Разработка и исследование алгоритмов адаптации цифровых радиотехнических следящих систем радионавигационных и радиолокационных приемников

Актуальность темы

: Радиотехнические следящие системы, входящие в состав радиолокационных и радионавигационных приемников, работают в условиях априорной неопределенности динамического воздействия, которым является отслеживаемый параметр сигнала (фаза, частота, временное положение). Эта неопределенность в следящих системах радиолокационных приемников вызвана неопределенностью вида и характеристик маневра лоцируемого объекта, а в системах радионавигационных приемников неопределенностью характера движения объекта, на котором установлен приемник.

Навигационные и радиолокационные приемники работают также в условиях, когда соотношение сигнал/шум на их входе неизвестно и изменяется во времени. Это создает априорную неопределенность уровня шума на выходе дискриминатора, входящего в состав радиотехнических следящих систем.

Повысить в условиях априорной неопределенности динамического воздействия и уровня шума на выходе дискриминатора точность слежения, а также точность измерения с помощью указанных систем скорости, дальности, угловых координат, можно путем построения адаптивных следящих систем, приспосабливающихся к указанной априорной неопределенности. При построении адаптивных следящих систем часто полагают, что неопределенность динамического воздействия и шума на выходе дискриминатора носит параметрический характер и сводится к неопределенности некоторых параметров, описывающих их характеристики: дисперсии, ширины спектра, спектральной плотности на нулевой частоте и других. При этом адаптация следящих систем к неопределенности динамического воздействия и уровня шума на выходе дискриминатора осуществляется путем оценивания тем или иным способом указанных параметров с последующим использованием полученной оценки для подстройки коэффициентов передачи следящей системы.

При построении радиотехнических следящих систем дискриминатор часто считается заданным и адаптации подлежит фильтровая часть. При работе на линейном участке характеристики дискриминатора задача построения фильтра следящих систем, адаптирующегося к априорной неопределенности динамического воздействия и уровня шума на выходе дискриминатора, может быть сведена к общей задаче адаптивной линейной фильтрации сообщений с неизвестными статистическими характеристиками при априорной неопределенности шума наблюдения. Она может решаться с использованием теории оптимальной фильтрации, входящей в статистическую теорию радиотехнических систем. В разработку этой теории и её применение к радиолокационным и радиолокационным системам большой вклад внесли Бакулева П. А., Казаринов Ю. М., Меркулов В. И., Сосулин Ю. Г., Тартаковский Г. Г., Тихонов В. И., Шинаков Ю. С, Ярлыков М. С. и другие [1, 2, 13, 44, 38, 49, 57, 42].

Задаче адаптивной фильтрации сообщений и построению адаптивных фильтров следящих систем посвящены многочисленные публикации. Среди них работы Статановича P. J1., Кузьмина С. З., Первачева С. В., Перова А. И., Лайниотиса Д. Г., Ли Т. Т., Хайкина С. [45, 18, 26, 70, 71] и другие. Однако, в связи с повышением требований к точности адаптации, сокращению времени адаптации, сокращению объема вычислительных затрат и другим показателям адаптивных систем, задача разработки новых методов адаптации и более совершенных алгоритмов адаптации является актуальной.

Цель работы состоит в повышении точности работы радиотехнических следящих систем, входящих в состав радиолокационных и радионавигационных приемников, адаптирующихся к априорной неопределенности динамического воздействия и уровня шума на выходе дискриминатора.

Основными научными и практическими задачами, решаемыми в диссертационной работе, являются:

1. Разработка новых методов и алгоритмов адаптации цифровых радиотехнических следящих систем к априорной неопределенности динамического воздействия и уровня шума на выходе дискриминатора;

2. Определение показателей качества разработанных алгоритмов адаптации и их зависимости от условий работы и параметров адаптивных систем.

Структура и краткое содержание работы. Диссертационная работа содержит введение, четыре главы, заключение, 3 приложения, список использованной литературы. Содержание работы распределено по отдельным разделам следующим образом.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем.

1. Разработан новый метод адаптации цифровых радиотехнических следящих систем к априорной неопределенности динамического воздействия, которым является отслеживаемый параметр радиосигнала, при часто используемой диффузионной математической модели этого воздействия, названный методом адаптации с прямым оцениванием дисперсии формирующего шума (ПОДФШ). Динамическое воздействие в дискретные моменты времени рассматривается при этом как процесс на выходе линейного дискретного формирующего фильтра при поступлении на его вход дискретного формирующего белого шума с неизвестной и изменяющейся во времени дисперсией. Адаптивная следящая система при адаптации методом ПОДФШ состоит из базовой следящей системы, формирователя оценки дисперсии формирующего шума и вычислителя регулируемых коэффициентов передачи. Для адаптивной следящей системы п — го порядка предложена структура формирователя оценки дисперсии формирующего шума.

2. Разработаны алгоритмы функционирования адаптивных радиотехнических дискретных следящих систем первого, второго и третьего порядков, в которых адаптация проводится методом ПОДФШ.

3. Аналитически исследована сходимость в среднем процесса адаптации в указанных системах. Показано при этом, что в установившемся режиме среднее значение оценки дисперсии формирующего шума совпадает с истинным значением дисперсии, т. е. оценка дисперсии является несмещенной.

4. Для адаптивных систем первого, второго и третьего порядков, построенных по методу ПОДФШ, путем моделирования на ПЭВМ определены показатели качества процесса адаптации: точность и время адаптации. Исследована зависимость этих показателей от параметров и условий работы адаптивных систем: диапазона возможных значений дисперсии формирующего шума, дисперсии шума наблюдения, периода дискретизации, постоянной времени сглаживающего фильтра в цепи адаптации.

5. Проведено сравнение показателей качества процесса адаптации в системах первого, второго и третьего порядков при адаптации их предложенным методом ПОДФШ и методами скользящего адаптивного приема и непосредственного регулирования параметров систем. Показано, что при условии одинаковой точности адаптации метод ПОДФШ имеет преимущество по времени адаптации.

6. Предложена новая математическая модель априорно неопределенного динамического воздействия на радиотехническую следящую систему, которым является отслеживаемый параметр радиосигнала. Согласно ей динамическое воздействие образуется на выходе линейного формирующего фильтра, состоящего из нескольких последовательно включенных интеграторов, на вход которого поступает кусочно-постоянный во времени формирующий процесс с неизвестными уровнями ступенек. Для этого модели воздействия определена связь порядка формирующего фильтра, физического содержания и параметров формирующего процесса с видом следящей системы (ЧАП, ФАП, системы временного и углового сопровождения) и используемой моделью взаимного перемещения источника радиосигнала и радионавигационного и радиолокационного приемника.

7. С использованием предложенной математической модели априорно неопределенного динамического воздействия разработан новый метод адаптации цифровых радиотехнических следящих систем, названный методом адаптации с прямым оцениванием интенсивности формирующего процесса (ПОИФП). Определена структура адаптивной системы, построенной по методу ПОИФП, состоящая из предложенных базовой следящей системы, формирователя оценки интенсивности формирующего процесса и вычислителя регулируемых коэффициентов передачи.

8. Разработаны алгоритмы функционирования адаптивных дискретных следящих систем первого, второго и третьего порядков, в которых адаптация осуществляется методом ПОИФП. В эти алгоритмы входят уравнения базовых следящих систем, уравнения формирователя оценки интенсивности формирующего процесса и выведенные соотношения для оптимальных и регулируемых коэффициентов передачи системы.

9. Проанализирована сходимость процесса адаптации в среднем в разработанных адаптивных системах первого, второго и третьего порядков. При этом выведены уравнения, позволяющие, не прибегая к моделированию, найти величину смещения регулируемых в процессе адаптации коэффициентов передачи по отношению к их оптимальным значениям, как функции условий работы и параметров адаптивной системы. Даны рекомендации по уменьшению величины смещения.

10. Путем моделирования поостренных по методу ПОИФП адаптивных систем первого, второго и третьего порядков определены показатели качества процесса адаптации: точности и времени адаптации. Получены и проанализированы зависимости этих показателей от условий работы и параметров адаптивных систем. Показано, что алгоритмы адаптации, построенные по методу ПОИФП обладают высокими быстродействием и точностью. Проведено сравнение по точности и времени адаптации адаптивных систем, построенных по методам ПОИФП, ПОДФШ и методу непосредственного регулирования параметров системы. В процессе сравнения показаны и количественно оценены преимущества предложенной модели динамического воздействия и адаптации методом ПОИФП по времени и точности процесса адаптации.

11. Разработаны два варианта построенных по методу ПОИФП адаптивных цифровых систем фазовой автоподстройки, приспосабливающихся к априорной неопределенности изменения фазы входного сигнала. Первый основан на использовании трапециедальной модели второй производной расстояния между источником сигнала и приемником и является системой ФАП с (фу — фильтром. Второй основан на прямоугольной модели указанной производной и является системой с с ар — фильтром. В качестве базовой при построении этих систем использована система ЦФАП с цифровым синтезатором отсчетов и накопителями в составе цифрового дискриминатора.

12. Рассмотрено недостаточно изученное в литературе явление срыва слежения в системе с ограниченной апертурой характеристики дискриминатора при адаптации к интенсивному динамическому воздействию, который при недостаточных быстродействии и точности адаптации возникает из — за выхода ошибки слежения за пределы апертуры характеристики дискриминатора в процессе адаптации. Показано, что при учете этого явления необходимо ввести в число показателей процесса адаптации вероятность срыва слежения в процессе адаптации и добиваться ее минимизации.

13. Путем моделирования найдены зависимости показателей процесса адаптации: времени, точности адаптации, диапазона изменения регулируемых коэффициентов передачи, вероятности срыва слежения от условий работы и параметров адаптивных систем ФАП с ару — фильтром и ар — фильтром. При этом к условиям работы отнесены диапазон изменения ускорений, длительность фронтов ускорения, центральная частота сигнала, отношение сигнал/шум в полосе УПЧ. Варьируемыми параметрами системы являются период дискретизации в АЦКП дискриминатора, число суммирований в накопителях дискриминатора, постоянные времени сглаживающих фильтров в формирователе оценки интенсивности формирующего процесса. Показано, что разработанные адаптивные системы ЦФАП обладают малым временем адаптации, высокой точностью адаптации, большим диапазоном изменения регулируемых коэффициентов передачи системы, малой вероятностью срыва слежения в процессе адаптации. Проведено сравнение показателей процесса адаптации в системах с ару и ар — фильтрами при трапециедальной форме второй производной расстояния (ускорения) между источником сигнала и приемником. Оно выявило преимущество адаптивной системы ФАП с аруфильтром при не очень коротких фронтах ускорения.

14. Выведены соотношения для оценки выигрыша в точности оценивания фазы и доплеровской частоты сигнала в адаптивных системах.

ЦФАП с а (3у и а|3 — фильтрами по сравнению с неадаптивными системами при трапециельдальной и прямоугольной моделях изменения второй производной расстояния между источником сигнала и приемником. Даны количественные оценки этих выигрышей.

15. Разработана функциональная схема системы ЦФАП, адаптирующейся как к неопределенности динамики фазы входного сигнала, так и к неопределенности величины дисперсии шума на выходе фазового дискриминатора, вызванной неопределенность отношения сигнал/шум в полосе УПЧ. В качестве базовой системы использована цифровая система ФАП, описанная в главе 3. В разработанной системе адаптация к неопределенности динамики фазы входного сигнала осуществляется методом ПОИФП, описанным в главах 2 и 3. Адаптация к уровню дисперсии шума выполняется путем оценивания отношения сигнал/шум в дискриминаторе, преобразования полученной оценки в оценку дисперсии шума на выходе дискриминатора и использования её для вычисления регулируемых коэффициентов передачи адаптивной системы.

16. Разработана схема измерителя отношения сигнал/шум, формирующего оценку этого отношения. Путем моделирования получены характеристики измерителя, определяющие точность оценивания отношения сигнал/шум.

17. Путем моделирования и аналитических расчетов определены показатели процесса адаптации к интенсивности процесса, формирующего динамическое воздействие, в системе ЦФАП, которая одновременно адаптируется и к величине отношения сигнал/шум. Предложены меры повышения точности адаптации к малой интенсивности формирующего процесса при малых отношениях сигнал/шум.

18. Путем сравнения адаптивной и неадаптивной систем оценена необходимость и эффективность адаптации системы ЦФАП к априорно неопределенной величине дисперсии шума на выходе дискриминатора.

19. Разработаны и отлажены программы моделирования разработанных и исследуемых адаптивных следящих систем:

— адаптивных дискретных следящих систем первого, второго и третьего порядков, построенных по методам ПОДФШ и ПОИФП,.

— цифровых систем ФАП, адаптирующихся к априорно неопределенной динамике фазы входного сигнала,.

— цифровых систем ФАП, адаптирующихся одновременно к априорно неопределенным динамике фазы входного сигнала и дисперсии шума на выходе дискриминатора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.