності посадочних даних та зменшують негативний вплив неполадок на точність оцінювання кутових координат повітряного судна.

Методи досліджень. Для опису динамічних процесів у термінах методу простору станів використовувались елементи векторно-матричної алгебри. Синтез пристроїв обробки сигналів виконувався на основі теорії оптимальної дискретної фільтрації марківських випадкових процесів. Експериментальні дослідження виконувались методом статистичного моделювання з застосуванням цифрових ЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в подальшому розвитку теоретичних засад побудови математичних моделей та методів синтезу пристроїв обробки потоку первинних вимірювань кутових координат ПС, які мають підвищену стійкість до широкого класу неполадок у кутомірному каналі системи посадки сантиметрового діапазону та комплекс системних заходів, що гарантують регламентовану достовірність посадочних даних, їх цілісність та зменшують негативний вплив неполадок на точність оцінювання кутових координат. В роботі отримані такі наукові результати:

1. Вперше розроблено метод синтезу квазіоптимальних дискретних фільтрів, який на відміну від відомих використовує принцип апроксимації часових залежностей елементів матриці передачі фільтра Калмана функціями одиничного стрибка за критерієм найменших квадратів, що дає можливість підвищити швидкодію фільтрів та спростити їх структуру за рахунок незначного погіршення точності оцінювання порівняно з фільтром Калмана.

2. Вперше запропоновано метод аналізу динаміки поширення аномальних похибок у дискретному фільтрі Калмана за наявності збоїв у роботі оперативної пам'яті, який на відміну від відомих дає змогу виявляти в пристроях фільтрації найбільш вразливі місця щодо наслідків збоїв, а також прогнозувати їх вплив на подальшу точність оцінювання кутових координат.

3. Удосконалено математичну модель динаміки зміни у часі кута місця ПС, яка на відміну від відомих результатів враховує не тільки тактико-технічні характеристики, а також особливості режиму польоту ПС на окремих ділянках посадочної траєкторії.

4. Удосконалено математичну модель кутомірного каналу, яка допускає наявність кутових вимірювань різної точності і розширює функціональні можливості радіотехнічних пристроїв обробки сигналів за рахунок введення в класичну модель спеціальної індикаторної змінної. Зокрема, неполадки кутомірного каналу можуть розглядатись як окремий випадок цієї моделі.

5. Подальшого розвитку дістали теоретичні засади оптимальної дискретної фільтрації у тій частині, що стосуються квазіоптимальних методів обробки потоку первинних кутових вимірювань за умови апріорної невизначеності щодо функціонального стану кутомірного каналу. На основі зроблених уточнень та доопрацьованої математичної моделі кутомірного каналу з неполадками синтезовано низку квазіоптимальних пристроїв обробки, які мають різну швидкодію та ефективність в залежності від доступної апріорної інформації. Показано, що невід'ємною складовою частиною вдосконалених пристроїв обробки є фільтр Калмана, проте на відміну від пристроїв синтезованих класичними методами, він охоплюється колом зворотного зв'язку, вихідний сигнал якого керує величиною матричного коефіцієнта передачі фільтра в залежності від поточного значення величини апостеріорної ймовірності справного стану кутомірного каналу.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці структурних схем низки спеціальних пристроїв обробки результатів кутових вимірювань та алгоритмів їх роботи, які забезпечують регламентовану ICAO точність бортових вимірювань (у = 0.02⁰) та їх достовірність на рівні 0.95, а також сприяють збереженню цілісності інформаційних даних у процесі виконання посадки ПС. В роботі отримані такі практичні результати:

1. Запропонована та захищена патентом України корисна модель структури бортового пристрою для обробки кутової інформації у радіотехнічній системі посадки, яка здатна забезпечити точність кутових вимірювань від трьох до п'яти разів вищу за регламентовану ICAO шляхом використання мікро-ЕОМ з каналом прямого доступу до оперативної пам'яті та більш складного методу фіксації характерної точки сигнального імпульсу.

2. Набула практичного значення низка квазіоптимальних цифрових фільтрів спрощеної структури та підвищеної швидкодії, в основу роботи яких покладено запропонований автором метод апроксимації часових залежностей елементів матриці передачі фільтра Калмана функціями одиничного стрибка за критерієм найменших квадратів. Визначено найкращий варіант апроксимації, що дозволило за рахунок 30-40% втрат точності у перехідному режимі порівняно з фільтром Калмана скоротити число арифметичних операцій в 5-6 разів, об'єму пам'яті - до двох раз, що еквівалентно зростанню обчислювальної потужності процесора щонайменше у 3-3,5 рази. Запровадження цього результату на підприємстві КП «Аеропорт Вінниця» дозволило підвищити оперативність обробки посадочних даних, а також зменшити психологічне навантаження обслуговуючого персоналу.

3. Запропоновані квазіоптимальні нелінійні фільтри, які мають підвищену стійкість до неполадок радіовимірювального тракту. Вони реалізовані програмно і знайшли практичний попит. Зокрема, найкращий варіант побудови такого фільтра використовує безінерційну процедуру стробування результатів поточних вимірювань і при 30-40% втратах точності порівняно з оптимальним нелінійним фільтром має переваги у числі операцій множення та ділення в 1,61 та 3,72 рази відповідно, за числом операцій додавання (віднімання) - 2,15 рази, за часом обчислень більш ніж у 4,45 рази, за об'ємом пам'яті в 1,36 рази. Він пройшов перший етап випробовувань на апаратурі радіолокаційної системи посадки. Результати випробовувань підтвердили його працездатність та ефективність. Оскільки запропоновані фільтри мають більш широку сферу застосування ніж системи посадки, наприклад, системи керування повітряним рухом, попередження зіткнень, визначення взаємних координат, то підприємство КП «Аеропорт Вінниця» і надалі планує використання отриманих результатів в процесі освоєння та впровадження нової техніки.

4. Практичне значення результатів напівнатурних випробовувань полягає в наступному:

– показано, що одним з ймовірних джерел аномальних похибок кутових вимірювань у системі TRSB є ФАПЧ бортового кутомірного каналу, пристрої декодування основного синхросигналу системи - коду Баркера та коду ідентифікації команд наведення;

– використання оптимальних порогів спрацьовування логарифмічного ППЧ у межах 0.4?0.6 при відношеннях сигнал / шум на вході не менших ?3дБ та розладнаннях у межах ±8кГц може забезпечити до 85% правильних декодувань коду Баркера та коду ідентифікації команд наведення, що дозволяє визначати діапазон віддалей, у якому похибки одиничних вимірювань кутових координат не виходять із заданих меж з заданою вірогідністю.

5. Запропонована інженерна методика побудови цифрових пристроїв обробки посадочних даних, обчислювальне ядро яких рівномірно захищено від комплексу можливих неполадок кутомірного каналу.

Основні наукові результати знайшли впровадження на підприємстві КП «Аеропорт Вінниця». Відповідні акти наведені в додатках.

Результати дисертаційної роботи використовуються в дисциплінах «Радіотехнічні системи», «Цифрові пристрої та мікропроцесори» для студентів спеціальностей 7.09001 - «Радіотехніка», 7.09003 - «Апаратура радіозв'язку, радіомовлення та телебачення».

Достовірність основних теоретичних положень і висновків підтверджена задовільною збіжністю з результатами напівнатурного експерименту, а коректність системи припущень контролювалась у процесі статистичного моделювання за методом Монте-Карло.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати дисертаційної роботи отримані автором одноосібно. У роботах, опублікованих у співавторстві авторові належать: ідея використання мікро-ЕОМ з каналом прямого доступу до оперативної пам'яті в якості елемента структури бортового вимірювача кутових координат ПС та розробка відповідного інтерфейсу [10]; структура квазіоптимального нелінійного фільтра, який рівномірно захищений від широкого класу неполадок [2,7,12]; уточнення математичної моделі динаміки зміни кута місця ПС у процесі заходу на посадку [4]; аналіз резервів підвищення точності та достовірності первинних вимірювань кутових координат ПС у системі посадки за стандартом TRSB [6,9,14]; основні теоретичні та експериментальні результати [1,3,5-6].

Апробація результатів. Основні положення дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на 6 науково-технічних та науково-практичних конференціях міжнародного та відомчого рівнів, у тому числі: 1. Матеріали ІІ МНПК «Сучасні наукові дослідження - 2006.».Технічні науки. Том 14. Дніпропетровськ.2006. 2. Материалы МНТК «Современные направления теоретических и прикладных исследований '2007». Том 4. Технические науки. -Одесса, 2007. 3. Матеріали 1 МНК «Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та приладобудування (СПРТП-2005)».-Вінниця, 2005. 4. Матеріали 8 МНК « Контроль і управління в складних системах » (КУСС - 2005).Вінниця, 2005. 5. Матеріали 11 МНК «Сучасні проблеми мікроелектроніки, радіоелектроніки, телекомунікацій та приладобудування » ( СПРТП-2006). Вінниця, 2006. 6. Матеріали ІІІ МНК «Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та приладобудування (СПРТП-2007). Вінниця , 2007.

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи висвітлені у 16 наукових публікаціях, зокрема 9 статтях у фахових журналах, що входять до переліку ВАК України, 6 статтях у збірниках матеріалів і тезах науково-технічних конференцій та одному патенті України на корисну модель.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків по роботі, додатків та списку використаних джерел. Загальний обсяг дисертації складає 201 сторінку, основний зміст викладено на 152 сторінках друкованого тексту, який містить 65 рисунків і 6 таблиць. Список використаних джерел складається з 142 найменувань на 14 сторінках. Додатки на 35 сторінках містять окремі фрагменти математичних викладок, частину результатів моделювання та акти впровадження результатів роботи.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи та необхідність розробки спеціальних пристроїв дискретної фільтрації з підвищеною стійкістю до широкого класу неполадок кутомірного каналу за критерієм точність - достовірність - апаратурні та програмні затрати. Визначена наукова новизна та практична значимість отриманих результатів, підкреслено зв'язок з науковими програмами, творчий внесок автора, представлена анотація розділів дисертаційної роботи та результати апробації.

Перший розділ присвячено питанням аналізу резервів підвищення точності та достовірності первинних вимірювань кутових координат ПС у системі посадки сантиметрового діапазону. На основі аналізу архітектури системи посадки та формату сигналу показано, що достовірність первинних вимірювань кутових координат ПС можливо підвищувати за рахунок ведення контролю за деякими параметрами, наприклад, симетрії кутових сигнальних імпульсів «тудиназад» відносно середини сектора сканування. Використання відповідного алгоритму контролю практично виключає можливість неправильної ідентифікації кутових даних, але за рахунок збільшення ймовірності пропусків окремих вимірювань. З посиланням на експериментальні дослідження, показано що основним джерелом аномальних похибок вимірювань кутових координат у системі посадки сантиметрового діапазону є збої у роботі схем декодування коду Баркера (основного синхросигналу бортового комплексу) та коду ідентифікації команд наведення. Показано, що одним з можливих резервів підвищення достовірності первинних вимірювань кутових координат є висока частота оновлення кутових даних та їх жорстка часова прив'язка до низки інформаційних імпульсів відносно початку відліку формату сигналу. Дана оцінка потенційної точності кутомірного каналу системи посадки, показано що регламентована ICAO середньоквадратична похибка вимірювань кутових координат на рівні = 0.02⁰ (після згладжування) може бути досягнута при відношенні сигнал / шум на вході бортового радіоканалу не меншого 9дБ, при цьому дисперсія похибок первинних вимірювань повинна бути не більшою 3610^-4 (град.)². Запропонована та захищена патентом України структура бортового вимірювача кутових координат ПС, підвищена точність якого забезпечується за рахунок введення апаратної та аналітичної надмірності, а саме використання мікро-ЕОМ з каналом прямого доступу до оперативної пам'яті і більш складного механізму фіксації характерної точки сигнального імпульсу. радіотехнічний цифровий калман

У другому розділі основна увага зосереджена на аналізі точності спрощених пристроїв дискретної фільтрації, орієнтованих на використання бортової мікро - ЕОМ за умови наявності повної апріорної інформації про динамічну модель зміни у часі кута місця ПС та статистичних характеристик діючих збурень та завад. На основі аналізу особливостей руху ПС у вертикальній площині в процесі виконання посадочного маневру показано, що:

- динаміка зміни у часі кута місця ПС з достатньою для практичних потреб точністю може бути описана рівнянням другого порядку, а випадкові прискорення, які пов'язані з дестабілізуючими факторами, у першому наближенні можна врахувати введенням білого гауссового шуму w(k)

x(k+1) = A(k+1,k) x(k) + B(k+1,k) w(k), (1)

де x^Т(k) = [ x₁ (k), x₂ (k) ] ^T - значення кута місця ПС та швидкості його зміни у поточний момент часу k, відповідно,

A(k+1, k) = , B^Т(k+1, k) = [ 0 1]^T - системні матриці;

Т - інтервал дискретизації;

- модель каналу спостережень доцільно описувати різницевим рівнянням першого порядку з припущенням, що похибки первинних вимірювань n(k+1) статистично незалежні і розподілені за нормальним законом

y(k+1) = C(k+1) x(k+1) + n(k+1), (2)

де y(k+1) - результати первинних бортових вимірювань кута місця ПС, а C^Т(k+1) = [1 0] - матриця спостережень;

- окрім того, з фізичних міркувань, є підстави вважати, що гауссові білі послідовності w(k), n(k+1) статистично незалежні, мають нульові середні значення та апріорно задані кореляційні матриці Q(k), R(k+1), відповідно.

За таких умов оптимальним пристроєм вторинної обробки результатів спостережень є дискретний фільтра Калмана. Проте практична реалізація обчислень у відповідності з методом Калмана, при високому темпі оновлення посадочних даних, наштовхується на суттєві труднощі, пов'язані головним чином з значними затратами об'єму оперативної пам'яті та лічильного часу.

З метою економії обчислювальних ресурсів запропонована низка квазіоптимальних процедур оцінювання кута місця ПС, в основу яких покладена ідея апроксимації часових залежностей елементів матриці передачі фільтра Калмана кусочно-постійними функціями за методом найменших квадратів. Показана перевага найкращої квазіоптимальної процедури фільтрації, яка за рахунок 30-40% втрат точності порівняно з фільтром Калмана (що є припустимим) дозволила скоротити число арифметичних операцій, приблизно, у 4-5 разів, об'єм апаратурних затрат - у 1,8 рази. При цьому продуктивність процесора, яка оцінювалась добутком часу виконання арифметичних та логічних операцій на об'єм оперативної пам'яті, збільшилась, щонайменше, у 3-3,5 рази.

У третьому розділі детально розглянуті питання синтезу спеціальних оптимальних та квазіоптимальних нелінійних пристроїв дискретної фільтрації з підвищеною стійкістю до порушень працездатності кутомірного каналу у системі посадки сантиметрового діапазону. Порушення працездатності кутомірного каналу запропоновано описувати математичною моделлю

y(k+1) = C(k+1) x(k+1) + и(k+1) n(k+1), (3)

де и(k+1) - випадкова послідовність, яка описує статистичні властивості можливих неполадок. У випадку справного стану радіоканалу и(k+1)=1, похибки первинних вимірювань визначаються апріорно заданою кореляційною матрицею шумів каналу спостережень R(k+1). Випадкові зникання корисного сигналу можуть призводити до появи хибного відліку кутової координати ПС усередині стробованого часового інтервалу. В першому наближенні їх можна враховувати раптовим зростанням дисперсії шумів спостережень до величини ²R(k+1) (де »1). Така ситуація характерна, наприклад, для неполадок обумовлених рідкими збоями у роботі контрольного виявлювача, робочих лічильниках, впливом хаотичної імпульсної завади великої потужності, неполадками передавальних трактів, тривалими завмираннями корисного сигналу та тощо. У зв'язку з тим, що безпосереднє застосування методів оптимальної дискретної фільтрації для обробки малодостовірних результатів спостережень утруднено через неповноту апріорних даних про функціональний стан кутомірного каналу, то оптимізація процесу обробки виконувалась на основі пошуку більш складних методів фільтрації. У основу такого пошуку покладено залучення принципів адаптивного прийому та вирішення задачі одночасного оцінювання параметрів корисного сигналу і функціонального стану кутомірного каналу у реальному масштабі часу, тобто у рекурентній формі. З використанням баєсівської методології при заданих математичних моделях динаміки фільтрованого параметру та ненадійного кутомірного каналу показано, що для точного обчислення оптимальної поточної оцінки x^*₀(k+1/k+1), яка мінімізує баєсівський ризик необхідно на кожному кроці обчислювати зважену суму 2^к+1 часткових оцінок вектора стану x(k+1). Для великих k це призводить до процедури оцінювання, яку неможливо реалізувати практично через обмеженість об'єму оперативної пам'яті процесора. З метою отримання прийнятних виразів для поточної оцінки x^*₀(k+1/k+1) введено припущення, що на кожному кроці апостеріорна густина розподілу ймовірностей f[x(k+1)/Y₁^k] апроксимується гауссовою тоді поточну оцінку x^*(k+1/k+1) можна представляти у вигляді зваженої суми часткових оцінок

x^*(k+1/k+1) = x^*₁(k+1/k+1) p[и(k+1)=1 / Y₁^k+1] + x^*_у(k+1/k+1) p[и(k+1)=у / Y₁^k+1]. (4)

Кожна з таких оцінок може бути обчислена за допомогою відповідного модельно-умовного фільтра Калмана. При цьому, як кореляційна матриця похибок фільтрації, що характеризує поточну точність процедури оцінювання, так і вагові співмножники p[и(k+1)=1 / Y₁^k+1], p[и(k+1)=у / Y₁^k+1] можна знаходити у темпі надходження результатів спостережень, тобто рекурентно

P(k+1/k+1) = ? {P_n(k+1/k+1) + [x^*_n(k+1/k+1) - x^*(k+1/k+1)] [x^*_n(k+1/k+1) -n=1 x^*(k+1/k+1)] ^T} • p[и(k+1)=n / Y₁^k+1], n=1,. (5)

Оскільки кореляційна матриця похибок фільтрації (5) залежить від результатів поточних спостережень, то у цілому пристрій фільтрації (4) - (5) є нелінійним. Показано, що даний фільтр зберігає працездатність і в тому випадку, коли відсутня апріорна інформація про ймовірність справного стану каналу спостережень. Проте, використання принципів адаптивного прийому потребує значних затрат обчислювальних ресурсів. Це пояснюється тим, що у процесі рекурентних обчислень в оперативній пам'яті процесора окрім поточних параметрів необхідно зберігати ще й дискретну функцію розподілу ймовірностей справного стану каналу спостережень. Надмірна складність оптимальних та адаптивних пристроїв створюють проблему їх практичної реалізації, тому у подальшому головна увага приділялась побудові субоптимальних пристроїв нелінійної дискретної фільтрації, які мають підвищену стійкість до неполадок у кутомірному каналі, але в меншій мірі. Використання обмеження, що величина »1 дозволило запропонувати спрощену процедуру нелінійної фільтрації первинних вимірювань кутових координат ПС, практична реалізація якої можлива на основі використання дискретного фільтра Калмана з вирішальним колом зворотного зв'язку. Вихідний сигнал кола зворотного зв'язку являє собою апостеріорну ймовірність справного стану кутомірного каналу і керує величиною матричного коефіцієнта передачі фільтра Калмана. При цьому поточна субоптимальна оцінка та кореляційна матриця похибок оцінювання обчислюються рекурентно, тобто у темпі надходження посадочних даних.

x^*(k+1/k+1) = A(k+1,k) x^*(k/k) + K_М(k+1) [y(k+1) - C(k+1) A(k+1,k) x^*(k/k)], {1- p[и(k+1)=1 / Y₁^k+1] (6)

P(k+1/k+1) ? P(k+1/k) - K_М(k+1) C(k+1) P(k+1/k) + K_M(k+1) L(k+1) K_M^T(k+1); (7)

де L(k+1) = [y(k+1) - C(k+1) A(k+1,k) x^*(k/k)] [y(k+1) - C(k+1) A(k+1,k) x^*(k/k)]^Т;

K_M(k+1) = p[и(k+1)=1 / Y₁^k+1] P₁(k+1/k+1) C(k+1) R^-1(k+1) - модифікована матриця передачі калманівського фільтра.

Для нормальних умов ця процедура є оптимальною, тому що величина сигналу керування і поточна оцінка обчислюється у відповідності до методу Калмана. Коли у каналі спостережень є неполадки, сигнал керування стає нульовим і фільтр обмежується обчисленням лише екстрапольованих оцінок, не використовуючи при цьому результатів малодостовірних поточних вимірювань. Суттєвим недоліком даної процедури є складність обчислення сигналу керування, що може призводити до запізнювання сигналу корекції матричного коефіцієнта передачі. У деяких випадках це недопустимо. Апроксимація апостеріорних густин розподілу ймовірностей f [у(k+1) / Y₁^k, и(k+1)=n], n=1, рівномірними дозволила отримати безінерційну процедуру обчислення сигналу керування. Вона звелася до фіксації факту потрапляння поточного результату спостереження до вузького або широкого математичного стробу, ширина якого визначається поточною середньоквадратичною похибкою оцінювання і тому являє собою величину змінну.

Ефективність запропонованих пристроїв дискретної фільтрації оцінювалась методом статистичного моделювання за критерієм точність-достовірність - апаратурно-програмні витрати. Результати порівняльного аналізу наведені у таблиці 1.

Таблиця 1 Затрати обчислювальних засобів на один такт роботи пристроїв фільтрації підвищеної стійкості до неполадок

У четвертому розділі досліджені похибки оптимальних та квазіоптимальних пристроїв дискретної фільтрації, обумовлених обмеженою надійністю апаратних засобів, призначених для їх практичної реалізації. На основі аналізу літературних джерел виявлено, що у загальному потоці несправностей, які супроводжують режим нормальної роботи мікро - ЕОМ, питома вага збоїв у пам'яті та інших неполадок, що у першому наближенні зводяться до них, складає більше половини. У зв'язку з цим, слід звернути увагу на відпрацювання методики захисту розроблених та реалізованих на мікро - ЕОМ процедур фільтрації від випадкових збоїв у пам'яті. Результати аналізу похибок рекурентних фільтрів першого та другого порядку за наявності збоїв у комірках оперативної пам'яті, де зберігаються значення матричного коефіцієнта передачі, показали, що

- обмежена надійність комірок пам'яті може призводити до утворення аномальних похибок у оцінках кута місця ПС, які більш ніж на порядок перевищують похибки фільтра, який працює за умов відсутності збоїв;

- точність оцінювання кута місця ПС фільтрами другого порядку несуттєво залежить від збоїв комірок пам'яті, де зберігаються значення коефіцієнта передачі фільтра за швидкістю, у той же час випадкові спотворення коефіцієнта передачі фільтра за положенням є основним джерелом аномальних похибок оцінювання не тільки кута місця ПС, а і швидкості його зміни.

Методом статистичного моделювання показано, що реалізовані у повноформатному режимі роботи, пристрої дискретної фільтрації мають самокоректувальні властивості. Завдяки цьому забезпечуються кращі якісні показники порівняно з тим варіантом реалізації фільтра, коли значення матричного коефіцієнта передачі обчислюються лише на основі апріорних даних і заносяться у запам'ятовуючий пристрій. Перевага першого варіанту реалізації фільтра оцінюється скороченням часу відновлення нормальної працездатності приблизно у два-три рази.

Проведено дослідження якісних показників фільтрів Калмана першого та другого порядку за умови наявності збоїв у комірках пам'яті, де зберігаються поточні або екстрапольовані оцінки кутових координат. Виявлені найбільш вразливі місця з точки зору наслідків збою, який трапився. Такими місцями є спотворені значення екстрапольованих оцінок кута місця, у той же час збої у оцінках швидкості зміни кута місця мало впливають на точність оцінювання кутових координат ПС. Показано, що фільтр Калмана по відношенню до вказаних збоїв втрачає самокоректувальні властивості, тому дисперсія похибок оцінювання може перевищувати відповідні похибки фільтра Калмана, який працює за нормальних умов, на два-три порядки, а час відновлення нормальної працездатності може досягати шістдесяти і більше робочих циклів. Зменшити вплив збоїв у комірках пам'яті до прийнятного рівня (наприклад, обмежити кореляційну матрицю похибок оцінювання величиною допускової області (1,5-2,0) Р₀(к/к), де Р₀(к/к) - кореляційна матриця похибок оцінювання фільтра Калмана, який працює за умов відсутності збоїв) можливо за рахунок значного підвищення надійності оперативної пам'яті. При цьому, як показали результати попередніх розрахунків, ймовірність збою окремого розряду не повинна перевищувати величину 10^-7-10^-8, що потребує апаратного резервування, відповідного ступеня, застосування мажоритарних схем, аналітичної надмірності та тощо. На основі проведених досліджень та відпрацьованої інженерної методики рекомендована структура субоптимального нелінійного фільтра з рівномірним ступенем захисту до широкого класу неполадок, а саме аномальних похибок первинних вимірювань кута місця ПС, раптових зникань корисного сигналу у каналі спостережень, випадкових збоїв у екстраполяторі фільтра, випадкових спотворень значень матричного коефіцієнта передачі.

У п'ятому розділі дисертаційної роботи представлені результати напів- натурних випробовувань фазового каналу синхронізації бортового приймально-вимірювального тракту системи посадки TRSB, до складу якого входять система ФАПЧ, схеми декодування п'ятирозрядного коду Баркера та коду упізнавання команд наведення. Метою напівнатурних випробовувань було: зібрання статистичних даних про ймовірність втрати синхронізації кутомірним каналом під впливом флуктуаційного шуму та імпульсних перешкод при різних відхиленнях проміжної частоти відносно її номінального значення 23.01 МГц та величини нормованого порогу спрацьовування; оцінювання адекватності математичної моделі, яка описує роботу каналу кутових вимірювань з можливими порушеннями працездатності; оцінка ефективності запропонованих пристроїв та можливості їх практичного використання.

Втрати синхронізації кутомірним каналом контролювались за допомогою відповідного інтерфейсу. Процедура перевірки зводилась до фіксації попадань декодованих імпульсів коду Баркера та коду упізнавання команди наведення по азимуту у спеціально сформований строб-імпульс, тривалість якого дорівнювала 66.6 мкс., що відповідало точності декодування ±0.5 розряду. Результати випробовувань оброблялись на ЕОМ, при цьому об'єм вибірки складав 1000 точок відліків. Вони, частково, наведені на рис. 1, де показана залежність ймовірності втрати синхронізації азимутальним каналом від відношення сигнал / шум на вході логарифмічного підсилювач проміжної частоти (ППЧ), величини нормованого порогу та розладнання ППЧ відносно номінальної проміжної частоти.

Рис. 1. Залежність ймовірності зриву синхронізації кутомірного каналу від: а) - відношення сигнал/шум на вході ППЧ;

Аналіз графіків показує, що величина нормованого порогу, при якому ймовірність хибних декодувань мінімальна знаходиться у межах 0.4?0.6. Як видно з рис.1, використання оптимальних порогів при відношеннях сигнал/шум не більших ?3дБ та розстрочках ППЧ у межах ± 8кГц може забезпечити до 85% правильних декодувань. Отримані результати лягли в основу апріорних даних, які брались до відома при проектуванні та статистичному моделюванні пристроїв фільтрації підвищеної стійкості до порушень працездатності кутомірного каналу посадочної системи сантиметрового діапазону.

Висновки

Комплексне використання надміру аналітичних та програмно-апаратних засобів сучасних мікропроцесорних пристроїв є перспективним напрямком підвищення точності, контролю достовірності та цілісності посадочних даних у процесі їх вторинної обробки на шляху побудови високонадійної системи посадки сантиметрового діапазону. Успішний розвиток цього напрямку невід'ємно пов'язаний з розробкою пристроїв дискретної фільтрації, інваріантних до комплексу можливих неполадок за умови жорстких конструктивних, експлуатаційних, економічних та інших обмежень, що пред'являються до бортової навігаційної апаратури. В процесі розв'язання поставленої задачі в дисертаційній роботі було отримано низку нових наукових та практично значимих результатів. Основними науковими результатами є:

1. Розроблено метод синтезу квазіоптимальних дискретних фільтрів, який на відміну від відомих використовує принцип апроксимації часових залежностей елементів матриці передачі фільтра Калмана функціями одиничного стрибка за критерієм найменших квадратів, що дає можливість підвищити швидкодію фільтрів та спростити їх структуру за рахунок незначного погіршення точності оцінювання порівняно з фільтром Калмана.

2. Запропоновано метод аналізу динаміки поширення аномальних похибок у дискретному фільтрі Калмана за наявності збоїв у роботі оперативної пам'яті, який на відміну від відомих дає змогу виявляти в пристроях фільтрації найбільш вразливі місця щодо наслідків збоїв, а також прогнозувати їх вплив на подальшу точність оцінювання кутових координат.

3. Удосконалено математичну модель динаміки зміни у часі кута місця ПС, яка на відміну від відомих результатів враховує не тільки тактико-технічні характеристики, а також особливості режиму польоту ПС на окремих ділянках посадочної траєкторії.

4. Удосконалено математичну модель кутомірного каналу, яка допускає наявність кутових вимірювань різної точності і розширює функціональні можливості радіотехнічних пристроїв обробки сигналів за рахунок введення в класичну модель спеціальної індикаторної змінної. Зокрема, неполадки кутомірного каналу можуть розглядатись як окремий випадок цієї моделі.

5. Подальшого розвитку дістали теоретичні засади оптимальної дискретної фільтрації у тій частині, що стосуються квазіоптимальних методів обробки потоку первинних кутових вимірювань за умови апріорної невизначеності щодо функціонального стану кутомірного каналу. На основі зроблених уточнень та доопрацьованої математичної моделі кутомірного каналу з неполадками синтезовано низку квазіоптимальних пристроїв обробки, які мають різну швидкодію та ефективність в залежності від доступної апріорної інформації. Показано, що невід'ємною складовою частиною вдосконалених пристроїв обробки є фільтр Калмана, проте на відміну від пристроїв синтезованих класичними методами, він охоплюється колом зворотного зв'язку, вихідний сигнал якого керує величиною матричного коефіцієнта передачі фільтра в залежності від поточного значення величини апостеріорної ймовірності справного стану кутомірного каналу.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці структурних схем низки спеціальних пристроїв обробки результатів кутових вимірювань та алгоритмів їх роботи, які забезпечують регламентовану ICAO точність бортових вимірювань (у = 0.02⁰) та їх достовірність на рівні 0.95, а також сприяють збереженню цілісності інформаційних даних у процесі виконання посадки ПС.

В роботі отримані такі практичні результати:

1. Запропонована та захищена патентом України корисна модель структури бортового пристрою для обробки кутової інформації у радіотехнічній системі посадки сантиметрового діапазону, яка здатна забезпечити точність кутових вимірювань від трьох до п'яти разів вищу за регламентовану ICAO шляхом використання мікро-ЕОМ з каналом прямого доступу до оперативної пам'яті та більш складного методу фіксації характерної точки кутового сигнального імпульсу.

2. Набула практичного значення низка квазіоптимальних цифрових фільтрів спрощеної структури та підвищеної швидкодії, в основу роботи яких покладено запропонований автором метод апроксимації часових залежностей елементів матриці передачі фільтра Калмана функціями одиничного стрибка за критерієм найменших квадратів. Визначено найкращий варіант апроксимації, що дозволило за рахунок 30-40% втрат точності у перехідному режимі порівняно з фільтром Калмана скоротити число арифметичних операцій в 5-6 разів, об'єму пам'яті - до двох раз, що еквівалентно зростанню обчислювальної потужності процесора щонайменше у 3-3,5 рази. Запровадження цього результату на підприємстві КП «Аеропорт Вінниця» дозволило підвищити оперативність обробки посадочних даних, а також зменшити психологічне навантаження обслуговуючого персоналу.

3. Запропоновані квазіоптимальні нелінійні фільтри, які мають підвищену стійкість до неполадок радіовимірювального тракту. Вони реалізовані програмно і знайшли практичний попит. Зокрема, найкращий варіант побудови такого фільтра використовує безінерційну процедуру стробування результатів поточних вимірювань і при 30-40% втратах точності порівняно з оптимальним нелінійним фільтром має переваги у числі операцій множення та ділення в 1,61 та 3,72 рази відповідно, за числом операцій додавання (віднімання) - 2,15 рази, за часом обчислень більш ніж у 4,45 рази, за об'ємом пам'яті в 1,36 рази. Він пройшов перший етап випробовувань на апаратурі радіолокаційної системи посадки. Результати випробовувань підтвердили його працездатність та ефективність. Оскільки запропоновані фільтри мають більш широку сферу застосування ніж системи посадки, наприклад, системи керування повітряним рухом, попередження зіткнень, визначення взаємних координат, то підприємство КП «Аеропорт Вінниця» і надалі планує використання отриманих результатів в процесі освоєння та впровадження нової техніки.

4. Практичне значення результатів напівнатурних випробовувань полягає в тому, що використання оптимальних порогів спрацьовування логарифмічного ППЧ у межах 0.4?0.6 при відношеннях сигнал / шум на вході не менших ?3дБ та розладнаннях у межах ±8кГц може забезпечити до 85% правильних декодувань коду Баркера та коду ідентифікації команд наведення по кутовим координатам, що є припустимим і дозволяє визначати діапазон віддалей, у якому похибки одиничних вимірювань кутових координат не виходять із заданих меж з заданою вірогідністю.

5. Запропонована інженерна методика побудови цифрових пристроїв обробки посадочних даних, обчислювальне ядро яких рівномірно захищено від комплексу можливих неполадок кутомірного каналу.

Публікації по темі дисертаційної роботи

1. Кичак В.М. Адаптивное оценивание сообщений в телеметрическом канале связи, пораженном хаотической импульсной помехой / Кичак В.М., Воловик Ю. Н., Воловик А. Ю. // Прикладная радиоэлектроника. Харьков. 2006. Т.5, №2. С. 279 - 283.

2. Кичак В.М. Аналіз точності оцінювання кутових координат повітряного судна при випадкових спотвореннях матричного коефіцієнта передачі фільтра згладжування. / Кичак В.М., Воловик Ю.М., Воловик А.Ю. // Вісник Хмельницького національного університету. Технічні науки - 2007. №1. С.154-160.

3. Воловик Ю.М. Оцінка інструментальної точності кутомірного каналу системи посадки сантиметрового діапазону / Воловик Ю.М., Шутило М. А., Воловик А.Ю. // Вісник Хмельницького національного університету. Технічні науки. - 2009. №4. С. 227-229.

4. Воловик А.Ю. Оптимальне оцінювання кутових координат повітряного судна у процесі заходу на посадку / Воловик А.Ю., Воловик Ю.М., Загорський В.В., Шутило М. А. // Вісник Вінницького політехнічного інституту . - 2007. №5. С. 20-26.

5. Воловик Ю.М. Оцінювання характеристик функціональної надійності фазового каналу синхронізації у системі посадки сантиметрового діапазону / Воловик Ю.М., Воловик А. Ю. // Вісник Хмельницького національного університету. Технічні науки - 2007. №1. С.151-154.

6. Воловик Ю.М. Порівняльний аналіз ефективності субоптимальних алгоритмів дискретної фільтрації / Воловик Ю.М., Логвиненко В.В., Шутило М. А., Воловик А.Ю. // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. Хмельницький: ТУП. 2005. - №2, С. 92-97.

7. Воловик Ю.М. Захист інформації в алгоритмах дискретної фільтрації від збоїв у роботі апаратних засобів / Воловик Ю.М., Шутило М.А., Воловик А.Ю. // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. Хмельницький: ТУП. 2006. - №1, С. 149-155.

8. Воловик Ю.М. Аналіз характеристик процедури контролю достовірності кутової інформації у радіомаячній системі посадки сантиметрового діапазону / Воловик Ю.М., Логвиненко В.В., Шутило М. А., Воловик А.Ю. // Вісник Хмельницького національного університету. Технічні науки. - 2006. Т.1, №2. С. 151-155.

9. Воловик Ю.М. Оцінка сукупного впливу хаотичних імпульсних перешкод та флуктуаційного шуму на точність первинних спостережень / Воловик Ю.М., Логвиненко В.В., Шутило М.А., Воловик А.Ю. // Вісник Хмельницького національного університету. Технічні науки - 2006. Т.1, №3. С.192-195.

10. Деклараційний патент на корисну модель, МПК G 01S 1/ 08, G 01S 3/66. Пристрій для обробки кутової інформації у радіотехнічній системі посадки сантиметрового діапазону / Воловик А.Ю., Воловик Ю.М., Кичак В.М., Шутило М.А. ( Україна ). u 2005 10483; Заявл. 23.11.2005; Опубл. 17.04.2006. Бюл. №4, 2006,? 6с.

11. Аналіз точності первинних спостережень за наявності флуктуаційних шумів та хаотичних імпульсних перешкод / [ Воловик Ю.М., Шутило М. А., Воловик А.Ю.]. // Матеріали ІІ МНПК « Сучасні наукові дослідження - 2006. ». Технічні науки. Том 14. Дніпропетровськ. 2006. С.55-59.

12. Захист інформації в алгоритмах дискретної фільтрації від збоїв у роботі апаратних засобів / [ Воловик Ю.М., Воловик А.Ю., Шутило М. А., Загорський В.В. ]. // Материалы МНТК « Современные направления теоретических и прикладных исследований '2007 » . Том 4. Технические науки. Одесса, 2007. С. 81-89.

13. Порівняльний аналіз ефективності субоптимальних алгоритмів дис.-кретної фільтрації / [ Воловик Ю.М., Воловик А.Ю., Шутило М.А., Загорський В.В. ]. // Матеріали 1 МНК « Сучасні проблеми радіоелектроніки, теле-комунікацій та приладобудування (СПРТП-2005)». Вінниця, 2005. С.43-44.

14. Аналіз характеристик контрольного виявлювана кутових сигналів у системі посадки сантиметрового діапазону / [ Воловик Ю.М., Логвиненко В.В., Шутило М. А., Воловик А.Ю.]. // Матеріали 8 МНК « Контроль і управління в складних системах » (КУСС - 2005). Вінниця , 2005. С.59.

15. Захист інформації в алгоритмах дискретної фільтрації від збоїв у роботі апаратних засобів, призначених для їх практичної реалізації / [Воловик А.Ю., Воловик Ю.М., Шутило М. А.,]. // Матеріали 11 МНК « Сучасні проблеми мікроелектроніки, радіоелектроніки, телекомунікацій та приладобудування » ( СПРТП-2006). Вінниця , 2006. С.29-30.

16. Оптимальне оцінювання кутових координат повітряного судна у процесі заходу на посадку / [ Воловик А.Ю., Воловик Ю.М., Шутило М. А., Загорський В.В ]. // Матеріали ІІІ МНК « Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та приладобудування ( СПРТП-2007). Вінниця , 2007. С.65-66.

Анотація

Воловик А. Ю. Методи та пристрої обробки радіосигналів, інваріантні до порушень працездатності авіаційної системи посадки. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.13 - «Радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій». - Хмельницький національний університет, Хмельницький, 2010 .