CC BY
92
УДК 621.391
АДРЕСНАЯ ОБРАБОТКА ДАННЫХ В РАЗНОСТНО-ДАЛЬНОМЕРНЫХ СИСТЕМАХ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ КООРДИНАТ ВОЗДУШНЫХ ЦЕЛЕЙ
Д.А. Алексеев, С.Ю. Белецкая, А.Б. Токарев
Сбор данных для разностно-дальномерной системы и иных подобных систем часто осложняется фактом сосуществования в анализируемых полосах частот множества однотипных источников, излучаюшдх подлежащие обработке сигналы асинхронно по отношению друг к другу. Предложена процедура адресной обработки подобных сигналов. Приведены краткие результаты эксперимента по определению координат нескольких воздушных целей разностно-дальномерной системой с базой в несколько километров
Ключевые слова: адресная обработка сигналов, радиоконтроль, разностно-дальномерный метод
Введение
В последние годы для решения задачи определения координат (ОК) источников радиоизлучений (ИРИ) часто применяют разностно-дальномерный метод ОК, который на английском языке получил название TDOA - Time Difference Of Arrival [1]. Одной из причин роста интереса к использованию разностно-дально-мерных систем является уменьшение длительности и увеличение ширины спектра применяемых в радиотехнической практике сигналов. Именно применительно к таким широкополосным радиоизлучениям малой длительности TDOA-системы оказываются очень эффективными.
Разностно-дальномерные системы (РДС) осуществляют ОК ИРИ, базируясь на измерении разницы времени прихода радиосигналов от ИРИ на несколько отстоящих друг от друга приемных постов (I III). Для обеспечения синхронизации локальных шкал времени входящих в систему РДС постов могут быть использованы высокостабильные опорные генераторы, синхронизируемые по PPS-сигналам, получаемым от тайминговых GPS-приёмников [2]. При обработке потока PPS-сигналов фильтром Калмана такой подход позволяет достигать синхронизации шкал времени II с рассогласованием не более ±30 нс, что, как правило, достаточно для достижения высокой точности при ОК ИРИ.
Для достижения высокой точности ОК желательно также, чтобы ИРИ находился внутри многоугольника, охватываемого II, и
чтобы на каждом 1111 принимаемые сигналы наблюдались с достаточно высоким отношением сигнал-шум [3-4]. Эти два условия - противоречивы, т.к. очевидным способом выполнения первого из них является разнесение 1111 на большое расстояние друг от друга, но при этом наблюдаемые отношения сигнал-шум будут неизбежно снижаться. Технически эффективным способом преодоления указанного противоречия является построение обширной сети ПП, плотно покрывающей обслуживаемую территорию, однако его широкому практическому применению мешает значительная стоимость подобной сети. Как следствие, реальные РДС часто включают в свой состав от 3 до 5-6 ПП, территориальное разнесение которых определяется классами анализируемых ИРИ. Сведения, приводимые в последующей части работы получены для РДС минимального объема, ориентированной на обработку сигналов телевизионных и радиовещательных передатчиков и состоящей из трёх ПП, разнесенных друг от друга в условиях города на несколько километров. Следует признать, что для ОК воздушных целей подобное расположение ПП не является идеальным, поскольку большинство целей оказываются далеко за пределами многоугольника ПП, однако такая РДС вполне подходит для отладки адресной обработки сигналов при ОК.
Цели и способы осуществления адресной обработки сигналов
Хотя формально для ОК при разностно-дальномерной обработке достаточно единственного комплекта взаимных задержек сигналов, не следует забывать, что измерение задержек сопровождается ошибками, величина которых зависит от точности синхронизации постов системы, неидентичности трактов приема ПП, от отношения сигнал-шум и интерференционной картины, складывающейся в местах уста-
Алексеев Дмитрий Александрович - ВГТУ, аспирант, тел. 8 (920) 4063748
Белецкая Светлана Юрьевна - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8 (473) 243-77-04 Токарев Антон Борисович - ВГТУ, д-р техн. наук, доцент, e-mail: TokarevAB@ircoc. vrn.ru, тел. 8(920)4665525
новки приёмных антенн. Влияние большинства из перечисленных факторов проявляется в устойчивых по величине поправках. Соответствующие ошибки можно лишь частично преуменьшить за счет калибрования аппаратуры. Погрешности же, вызываемые шумом, носят флуктуационный характер и могут быть заметно снижены за счет обработки результатов многократных измерений. Однако на практике организации многократных измерений часто препятствует факт сосуществования в обрабатываемом диапазоне частот сигналов от многих однотипных целей. В частности, при обработке самолётных сигналов следует учитывать, что в конкретный момент времени в зоне действия каждого из постов РДС может находиться сразу несколько целей, излучающих однотипные сигналы асинхронно по отношению друг к другу. И простое, безадресное накопление данных почти наверняка приведёт к ошибочной совместной обработке сигналов, принадлежащих разным источникам. Таким образом,
применение многократных измерении должно подразумевать адресную обработку, обеспечивающую правильную «привязку» наблюдаемых сигналов к каждому из совокупности ИРИ, деиствующих в обрабатываемом диапазоне частот.
Адресная обработка неразрывно связана с детальным учётом и использованием структуры принимаемых сигналов. Отдельные элементы структуры ADS-B сигналов [5], излучаемых воздушными целями, показаны на рис. 1. Сообщения, располагающиеся после стандартизированной преамбулы, в своеИ информационной части, формируемой с помощью импульсного кодирования (код Манчестера), содержат, в частности, идентификационный номер самолета (DATA BLOCK: биты 9...32). Следовательно, радиоимпульсы, характеризуемые одинаковой последовательностью соответствующих бит, гарантированно принадлежат одному и тому же ИРИ, а потому могут и должны обрабатываться совместно.
О | 0 | 1 | О
Рис. 1. Структура ADS-B сигнала
Рис. 2. Изменение интенсивности радиоимпульсов, наблюдаемых в канале управления воздушным движением
07282817
Итак, при приёме и оценивании взаимных задержек ADS-B сигналов адресная обработка предполагает получение потока отсчетов огибающей радиоизлучения на частоте 1090±4 МГц, синхронизацию с преамбулами ADS-B сигналов и вычленение последовательностей бит, кодирующих идентификационный номер самолёта. Учитывая, что предписываемое стандартом изменение интенсивности огибающей носит бинарный характер, свёртку потока отсчетов с импульсной характеристикой согласованного фильтра можно заменить скользящим суммированием групп отсчетов, соответствующих расположению импульсов в преамбуле ADS-B сигнала. При импульсном кодировании кодом Манчестера изменения состояния сигнала происходят через 1/2 элемента, т.е. через 0,5 мкс и искомую преамбулу можно записать как последовательность полубит v = "10 10 00 01 01 00 00 00", где длительность отдельного полубита составляет 0,5 мкс, поэтому статистика, используемая для выявления преамбулы, может быть записана в виде
Z (k )=sum(k ,В_7,В_6)+sum(k, B_9, B_8)+ +sum(k, B_14, B_13)+sum(k, B_16 ,B_15),
(1)
где В, = floor (, • 0,5 • 10_6 • FS ) (2)
- соответствующий частоте дискретизации FS интервал в отсчетах до границы , -го полубайта,
л k+stop _1 =k+start
sum
(k, ^ stop-) = i ], (3)
- сумма, размещающихся на интервале от start до stop отсчетов огибающей принимаемого радиоизлучения.
При этом, если k -й отсчет действительно соответствует моменту t0 окончания преамбулы и началу информационного блока, то сумма
Zm (k) = sum(k ,B_6, 0) + sum(k, В_8 ,B_7) + (4)
+ sum(k, В_13, В_9) + sum(k, В_15 ,В_14)
должна обеспечивать суммирование отсчетов шума, заполняющего промежутки между импульсами преамбулы. Измеряемая микросекундами продолжительность преамбулы означает крайне низкую вероятность существенного изменения условия распространения радиосигнала, а потому наблюдаемая интенсивность огибающей от импульса к импульсу практически не должна изменяться. Всё вместе это означает, что правило принятия решения о соответствии k-го отсчета огибающей A(t) моменту t0 окончания преамбулы может быть записано в виде
k = arg k+5max+^ Z(k) & (Z (k) > f3nop • Z„ (k)) & (^ < sum(k,В_9,В_8)/sum(k,В_7,В_6) < 2) (5)
& (^ < sum(k,В & (^ < sum(k,В
-14 ,В_13 ^ В_15
)/sum(k,В_7,В_6) < 2) )/sum(k,В_7,В_6) < 2),
где Д, = 1...4- поправочный коэффициент для
порога выявления преамбулы, определяемый допустимой вероятностью ложной тревоги.
После выявления совокупности моментов t0 окончания преамбулы идентификационный номер воздушной цели для каждого из них может быть определён как побитовая сумма
Id = £ 2m &
f
sum(k,^ ,B2m+1
)
Л
sum(k,B2m+1,B 2m+2
)
> 1
(6)
Объединенная обработка выборок данных, характеризуемых совпадающими идентификаторами целей, позволяет минимизировать влияние аддитивных шумов на качество оценивания взаимных задержек сигналов и создавать системы радиоконтроля, обеспечивающие высокоточное ОК ИРИ.
Результаты проверки работоспособности адресной обработки сигналов при определении координат воздушных целей
Для оценки корректности изложенного выше подхода использовалась аппаратура компании АО ИРКОС со специализированным программным обеспечением (ПО) оперативного режима, обеспечивающим сбор и адресную обработку данных с соответствии с разностно-дальномерным методом. Рис. 3 показывает, что в полосе частот 1090+4 МГц отображаемый темным цветом текущий спектр, как правило, имеет шумовой характер. Накопленный же спектр демонстрирует фиксацию сравнительно мощных радиоимпульсов, подтверждая, что в диапазоне частот, предназначенном для сигналов управления воздушным движением, радиоизлучения имеют пакетный характер. Выбрав эту полосу частот для разностно-дальномерной обработки, оператор имеет возможность активировать процесс адресного сбора данных с разных ПП на центральный пост системы. При наличии в зоне действия РДС воздушных целей через несколько секунд он сможет увидеть на экране таблицу результатов ОК, подобную показанной на рис. 4. Наличие в таблице двух заполненных строк указывает на то, что ПП системы РДС на интервале измерений зафиксировали преамбулы ADS-B сигналов и сумели осуществить идентификацию 2 воздушных целей.
Рис. 3. Установка на обработку полосы частот, предназначенной для сигналов управления воздушным движением
Рис. 4. Результат ОК воздушных целей, пролетающих в 30.. .50 км от Воронежа
Координаты целей, получаемые в ходе эксперимента, обладали достаточно высокой стабильностью, что являлось косвенным подтверждением правильности сбора данных для разно-стно-дальномерных расчетов. Для повышения надёжности проверки параллельно с оценкой координат при помощи РДС производился контроль воздушного пространства при помощи опИпв--сервисов наблюдения за воздушным движением. Данные, представленные на рис. 5, показывают, что в анализируемый момент времени в окрестности Воронежа действительно пролетал борт «AFL1637» с шестнадцатерич-ным идентификационным номером «424055». Координаты самолёта, полученные от системы
РДС (рис. 4) и от опИпв-сервиса (рис. 5) вполне сопоставимы, хотя и не идентичны; расхождения объясняются погрешностью работы системы РДС, а также задержкой получения данных от опИпв-сервиса.
При отображаемой на рис. 5 воздушной обстановке следовало бы ожидать появления в таблице результатов РДС ещё одной цели -самолёта, наблюдаемого немного севернее Воронежа. Однако, диаграммы направленности антенн ПП тестируемой РДС преимущественно были сориентированы в южном направлении, что и объясняет пониженную чувствительность системы к целям, подлетающим к городу с северного направления.
Рис. 5. Проверка корректности ОК сторонними online-средствами
Следует учесть также формальную недостаточность трёх ПП для решения трёхмерной задачи ОК. Для преодоления этого противоречия было решено использовать сведения о высоте, получаемые декодированием служебной информации, отсылаемой самим самолётом. Такой подход позволил получить примерно 10%-ю относительную погрешность ОК, т.е. для самолётов, пролетающих в 10-километровой зоне от центра Воронежа погрешность, как правило, не превышала 1 км, а для целей, удаленных на расстояние 30...50 километров, погрешность ОК составляла от 2 до 3 километров. Подобную погрешность, конечно, трудно считать образцовой, однако без увеличения числа ПП в РДС улучшить результат вряд ли возможно. Вместе с тем, корректность адресной обработки сигналов проведенные эксперименты вполне подтвердили, что и являлось их основной целью.
Литература
1. Отчет МСЭ-R SM.2211-1 (06/2014). Сравнение методов определения географического местоположения источника сигнала, основанных на разнице во времени прихода и угле прихода сигнала. - Женева, МСЭ-R, 2015.
- 7 с.
2. Калинин, Ю.Е. Синхронизация радиоконтрольных постов разностно-дальномерной системы определения координат источников радиоизлучения / Ю.Е. Калинин, В.А. Козьмин, И.Б. Крыжко, А.В. Поляков, А.А. Саликов,
A.Б. Токарев // Радиотехника. - 2014. - № 3. - С. 51-54.
3. Рембовский, А.М. Радиомониторинг: задачи, методы, средства / А.М. Рембовский, А.В. Ашихмин,
B.А. Козьмин; под ред. А.М. Рембовского. - 3-е изд., пе-рераб. и доп. - М: Горячая линия-Телеком, 2012. - 640 с.
4. Козьмин, В.А. Сравнение угломерного и разно-стно-дальномерного методов местоопределения по критерию охвата территории при радиоконтроле / В.А. Козьмин, А.П. Павлюк, А.Б. Токарев // Электросвязь. - 2014.
- № 2. - С. 37-40.
5. История развития ADS-B и основные форматы данных - Электрон. дан. - Режим доступа: http://gadss.ru/ads-b-history-adsbradar-ru
Воронежский государственный технический университет
ADDRESS DATA PROCESSING OF AIR TARGET SIGNALS IN TDOA-SYSTEMS
D.A. Alekseev, S.Yu. Beletskaya, A.B. Tokarev
The collection of data for TDOA-system and other similar systems is often complicated by the fact that in the analyzed frequency bands often works many of similar sources, emitting their signals asynchronously with respect to each other. In the paper an appropriate аddress data processing algorithm proposed and brief results are shown for the experiment of determine the coordinates of several air targets by TDOA-system with a base of several kilometers
Key words: address data processing, radio monitoring, TDOA-method
