Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія Національної гвардії України

61001 Харків, пл. Повстання, 3

УДК 621.396.969.3

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

удосконалення методу місцевизначення радіометричних систем навігації по малорозмірним та слабоконтрастним об'єктам прив'язки

Спеціальність 05.12.17 - радіотехнічні та телевізійні системи

Харків - 2014

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українській інженерно-педагогічній академії, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник:доктор технічних наук, професор

Барсов Валерій Ігорович

Українська інженерно-педагогічна академія,

Міністерство освіти і науки України,

декан факультету «Систем управління технологічними процесами і об'єктами».

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Єрмаков Геннадій Валентинович

Національний технічний університет ХПІ,

Міністерство освіти науки України,

завідувач кафедрою «Бронетанкової та військової техніки факультету військової підготовки».

кандидат технічних наук, доцент

Таршин Володимир Анатолійович

Харківський університет Повітряних Сил ім. Івана Кожедуба, Міністерство оборони України, докторант.

Захист відбудеться „23“ грудня 2014р. о 15.00 годині

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.03 за адресою: 61166, м. Харків пр. Леніна 14, Харківський національний університет радіоелектроніки

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці університету.

Автореферат розісланий „21“ листопада 2014р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради Д 64.052.03 В.М. Безрук

АНОТАЦІЯ

Самсонов Ю.В. Удосконалення методу місцевизначення радіометричних систем навігації по малорозмірним й слабоконтрастним об'єктам прив'язки.

Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.17 - радіотехнічні та телевізійні системи.

Дисертація присвячена забезпеченню місцевизначення радіометричних систем навігації по малорозмірним й слабоконтрастним об'єктам прив'язки, що можливо на основі підвищення вихідного відношення сигнал-шум РМ КЕСН ММДХ за рахунок застосування широкосмугових стохастичних сигналів, сформованих суміщеною з радіометричною кореляційно-екстремальною системою навігації шумовою підсвіткою наземних об'єктів прив'язки. Це дозволяє не меньше ніж до 2 разів підвищити ймовірність місцевизначення радіометричних кореляційно-екстремальних систем навігації ЛА на слабоконтрастних ділянках місцевості у порівнянні з радіометричної системою навігації без підсвітки, забезпечити високу перешкодостійкість системи навігації і використовувати запропоновані принципи побудови систем, що суміщаються для поліпшення технічних характеристик системи, визначити напрямок подальшого вдосконалення системи.

Проведено аналіз та уточнення вимог до радіометричних кореляційно-екстремальних системам навігації літального апарату. Отримала подальший розвиток узагальнена модель процесу функціонування радіометричної кореляційно-екстремальної системи навігації з шумовою підсвіткою. Вперше отримано аналітичний вираз для відношення сигнал-шум на виході радіометричного каналу при використанні в якості джерела підсвітки широкосмугового стохастичного сигналу. Отримав подальший розвиток метод суміщення радіометричного каналу з шумовою підсвіткою, який на відміну від відомих заснований на урахуванні форми сигналів систем, які суміщаються. Отримав подальший розвиток метод суміщення радіометричного каналу з шумовою підсвіткою, який на відміну від відомих заснований на урахуванні ширини спектрів сигналів систем, що суміщаються. Отримав подальший розвиток метод підвищення ймовірності місцевизначення радіометричних кореляційно-екстремальних систем навігації літальних апаратів по малорозмірним об'єктам на слабоконтрастних ділянках місцевості. Проведені експериментальні дослідження застосування підсвітки й розроблено рекомендації по підвищенню ймовірності правильного місцевизначення радіометричних систем навігації по малорозмірним об'єктам на слабоконтрастних ділянках місцевості.

Ключові слова: радіометрична кореляційно-екстремальна система, навігація, шумова підсвітка, радіометричний канал, відношення сигнал-шум.

АННОТАЦИЯ

Диссертация посвящена обеспечению местоопределения радиометрических систем навигации по малоразмерным и слабоконтрастным объектам привязки, что возможно на основании повышения выходного отношения сигнал-шум РМ КЭСН ММДВ за счёт применения широкополосных стохастических сигналов, сформулированных совмещённой с радиометрической корреляционно-экстремальной системою навигации шумовой подсветкой наземных объектов привязки. Это позволяет не менее чем в 2 раза повысить вероятность местоопределения радиометрических корреляционно-экстремальных систем навигации ЛА на слабоконтрастных участках местности в сравнении с радиометрической системой навигации без подсветки, обеспечить высокую помехоустойчивость системы навигации и использовать принятые принципы построения систем, что совмещаются для улучшения технических характеристик системы, определить направления дальнейшего усовершенствования системы.

Проведен анализ принципов построения и функционирования автономных и неавтономных систем навигации летательных аппаратов, уточнены требования к системам навигации летательных аппаратов. Обгрунтован подход к разработке систем навигации современных летательных аппаратов, основанный на использовании автономных систем управления с дополнительными информационными каналами. Приведены результаты анализа условий применения ЛА разного назначения, а также особенностей построения и функционирования систем навигации. Сформулированы основные требования к системе навигации ЛА. Проанализированы факторы, влияющие на процесс формирования решающей функции как команды управления на коррекцию траектории ЛА.

Проведен анализ и уточнение требований к радиометрическим корреляционно-экстремальным системам навигации летательных аппаратов, отличающиеся абсолютной скрытностью применения и позволяющие, в отличие от радиолокационных, производить прием излучений в надир без замирания сигналов.

Приведены результаты анализа обобщенной модели процесса функционирования РМ КЭ СН. Предложена уточненная модель процесса функционирования РМ КЭ СН с учетом подсветки и вариаций контрастообразующей температуры с учетом формы объекта. Показано влияние элементов модели на характеристики системы в целом. Впервые получено аналитическое выражение для отношения сигнал-шум на выходе радиометрического канала при использовании в качестве источника подсветки широкополосного стохастического сигнала. Показано двукратное улучшение характеристик радиометрических систем навигации, определяемых отношением сигнал-шум, за счет применения подсветки широкополосными стохастическими сигналами

Проведён анализ существующих методов уплотнения и разделения каналов. В качестве методов аппаратурного совмещения не обходимо использовать совмещение каналов, как по форме сигналов, так и по ширине спектров сигналов, которые обеспечивают развязку каналов. Приведены результаты разработки методов аппаратурного совмещения пассивного канала РМ КЭ СН ЛА с подсветкой объекта привязки. Предложены структуры систем, что совмещаются.

Разработан метод совмещения радиометрического канала с подсветкой объекта привязки, который практически исключает влияние совмещаемых каналов. Численные оценки отношения сигнал-шум показывают, что при рассогласовании по времени корреляции интервалов задержки линий задержки активного фа и пассивного каналов фп до 3фк, отношение сигнал-шум в обоих каналах увеличивается до своего предельного значения и составляет, соответственно, в пассивном канале 32,9 дБ при qвх = 0,1 и 37,4 дБ при qвх = 1, а в активном канале 22,9 дБ при qвх = 0,1 и 37,7 дБ при qвх = 1.

Использование метода разделения каналов по ширине спектров сигналов для совмещения РМ СН с дополняющими ее системами позволяет при незначительном усложнении СН за счет малогабаритного источника подсветки значительно повысить информативность формируемых изображений, улучшить характеристики РМ СН, а, соответственно, практически полностью исключить взаимное влияние приемо-передающих трактов совмещенной СН друг на друга.

С целью апробации и подтверждения правильности полученных теоретических положений, был проведен эксперимент для определения оценки взаимного влияния приёмных трактов совмещённого пассивного канала РМ КЭСН ЛА с подсветкой объекта привязки.

Приведены результаты экспериментальной оценки повышения отношения сигнал-шум радиометрических систем навигации. Выбран критерий и оценена вероятность местоопределения радиометрических систем навигации с использованием подсветки. Разработаны рекомендации по повышению вероятности местоопределения радиометрических корреляционно-экстремальных систем навигации ЛА по малоразмерным объектам на слабоконтрастных участках местности.

Ключевые слова: радиометрическая корреляционно-экстремальная система, навигация, шумовая подсветка, радиометрический канал, отношение сигнал-шум.

ANNOTATION

The thesis develops a method of increasing the probability of correct location radiometric navigation systems to pinpoint areas of low contrast objects on the ground. Analysis and specification requirements for radiometric correlation-extreme aircraft navigation system. Further developed a generalized model of the functioning of the RM KESN with noise illumination. First, an analytic expression for the signal-to-noise ratio at the output radiometric channel when used as a source of illumination broadband stochastic signal. He received further development of the method of combining the RM channel with noise illumination, which unlike known based on the consideration of waveforms that sumischuyutsya. He received further development of the method of combining the RM channel with noise backlight, which unlike the known width based on the consideration of the spectra of signals that are combined. Was further developed method of increasing the probability of correct location radiometric correlation-extremal navigation systems of aircraft to pinpoint areas of low contrast objects on the ground. Experimental studies of illumination and developed recommendations to improve the probability of correct location radiometric navigation systems to pinpoint areas of low contrast objects on the ground

Keywords: radiometric correlation-extremal system, navigation, noise illumination, radiometric channel signal to noise ratio.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В даний час, для навігації літальних апаратів (ЛА) найбільш переважними, як показав аналіз по перешкодозахищеності, погодним та точносним характеристикам є автономні радіометричні системи навігації міліметрового діапазону хвиль (РМСН ММДХ), в основу роботи яких покладено оглядово-порівняльний метод навігації. Але при вирішенні завдань місцевизначення по малорозмірним й слабоконтрастним об'єктам прив'язки ефективність роботи таких систем може виявитися недостатньою, що обумовлено малими значеннями вихідного відношення сигнал-шум.

Підвищення вихідного відношення сигнал-шум РМ КЕСН ММДХ можливо за рахунок застосування підсвітки наземних об'єктів прив'язки, яка може бути рознесеною, а також суміщеною з основним каналом прийому системи. Але використання рознесеної підсвітки робить систему навігації неавтономною та більш залежною від каналу підсвітки. Найбільш доцільним є використання суміщеної з основним каналом прийому широкосмугової шумової підсвітки, що забезпечить як автономність системи, так і її високий рівень прихованості. Але забезпечення таким чином підвищення вихідного відношення сигнал-шум РМ КЕСН призведе до зниження ефективності основного каналу системи за рахунок впливу на нього підсвітки.

В результаті склалося протиріччя, обумовлене з одного боку необхідністю використання широкосмугової шумової підсвітки для забезпечення високої надійності місцевизначення автономних РМСН по малорозмірним й слабоконтрастним об'єктам прив'язки, і з іншого боку зниженням їх ефективності за рахунок взаємного впливу каналів, що суміщаються. Вирішення цього протиріччя можливе на основі розробки методів апаратурного суміщення каналів, що виключають їх взаємний вплив, та принципів побудови суміщених з підсвіткою РМСН.

На теперішній час детально досліджені основні досяжні показники РМСН. Проаналізовано вплив різного роду активних перешкод на радіометр. Розроблено багато варіантів побудови високочутливих радіометрів та алгоритмів формування вирішальної функції. У той же час не отримали детального дослідження питання суміщення пасивного каналу з широкосмуговою шумовою підсвіткою об'єкта прив'язки, використання якої забезпечить високий рівень прихованості пасивної РМСН, не розроблені методи апаратурного суміщення каналів, що виключають їх взаємний вплив, і відсутні відповідно принципи побудови автономних систем з підсвіткою об'єктів прив'язки. Виходячи з цього, науково-прикладною задачею, що розв'язується в даній дисертаційній роботі, є забезпечення місцевизначення радіометричних систем навігації по малорозмірним й слабоконтрастним об'єктам прив'язки за рахунок підвищення вихідного відношення сигнал-шум РМ КЕСН на основі застосування широкосмугових стохастичних сигналів, сформованих суміщеною з радіометричною кореляційно-екстремальною системою навігації шумовою підсвіткою наземних об'єктів прив'язки.

Таким чином, тема роботи є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дослідження в дисертації проводилися відповідно до науково-дослідних робіт, що проводяться спільно з НДІРВ (Звіт про НДР "Агат" на тему: "Дослідження можливостей підвищення живучості космічних систем" - 2004 р. № ДР 0101U000214) і метрологічного центру військових еталонів Збройних Сил України (Звіт про НДР "Цямрина-11" на тему: "Дослідження метрологічних характеристик вихідних еталонів Збройних Сил України, які експлуатуються в Метрологічному центрі військових еталонів Збройних Сил України" - 2010 р. № ДР 0101U000515). В указаних науково-дослідних роботах здобувач був виконавцем.

Мета і задачі дослідження: забезпечення місцевизначення радіометричних кореляційно-екстремальних систем навігації літальних апаратів по малорозмірним об'єктам або на слабоконтрастних ділянках місцевості на основі застосування підсвітки об'єктів прив'язки.

Для досягнення цієї мети вирішувались наступні часткові задачі досліджень:

1. Аналіз та уточнення вимог до радіометричних кореляційно-екстремальних систем навігації ЛА.

2. Розробка узагальненої моделі процесу функціонування радіометричної кореляційно-екстремальної системи навігації ЛА з підсвіткою об'єктів прив'язки, аналіз елементів моделі.

3. Аналіз відношення сигнал-шум на виході радіометричної кореляційно-екстремальної системи навігації з підсвіткою широкосмуговим стохастичним сигналом.

4. Розробка методів апаратурного суміщення радіометричного каналу з активною підсвіткою.

5. Розробка методу підвищення ймовірності місцевизначення радіометричних систем навігації по малорозмірним об'єктам на слабоконтрастних ділянках місцевості.

Об'єкт дослідження - процес місцевизначення радіометричних кореляційно-екстремальних систем навігації ЛА по малорозмірним об'єктам з використанням слабоконтрастних ділянок місцевості.

Предметом дослідження є радіометрична кореляційно-екстремальна система навігації з підсвіткою об'єктів прив'язки.

Методи дослідження визначаються сукупністю розв'язуваних завдань і включають методи кореляційно-спектрального аналізу випадкових процесів, методи теорії оцінок параметрів сигналів на тлі перешкод, що використані для оцінки відношення сигнал-шум на виході радіометричної кореляційно-екстремальної системи навігації з підсвіткою широкосмуговим стохастичним сигналом, методи теорії ймовірності для оцінки ймовірності визначення місцезнаходження радіометричної кореляційно-екстремальної системи навігації ЛА.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Отримала подальший розвиток узагальнена модель процесу функціонування РМ КЕСН з підсвіткою об'єктів прив'язки. Особливістю моделі, що визначає її новизну, є урахування впливу можливих варіацій контрастоутворюючих температур, форми об'єкта, а також джерела підсвітки об'єкта прив'язки на вирішальну функцію (ВФ), що формується системою.

2. Вперше отримано аналітичний вираз для відношення сигнал-шум на виході радіометричного каналу при використанні в якості джерела підсвітки широкосмугового стохастичного сигналу.

3. Отримав подальший розвиток метод суміщення радіометричного каналу з шумовою підсвіткою, який на відміну від відомих заснований на урахуванні форми сигналів систем, які суміщаються.

4. Отримав подальший розвиток метод суміщення радіометричного каналу з шумовою підсвіткою, який на відміну від відомих заснований на урахуванні ширини спектрів сигналів систем, що суміщаються.

5. Отримав подальший розвиток метод підвищення ймовірності місцевизначення радіометричної кореляційно-екстремальної системи навігації ЛА по малорозмірним об'єктам на слабоконтрастних ділянках місцевості.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що розроблені методи і математичні моделі є основою для розробки і проектування РМ КЕСН, застосування яких дозволяє підвищити ймовірність місцевизначення РМ КЕСН ЛА порівняно з радіометричної системою, в якій при формуванні поточного зображення не враховано вплив джерела підсвітки і варіації контрастоутворюючих температур.

Результати дисертаційних досліджень реалізовані в науково-дослідному інституті радіотехнічних вимірювань (акт №133/34 від 31 січня 2011р.).

Особистий внесок здобувача.

Нові наукові результати отримані автором особисто.

У наукових статтях, опублікованих в співавторстві, авторові належать наступні нові наукові результати:

- у статті [3] автором запропонована узагальнена математична модель процесу функціонування РМ СН ЛА з підсвіткою району прив'язки;

- у статті [4] автором запропоновано застосування суміщення пасивного та активного каналів за формою сигналів й отримано аналітичний вираз для співвідношення сигнал-шум на виході радіометричного каналу;

- у статті [2] автором запропоновано застосування суміщення пасивного та активного каналів по ширині спектрів сигналів й отримано аналітичний вираз для співвідношення сигнал-шум на виході радіометричного каналу;

- у статті [5] автором отримано аналітичний вираз для співвідношення сигнал-шум на виході радіометричного каналу при використанні в якості джерела підсвітки широкосмугового стохастичного сигналу;

- у статті [5] автором представлено результати експериментальної оцінки підвищення вихідного співвідношення сигнал-шум радіометричного каналу при використанні підсвітки.

Апробація результатів дисертації.

Матеріалі дисертаційного дослідження обговорювалися й схвалені на:

- четвертій науково-практичній конференції «Наукове забезпечення службово-бойової діяльності внутрішніх військ МВС України» Академії внутрішніх військ МВС України, м. Харків, 2012 р.;

- восьмій науковій конференції Харківського університету повітряних сил імені Івана Кожедуба, м. Харків, 2012 р.;

- 16 міжнародному молодіжному форумі «Радіоелектроніка та молодь у ХХІ столітті» Харківського національного радіотехнічного університету, м. Харків, 2012 р.;

- п'ятій науково-практичній конференції «Наукове забезпечення службово-бойової діяльності внутрішніх військ МВС України» Академії внутрішніх військ МВС України, м. Харків, 2013 р.;

- 17 міжнародному молодіжному форумі «Радіоелектроніка та молодь у ХХІ столітті», Харківського національного радіотехнічного університету, м. Харків, 2013 р.;

- дев'ятій науковій конференції Харківського університету повітряних сил імені Івана Кожедуба, м. Харків, 2013 р.

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи опубліковано у 11 наукових працях, з них 5 статей у фахових виданнях України.

Структура й обсяг дисертаційної роботи. Дисертація містить вступ, чотири розділи, висновки, список використаних джерел. Загальній обсяг дисертації складає 123 сторінки, з них 18 сторінок рисунків, 9 сторінок, список опублікованих робіт за темою дисертації в кількості 101 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

літальний радіометричний навігація прив'язка

У вступі обґрунтовано вибір теми дослідження, її актуальність, визначено мету і завдання. Сформульовано предмет, об'єкт та методи дослідження, розкрито наукову новизну, наведено практичне значення отриманих результатів.

В першому розділі дисертації проведено аналіз принципів побудови і функціонування автономних і неавтономних систем навігації ЛА, уточнено вимоги до систем навігації літальних апаратів. Проаналізовано фактори, що впливають на процес формування вирішальної функції, як команди управління на корекцію траєкторії ЛА. Сформульовано завдання досліджень. Проведено аналіз принципів побудови та особливостей функціонування відомих систем навігації (СН) літальних апаратів, обґрунтований підхід до розробки СН сучасних ЛА, заснований на використанні автономних систем керування з додатковими інформаційними каналами.

Наведено результати аналізу умов застосування ЛА різного призначення, а також особливостей побудови і функціонування систем навігації. Сформульовано основні вимоги до системи навігації ЛА.

Проаналізовані характеристики радіометричної системи навігації та встановлено, що найменш розробленими є методи, що дозволяють підвищити ефективність навігації ЛА на слабоконтрастних ділянках місцевості або при використанні для місцевизначення малорозмірних об'єктів. Встановлено, що відсутні аналітичні співвідношення і оцінки відношення сигнал-шум на виході РМ КЕСН з підсвіткою широкосмуговим стохастичним сигналом.

У другому розділі наведені результати аналізу узагальненої моделі процесу функціонування РМ КЕСН. Запропоновано уточнену модель процесу функціонування РМ КЕСН з урахуванням підсвітки і варіацій контрастоутворюючої температури з урахуванням форми об'єкта.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1- Узагальнена модель процесу функціонування радіометричної кореляційно-екстремальної системи навігації з урахуванням застосування шумової підсвітки

У представленій на рис.1 моделі прийняті наступні позначення:

де - оператори, що характеризують джерело підсвітки (генератор шуму), поверхню візування, об'єкт прив'язки, середу розповсюдження сигналів, радіоприймальний пристрій СН;

- узагальнений оператор, що характеризує алгоритм процесу порівняння поточного та еталонного зображення РМ СН;

- термодинамічна температура поверхні візування;

Тпз - сигнал на виході радіометра, що характеризує поточне зображення;

Тез - сигнал, що характеризує еталонне зображення в системі вторинної обробки;

- ефективна поверхня розсіювання;

- ефективна поверхня розсіювання об'єкту прив'язки;

- випромінювальні здібності об'єктів;

- діелектрична та магнітна проникності об'єктів й типових фонів;

- варіації гідрометеоумов в районі прив'язки;

- адитивні перешкоди з урахуванням особистих шумів приймача;

- ВФ еталонного та поточного зображень, що використовуються для корекції траєкторії ЛА.

Показано вплив елементів моделі на характеристики системи в цілому. Проведено аналіз та отримано співвідношення для відношення сигнал-шум в РМ КЕСН при використанні джерела підсвітки стохастичних сигналів. Розроблено метод підвищення ймовірності визначення місцезнаходження РМ СН на слабоконтрастних ділянках місцевості по малорозмірним об'єктам на основі застосування стохастичної підсвітки.

Розглянуто модель процесу функціонування радіометричної кореляційно-екстремальної системи навігації з урахуванням застосування шумової підсвітки. Проведений аналіз характеристик відповідних факторів, що впливають на рівень та інформативність прийнятого сигналу і процес порівняння поточного зображення з еталонним зображенням в системі вторинної обробки (СВО).

Вирішальна функція, що формується РМ КЕСН, буде мати вигляд

 (1)

Запропоновано уточнену модель РМ КЕСН, яка повинна враховувати варіації випромінювальних здібностей фонів, викликаних зміною погодно-кліматичних умов, варіації випромінювальної і відбивної здібностей об'єкта, обумовлені його геометричною формою.

Вираз для ефективної антенної температури має вигляд

, (2)

де - довжина хвилі;

- середньоквадратичне відхилення висот нерівностей;

- вертикальний та азимутальний кути візування;

- поляризація;

- варіації випромінювальної здібності фона, що обумовлені впливом вологості;

- радіояскравісна температура атмосфери;

- варіації радіояскравісної температури атмосфери;

- коефіцієнт відбиття i-го фона;

jоб и Агл - тілесні кути об'єкту та головного пелюстку діаграми направленості антени РМ СН.

Отримано аналітичне співвідношення для відношення сигнал-шум в РМ КЕСН при використанні джерела підсвітки стохастичних сигналів. Показано дворазове покращення характеристик радіометричних систем навігації, обумовлених відношенням сигнал-шум, за рахунок застосування підсвітки широкосмуговими стохастичними сигналами.

(3)

де - відношення сигнал-шум в РМ КЕСН;

- величина сигналу на вході РМ КЕСН;

Дf - смуга пропускання високочастотної частини радіометра;

- смуга пропускання фільтру низьких частот (ФНЧ) радіометра.

Проведений аналіз узагальненої моделі процесу функціонування РМ КЕСН, а також запропонованої нами уточненої моделі формування ВФ дозволяє запропонувати метод підвищення ймовірності місцевизначення РМ КЕСН по малорозмірним та слабоконтрастним об'єктам прив'язки.

У третьому розділі наведені результати розробки методів апаратурного суміщення пасивного каналу РМ КЕСН ЛА з підсвіткою об'єкта прив'язки. Запропоновано структури систем, що суміщаються.



а)

б)

Рисунок 2- Структурна схема пасивно-активної системи навігації, суміщеної на основі методу розподілу каналів за формою сигналів:

а) передавальна частина активного каналу;

б) приймальна частина пасивно-активної системи навігації.

Проведено аналіз існуючих методів ущільнення і розподілення каналів. В якості методів апаратурного суміщення доцільно використовувати суміщення каналів як за формою сигналів (рис.2а, 2б), так і по ширині спектрів сигналів (рис.3), що забезпечують розв'язку каналів.

Рисунок 3- Структурна схема приймально-передавального тракту джерела підсвітки, суміщеного з радіометром по ширині спектрів сигналів

Запропоновано застосування суміщення каналів за формою сигналів й отримано аналітичні вирази для співвідношення сигнал-шум на виході активного та пасивного суміщених каналів:

(4)

(5)

де с(ф), с(2ф) - коефіцієнти взаємної кореляції.

В результаті проведених розрахунків встановлено, що при неузгодженості за часом кореляції інтервалів затримки ліній затримки активного фа й пасивного каналів фп до 3фдо, відношення сигнал/шум в обох каналах збільшується до свого граничного значення і становить, відповідно, в пасивному каналі 32,9 дБ при qвх= 0,1 і 37,4 дБ при qвх = 1, а в активному каналі 22,9 дБ при qвх = 0,1 і 37,7 дБ при qвх = 1.

Розглянуто застосування даного методу для апаратурного суміщення приймально-передавальних трактів пасивно-активних СН ЛА.

Одним з можливих для РМ СН ЛА є метод лінійного ущільнення з розподілом каналів за шириною спектрів сигналів.

Отримано вирази для відношення сигнал-шум по напрузі на виході активного й пасивного каналів суміщеної по ширині спектрів сигналів системи навігації:

 (6)

(7)

де - смуга пропускання вхідного фільтра;

- смуга пропускання активного каналу ФНЧ радіометра;

РS - потужність сигналу, що випромінюється підсвіткою;

N0/2 - спектральна щільність потужності радіотеплових сигналів.

На рис.4 представлена залежність відношення сигнал-шум в пасивному каналі від смуги пропускання фільтра низьких частот. Показано, що при використанні вузькосмугових ФНЧ (0,2...0,3 кГц) відношення сигнал-шум у радіометричному каналі буде наближуватися до максимального значення.

Рисунок 4- Залежність відношення сигнал-шум в пасивному каналі від ширини полоси пропускання фільтра

Залежність відношення сигнал-шум в пасивному каналі від потужності прийнятого сигналу неведена на рис.5. Показано, що зі збільшенням потужності випромінюваного підсвіткою сигналу зростає і відношення сигнал-шум в пасивному каналі.

Рисунок 5- Залежність відношення сигнал-шум в пасивному каналі від потужності випромінюваного підсвіткою сигналу

Залежність відношень сигнал-шум в активному каналі від зміни полоси пропускання фільтра низьких частот каналу показана на рис. 6. Встановлено, що зі зменшенням смуги пропускання ФНЧ флуктуаційна помилка буде зменшуватися, це призведе до виникнення динамічних спотворень в каналі та до збільшення завмирань сигналу. Тому, при виборі смуги пропускання ФНЧ активного каналу необхідно прагнути до забезпечення мінімальної динамічної та флуктуаційної помилки.



Рисунок 6 - Залежність відношення сигнал-шум в активному каналі від зміни смуги пропускання ФНЧ

Встановлено, що використання методу розподілення каналів за шириною спектрів сигналів для суміщеної РМ СН з доповнюючими її системами дозволяє при незначному ускладненні системи навігації за рахунок малогабаритного джерела підсвітки значно підвищити відношення сигнал-шум поточних зображень, поліпшити характеристики РМ СН, та практично виключити взаємний вплив приймально-передавальних трактів суміщеної системи навігації одна на одну.

У четвертому розділі наведені результати експериментальної оцінки підвищення відношення сигнал-шум радіометричних систем навігації. Вибрано критерії та оцінена ймовірність визначення місцезнаходження радіометричних систем навігації з використанням підсвітки за допомогою отриманого автором співвідношення

(8)

де ;

- показник характеристики перешкодової обстановки;

- показник характеристики метеорологічних умов;

- показник характеристики визначення об'єкту прив'язки;

- показник характеристики ідентифікації;

- показник характеристики надійності системи навігації;

- середньоквадратичне кругове відхилення (СКВ) інерціальної системи;

- середньоквадратичне кругове відхилення підсвітки СН;

- радіус зони місцевизначення;

- радіус зони місцевизначення підсвітки СН.

З метою апробації та підтвердження правильності отриманих теоретичних положень, було проведено експеримент для визначення оцінки взаємного впливу прийомних трактів суміщеного пасивного каналу РМ КЕСН ЛА з підсвіткою об'єкта прив'язки.

При проведенні експерименту використовувався розроблений під керівництвом д.т.н. Бикова В.М., радіометричний вимірювальний комплекс (РМВК) міліметрового діапазону хвиль, що дозволяє формувати радіометричні зображення (РМЗ) досліджуваних об'єктів на різних фонах земної поверхні.

За допомогою отриманого автором співвідношення визначено прирощення ймовірності місцевизначення РМ КЕСН за рахунок підсвітки

(9)

Графік залежності прирощення ймовірності місцевизначення РМ КЕСН від величини значень відношення сигнал-шум на виході системи з підсвіткою qвих для фіксованого числа незалежних відліків М (відповідно до кореляційного алгоритму), представлений на рис.7.

М = 100

1,0

0,5

М = 50

1 10 qвих

Рисунок 7- Залежність прирощення ймовірності місцевизначення РМ КЕСН від величини значень відношення сигнал-шум на виході системи з підсвіткою для фіксованого числа незалежних відліків, при М=const.

Встановлено, що застосування підсвітки дозволяє забезпечити ефективне функціонування РМ КЕСН по малорозмірним об'єктам на слабоконтрастних ділянках місцевості. Показано, що прирощення ймовірності місцевизначення РМ КЕСН за рахунок підсвітки може складати до 90%.

ВИСНОВКИ

У дисертації вирішена актуальна науково-прикладна задача забезпечення місцевизначення радіометричних систем навігації по малорозмірним й слабоконтрастним об'єктам прив'язки, що можливо на основі підвищення вихідного відношення сигнал-шум РМ КЕСН ММДХ за рахунок застосування широкосмугових стохастичних сигналів, сформованих суміщеною з радіометричною кореляційно-екстремальною системою навігації шумовою підсвіткою наземних об'єктів прив'язки. Це дозволяє не меньше ніж до 2 разів підвищити ймовірність місцевизначення радіометричних кореляційно-екстремальних систем навігації ЛА на слабоконтрастних ділянках місцевості у порівнянні з радіометричної системою навігації без підсвітки, забезпечити високу перешкодостійкість системи навігації і використовувати запропоновані принципи побудови систем, що суміщаються для поліпшення технічних характеристик системи, визначити напрямок подальшого вдосконалення системи.

1. При вирішенні науково-прикладної задачі одержані наступні найбільш важливі наукові результати:

1.1. Отримала подальший розвиток узагальнена модель процесу функціонування радіометричної кореляційно-екстремальної системи навігації з шумовою підсвіткою. Особливістю моделі, що визначає її новизну, є урахування впливу можливих варіацій контрастоутворюючих температур, форми об'єкта, а також джерела підсвітки об'єкта прив'язки на вирішальну функцію (ВФ), що формується системою..

1.2. Вперше отримано аналітичний вираз для відношення сигнал-шум на виході радіометричного каналу при використанні в якості джерела підсвітки широкосмугового стохастичного сигналу.

1.3. Отримав подальший розвиток метод суміщення радіометричного каналу з шумовою підсвіткою, який на відміну від відомих заснований на урахуванні форми сигналів систем, що суміщаються.

1.4. Отримав подальший розвиток метод суміщення радіометричного каналу з шумовою підсвіткою, який на відміну від відомих заснований на урахуванні ширини спектрів сигналів систем, що суміщаються.

1.5. Отримав подальший розвиток метод підвищення ймовірності місцевизначення радіометричних кореляційно-екстремальних систем навігації літальних апаратів по малорозмірним об'єктам на слабоконтрастних ділянках місцевості, який на відміну від відомих заснований на підвищенні відношення сигнал-шум поточного зображення, формованого системою, на основі застосування розроблених автором методів суміщення активного і пасивного каналів .

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що розроблені методи і математичні моделі є основою для розробки і проектування РМ КЕСН, застосування яких дозволяє підвищити ймовірність місцевизначення РМ КЕСН ЛА порівняно з радіометричної системою, в якій при формуванні поточного зображення невраховані вплив джерела підсвітки і варіації контрастоутворюючих температур. Застосування розроблених методів дозволяє не менше ніж до 90% підвищити ймовірність місцевизначення радіометричних кореляційно-екстремальних систем навігації ЛА на слабоконтрастних ділянках місцевості у порівнянні з радіометричної системою навігації без підсвітки.

2. Проведені в дисертаційній роботі дослідження дозволяють сформулювати науково-обґрунтовані рекомендації щодо підвищення ймовірності місцевизначення радіометричних кореляційно-екстремальних систем навігації ЛА по малорозмірним об'єктам на слабоконтрастних ділянках місцевості:

а) як джерело підсвітки використовувати як вузькосмугові, так і широкосмугові генератори сигналів. Потужність джерела підсвітки вибирати для низьколітаючих ЛА порядку 30 Вт;

б) для навігації високошвидкісних ЛА використовувати обтікачі, однак при цьому враховувати необхідність підвищення потужності джерела підсвітки не менше ніж у двічі (до 60 Вт);

в) при використанні широкосмугової підсвітки суміщення каналів здійснювати за формою сигналів;

г) при використанні вузькосмугової підсвітки суміщення каналів здійснювати по ширині спектрів сигналів.

3. Значення отриманих результатів для науки полягає в можливості безпосереднього використання розроблених методів для підвищення відношення сигнал-шум поточного зображення РМ КЕСН ЛА і на цій основі забезпечити необхідні значення ймовірності місцевизначення РМ КЕСН.

4. Значення отриманих результатів для практики полягає в тому, що отриманні результати дозволяють:

а) знизити вплив каналів, що суміщаються на формування ВФ, а, відповідно, на ймовірність місцевизначення РМ КЕСН ЛА;

б) оцінювати ймовірність місцевизначення систем навігації з інформаційним каналом на основі РМ КЕСН, суміщених з підсвіткою при різних варіаціях контрастоутворюючих температур з урахуванням форми об'єкта прив'язки.

5. Результати дисертаційного дослідження реалізовані в науково-дослідному інституті радіотехнічних вимірювань (акт №133/34 від 31 січня 2011р.) і дозволяють:

- не меньше ніж до 2 разів підвищити точність радіометричних кореляційно-екстремальних систем навігації ЛА на слабоконтрастних ділянках місцевості у порівнянні з радіометричної системою навігації без підсвітки;

- забезпечити високу перешкодостійкість системи навігації і використовувати запропоновані принципи побудови систем, що суміщаються для поліпшення технічних характеристик системи;

- визначити напрямок подальшого вдосконалення системи.

6. Обґрунтованість і достовірність основних наукових положень, висновків і рекомендацій, отриманих в дисертаційній роботі.

Обґрунтованість підтверджується строгою постановкою задач та коректним використанням методу місцевизначення радіометричних систем навігації по малорозмірним та слабоконтрастним об'єктам прив'язки .

Достовірність підтверджується відсутністю протиріччя відомим результатам, а також їх збігом у граничному випадку з відомими результатами та результатами експериментальних досліджень, апробацією результатів роботи на науково-технічних семінарах і конференціях.

7. Результати дисертаційної роботи можуть бути корисні:

- при проектуванні і модернізації радіометричних кореляційно-екстремальних систем навігації ЛА на етапі обґрунтування й аналізу вимог до апаратної частини такої системи;

- для оцінки можливості застосування таких систем для навігації ЛА по малорозмірним об'єктам, або на слабоконтрастних ділянках місцевості;

- у навчальному процесі вищих військових навчальних закладів при вивченні методів навігації ЛА з використанням кореляційно-екстремальних систем в якості інформаційних.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Барсов В.И., Самсонов Ю.В. Анализ влияния ширины полосы сигнала подсветки наземных объектов на качество функционирования радиометрических информационных систем: науково-технічний журнал «Наука і техніка повітряних сил Збройних сил України» /[ відп. редактор О. В. Воробйов] В.І. Барсов, Ю.В. Самсонов. - Х., 2011. - Вип. 1(5). - С. 110 - 113.

2. Сотников А.М., Барсов В.И., Самсонов Ю.В. Метод совмещения радиометрического канала с активной шумовой подсветкой объекта: збірник наукових праць «Системи управління, навігації та зв'язку» /[ відп. редактор Г.А. Кучук] О.М. Сотніков, В.І. Барсов, Ю.В. Самсонов. - Х., 2011. - Вип. 4(20). - С. 31 - 34.

3. Сотников А.М., Барсов В.И., Самсонов Ю.В. Обобщенная математическая модель решающей функции радиометрической системы навигации с подсветкой объекта привязки: щоквартальний науковий журнал «Системи озброєння і військова техніка» /[ відп. редактор Г.А. Кучук] О.М. Сотніков, В.І. Барсов, Ю.В. Самсонов. - Х., 2011. - Вип. 4(28). - С. 87 - 89.

4. Сотников А.М., Барсов В.И., Самсонов Ю.В. Теоретическая и экспериментальная оценка отношения сигнал-шум в радиометрических каналах приема с подсветкой: щоквартальний науковий журнал «Системи озброєння і військова техніка» /[ відп. редактор Г.А. Кучук] О.М. Сотніков, В.І. Барсов, Ю.В. Самсонов. - Х., 2012. - Вип. 3(31). - С. 231 - 234.

5. Сотников А.М., Барсов В.И., Самсонов Ю.В. Разработка метода совмещения радиометрической системы навигации с шумовой подсветкой по ширине спектров сигналов: збірник наукових праць «Системи озброєння і військова техніка» /[ відп. редактор Г.А. Кучук] О.М. Сотніков, В.І. Барсов, Ю.В. Самсонов. - Х., 2012. - Вип. 4(32). - С. 162 - 165.

6. Самсонов Ю.В. Модель процесу функціонування радіометричної системи навігації з «підсвіткою» об'єкта прив'язки: матеріали четвертої науково-технічної конференції «Наукове забезпечення службово-бойової діяльності внутрішніх військ МВС України» Академії ВВ МВС України: науково-практична конференція, 22 лютого 2012р.: тези доповідей / Ю.В. Самсонов. - Х.: АВВ МВСУ, 2012. - С. 73 - 75.

7. Самсонов Ю.В. Совмещение радиометрического канала с активной шумовой подсветкой объекта привязки: матеріали восьмої наукової конференції Харківського університету повітряних сил імені Івана Кожедуба, 18 - 19 квітня 2012р.: тези доповідей / Ю.В. Самсонов. - Х.: ХУПС 2012. - С. 309.

8. Самсонов Ю.В. Модель процесса функционирования радиометрической системы навигации с подсветкой объекта привязки: матеріали 16 міжнародного молодіжного форуму «Радіоелектроніка та молодь у ХХІ столітті» 17 - 19 квітня 2012 р.: матеріали міжнародної конференції «Сучасні проблеми радіоелектроніки» / Ю.В. Самсонов. - Х.: ХНУРЕ 2012. - С. 146 - 147.

9. Самсонов Ю.В. Розробка методу суміщення радіометричної системи навігації (РМСН) з шумовою «підсвіткою» по ширині спектрів сигналів: матеріали п'ятої науково-технічної конференції «Наукове забезпечення службово-бойової діяльності внутрішніх військ МВС України» Академії ВВ МВС України: науково-практична конференція, 28 березня 2013р.: тези доповідей / Ю.В. Самсонов. - Х.: АВВ МВСУ, 2013. - С. 73 - 75.

10. Барсов В.И., Самсонов Ю.В. Теоретическая оценка отношения сигнал-шум в радиометрических каналах приема с «подсветкой»: матеріали 17 міжнародного молодіжного форуму «Радіоелектроніка та молодь у ХХІ столітті» 22 - 24 квітня 2013 р.: матеріали міжнародної конференції «Сучасні проблеми радіоелектроніки» / В.І. Барсов, Ю.В. Самсонов. - Х.: ХНУРЕ 2013 - С. 68 - 70.

11. Самсонов Ю.В. Результаты разработки метода повышения вероятности правильного местоопределения радиометрических систем навигации по малоразмерным объектам на слабоконтрастных участках местности: матеріали дев'ятої Наукової конференції Харківського університету повітряних сил імені Івана Кожедуба. 17-18 квітня 2013р.: тези доповідей / Ю.В. Самсонов. - Х.: ХУПС 2013. - С. 149.

Размещено на Allbest.ru