Амплитудный пеленгатор с повышенной помехозащищенностью Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.396.932.1

АМПЛИТУДНЫИ ПЕЛЕНГАТОР С ПОВЫШЕННОЙ ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОСТЬЮ

© 2004 г. А.П. Дятлов, П.А. Дятлов, Б.Х. Кульбикаян

При радиомониторинге (РМ) радиоизлучений (РИ) космических аппаратов (КА) широкое распространение получили амплитудные пеленгаторы (АП) с крупногабаритными зеркальными антеннами [1].

Для подавления организованных и непреднамеренных помех, воздействующих на АП из-за больших сложностей реализации методов, основанных на пространственной селекции, приходится использовать методы, основанные на частотной селекции [2].

Применение методов частотной селекции обеспечивает инвариантность к пространственному расположению источников, мешающих РИ.

Известны пути повышения помехозащищенности АП для случая перекрывающихся спектров сигнала и помех с фиксированными частотами [2, 3], а ситуация для случая воздействия на АП помехи с прыгающей радиочастотой (ДЧ помехи) исследована недостаточно полно.

В данной работе исследуются пути повышения помехозащищенности АП при воздействии ДЧ помехи с априорно неизвестными частотными параметрами при перекрывающихся спектрах сигнала и помехи.

Модель радиообстановки (РО) на входе АП имеет

вид

y(t) = S(t) + P(t) + n(t);

S(t) = Ums ^(t - t) cos(mst - Ps);

Цр^ - t) e [-1, 1] при to + (i - 1)ГЭ < t, < to + IT3;

i e [1, ns]; ns = Ts/Тэ;

P(t) = Ump [ropt + jAro rect (t - tj) - Pp]; |ro - ropj < A/S/2; ropj = rop + jAro; [1 при to + (j - 1)Tn < tj < to + jTn; |0 при других tj.

rect (t - tj) = <

j e [1, N/]; Tn >> T3;

Rn(T) = a2n sine (пА/т) cos mt a2n = Nn A/n;

œs = m,, A/n > A/s,

где S(t) - квазидетерминированный фазоманипулиро-ванный сигнал (ФМС); P(t) - квазидетерминированная ДЧ помеха; n(t) - гауссовая стационарная помеха (квазибелый шум); Ums, Ump - амплитуда сигнала S(t) и помехи P(t); œs, œpj- - частота сигнала S(t) и помехи P(t); np(t) - априорно неизвестная манипулирующая функция ФМС; ps, pp - начальная фаза сигнала S(t) и помехи P(t); Тэ, Тп - длительность элемента (посылки)

сигнала £(/) и помехи Р(/); /0, Т - момент начала и длительность существования ФМС; щ - количество элементов ФМС; Юр - нижнее граничное значение частоты помехи ДЧ; Дю, ] - величина и номер частотного скачка ДЧ помехи; Ы/ - количество частотных скачков в ДЧ помехе; гес1[...] - временное окно; Я„(т) - автокорреляционная функция помехи п(/); а2п - дисперсия помехи п(/); юп - средняя частота настройки линейного тракта приемника (ЛТП); Ып -спектральная плотность помехи п(/); Д/п - эквивалентная шумовая полоса ЛТП.

Структура АП с коническим сканированием диаграммы направленности антенны (ДНА) приведена на рис. 1, где А - антенна; ЛТП - линейный тракт супергетеродинного приемника; Д - детектор; ФНЧ -фильтр нижних частот; УВСО - устройство выделения сигнала ошибки; Упр - управитель; ОПУ - опорно-поворотное устройство; и() - напряжение, используемое для демодуляции ФМС.

и/о

А

ЛТП д ФНЧ

ОПУ Упр УВСО

Рис. 1

Принцип действия АП при приеме двухкомпо-нентного процесса у2(0 = + п^) описан в работе

[4].

Среднеквадратичная флюктуационная погрешность автосопровождения а19 при этом равна [1]

gi

g2 = P-

<5 sn 2

at

gi =■

Ns A/S Nn Afn

gs

A Afn / AFm

i-

1 + 2 gSn Afn > A/S,

где 0О,5 - ширина ДНА; gsn, - отношение сигнал/помеха п(0 по напряжению на входе и выходе АП при воздействии процесса у2(0; Д/п - полоса пропускания ЛТП; Д/ - ширина спектра сигнала; ДРш - шумовая полоса пропускания контура автосопровождения в АП; - мощность сигнала на входе АП; а п -дисперсия помехи п(/) на входе АП; Ып -спектральная плотность сигнала Б(Г) и помехи п(().

При воздействии на вход АП (см. рис. 1) трехком-понентного процесса у(^) = Б(() + Р(0 + п(() среднеквадратичная флюктуационная погрешность автосопровождения ст29 существенно возрастает [4, 5]:

а 2е = 42

05 = ае ^

g 2

g 2

g2 =

gs

г^/n /

i

1 + 2 g ln + g L Afn / А^ш

g2 ^ gSp при g2n ^ 1 ;

g2 > 1-

pn

f

AF„,

Pp

>> 1- g2 = — - g2 = —

^^ A > <5 pn О > Ssn T-.

а n

Pp

где g2 - отношение сигнал/результирующая помеха на выходе АП при воздействии процесса у^); gpn - отношение помехи Р(/) к помехе п(/) на входе АП; gsp -отношение сигнала £(/) к помехе Р(/) на входе АП; Рр -мощность помехи Р(/) на входе АП.

При g2n < 1, ¿рп > 1 и А/П/А/ш = 104 при появлении на входе АП помехи Р(() погрешность ст29 возрастает пропорционально коэффициенту К = 102 g2pn, т.е. более чем на 20 дБ, что в большинстве случаев неприемлемо.

С целью уменьшения влияния помехи Р(/) на эффективность автосопровождения в АП можно ввести блок защиты (БЗ) [2, 3]. Структура АП с БЗ приведена на рис. 2, где в состав БЗ входят Фь ..., Ф,, ..., Фт -полосовые фильтры с примыкающими друг к другу амплитудно -частотными характеристиками; УЭь..., УЭ,,..., УЭт - управляемые элементы типа коммутаторов или ограничителей с регулируемым порогом; ЭА - экспресс-анализатор РО; Сум - сумматор.

Принцип действия БЗ описан в работе [2, 3].

В настоящее время получили распространение БЗ при фиксированных значениях частоты помехи Р(/). В исследуемом случае частота помехи Р(/) меняется по псевдослучайному закону. При этом для построения БЗ можно использовать следующие подходы.

Первый подход основан на адаптации БЗ, суть которой состоит в том, что ЭА должен оперативно за время ТЭА << Тп, где ТЭА - быстродействие ЭА, оценивать уровень и частоту помехи Р(/) и далее формировать целеуказания для соответствующих УЭ с целью режекции или ограничения помехи Р(/). При большом количестве частотных скачков Ы/ в помехе Р(/) реализация БЗ становится проблематичной из-за наличия переходных процессов типа ударного возбуждения ПФ. Второй подход более прост в реализации, так как в этом случае ЭА предварительно оценивает весь ансамбль частот Ы/ помехи Р(/), а затем формирует целеуказания на отключение соответствующих ПФ с целью режекции помехи Р(/).

При этом среднеквадратичная флюктуационная погрешность автосопровождения ст39 равна

,e = V2

е0,5 g3

g 3 = g1

1 --

N

f

Af 2

Afn = Afs, m =; Afk > —

Afk

T

где g3 - отношение сигнал/результирующая помеха на выходе АП при воздействии процесса у(/) и отключении в БЗ Ы/ ПФ; т - количество каналов в БЗ; А/к -полоса пропускания ПФ в БЗ.

При большом значении Ы/ (Ы/ > 30) реализация БЗ связана со значительной аппаратурной сложностью. При Ы/т > 0,9 погрешность автосопровождения возрастает не менее чем на 10дБ.

Другим недостатком АП с БЗ является необходимость проведения предварительного экспресс-анализа для определения всего ансамбля частот {<%} помехи Р(0, что существенно снижает быстродействие АП.

С целью уменьшения аппаратурной сложности АП и увеличения его быстродействия при воздействии ДЧ помехи следует вводить в состав АП вместо БЗ автокорреляционное защитное устройство (АЗУ) [5, 6].

Структура АП с АЗУ приведена на рис. 3, где в состав АЗУ входят: ЛЗ - линия задержки; УСЧ - устройство сдвига частоты; П - перемножитель; УФ -узкополосный фильтр; РФ - режекторный фильтр; ПУ -пороговое устройство; ипор - пороговое напряжение; Ком - коммутатор.

Рис. 2

а

m

ЛТП Д. ФНЧ,

ОПУ

ЭД)

лз

УСЧ

АЗУ

п

УФ

д2

ПФ

РФ

ФНЧ,

Дз

и

ПУ

ФНЧ,

■им

Ком

УВСО

Упр

Рис. 3

Принцип действия АЗУ описан в работе [6]. Параметры функциональных узлов АЗУ выбираются из следующих соображений. Для обеспечения режекции помехи Р(/) необходимо, чтобы время запаздывания ЛЗ тлз выбиралось из условия Тэ < тлз << Тп, УСЧ может быть реализован в виде преобразователя частоты. Частота сдвига/сдв соответствует частоте гетеродина в УСЧ, которая выбирается из условия /ф = /дв > 5А/, где /ф - средняя частота ПФ, УФ и РФ. Полоса пропускания ПФ А/ф УФ А/уф и РФ А/рф выбирается из условий

А/ф > А/; А/уф > —— ; А/ф/А/ < 10-2 / — т

Анализ прохождения процесса у(^ через АЗУ выполнен в работах [5, 6].

Компонента «сигнал-сигнал» на выходе ПФ в АЗУ при тлз = Тэ имеет следующий вид:

Us (() = ^^ Ьф (t - t1)S(t1, шсдв )S(ti -тлз )dti =

2 n

K U

П -1, )cos(mCflBt);

Юсдв = 2я/да; Иф(() = 2 А/ф sine (пА/ф/) cos (m^t); А/ф = А/; Пф1(/ - /,) = {-1, +1} при to + 7 < t, < to + (, + 1)7;,

где Uss(t) - напряжение, соответствующее компоненте «сигнал-сигнал»; Кп - коэффициент передачи П с размерностью 1/В; йф(/), юсцв, А/ф - импульсная реакция, средняя частота, полоса пропускания ПФ при идеальной АЧХ; Пф1 (t) - манипулирующая функция компоненты «сигнал-сигнал»; S(t1, А/да) - сигнал на выходе УСЧ.

Поскольку при тлз > Тэ коэффициент автокорреляции ФМС rs(T;) = —^, где В - база ФМС, то при этом

4в

ширина спектра компоненты «сигнал-сигнал» А/ж остается равной ширине спектра исходного ФМС А/.

Компонента «помеха-помеха» для случая ДЧ помехи на выходе ПФ при тлз << Тп сворачивается по спектру и преобразуется в гармоническое напряжение

K U2 t

Upp(t) = ^Г^ I К (t - tl )^(tl, »сдв )^(tl - Tлз )dti

2

K U2

n mp 2

COS^^t),

где ирр(() - напряжение, соответствующее компоненте «помеха-помеха»; Р(/, /да) - помеха на выходе УСЧ.

Поскольку компонента «помеха-помеха» имеет фиксированную частоту юсдв независимо от значений текущей частоты ю ДЧ помехи, то это обстоятельство позволяет осуществлять режекцию ирр^) узкополосным РФ без ощутимых энергетических потерь для компоненты «сигнал-сигнал».

С учетом вышеизложенного, как показано в работах [1, 5], для АП с АЗУ имеем:

4 e = V2

g 4

5e = V2 -e05

g5

g5 =

g4 = ^ при g2m < 1; Крф ^ 0;

gsn

при g2m <i; gpn >>i; крф > о,

K рф g pn

где Крф - коэффициент ослабления в РФ; g4, g5 - отношение сигнал/результирующая помеха по напряжению на выходе АЗУ при идеальном и реальном ре-жектировании; ст49, ст59 - погрешность автосопровож-

2

а

а

дения в АП с АЗУ при идеальном и реальном режек-тировании.

При идеальном режектировании компоненты «помеха-помеха» увеличение погрешности а49 определяется только отношением g2sn и составляет от 0 дБ до 10 дБ соответственно при g2sn = 1 и g2sn = 0,1.

Отсутствие зависимости погрешности а49 от уровня ДЧ помехи объясняется тем, что в АЗУ компонента «сигнал-помеха» на выходе РФ используется в качестве полезной составляющей при выделении сигнала на выходе Дз и ФНЧ3.

При реальном режектировании компоненты «помеха-помеха» увеличение погрешности а59 происхо-2

дит при gрп > и составляют при Крф = 10-4 g2m К рф

> 0,1 от 0 дБ до 10 дБ при g 2рп = 103 и g 2рп = 104.

В приведенном на рис. 3 АП может обеспечиваться адаптация к различным вариантам РО. При наличии помехи Р(/) для ее обнаружения используется специальный канал [6], включающий в себе УФ, Дг, ФНЧ2, ПУ, и при этом на вход УВСО поступают управляющие воздействия через АЗУ. В случае отсутствия помехи Р(/) на вход УВСО поступают управляющие воздействия через типовой канал АП, включающий Дь ФНЧЬ

К достоинствам варианта реализации АП с АЗУ следует отнести возможность повышения помехозащищенности как при воздействии ДЧ помех, так и других помех с различными видами угловой модуляции.

Таганрогский радиотехнический университет

Сравнение АП с БЗ и АП с АЗУ показывает, что второй вариант построения АП при примерно равных показателях подавления ДЧ помехи, выгодно отличается простотой аппаратурной реализации и большим быстродействием, поскольку в нем отпадает необходимость проведения экспресс-анализа РО.

Литература

1. Кантор Л.Я., Аскинази Г.Б., Быков В.Л. и др. Спутниковая связь и вещание: Справочник: 2-е изд. М., 1988.

2. Тузов Г.И., Сивов В.А., Пройков В.И. и др. Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами. М., 1985.

3. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигнала-

ми. М., 1985.

4. Зуфрин А.М. Методы построения судовых автоматических угломерных систем. Л., 1970.

5. Дятлов А.П. Обнаружители и измерители параметров в

радиоконтроле: Учеб. пособие. Таганрог, 1993.

6. Дятлов А.П., Дятлов П.А., Кульбикаян БХ. Корреляци-

онно-фильтровой классификатор вида модуляции связных сигналов // Тр. II МНТК «Радиолокация, навигация, связь» / ВНИИС Воронеж, 2000. С. 625-633.

9 января 2004 г.