Определение времени задержки приема сигнала с пространственно разнесенными сверхмалыми космическими аппаратами Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

6. Зотов Ю. К., Тимофеев А. В. Управляемость и стабилизация программных движений обратимых механических и электромеханических систем // Прикладная математика и механика. 1992. Т. 56, вып. 6. С. 968—975.

7. Зотов Ю. К., Тимофеев А. В. Стабилизация программных движений с заданными показателями качества в обратимых управляемых системах // Автоматика. 1991. № 3. С. 15—23.

8. Зотов Ю. К., Тимофеев А. В. Методы стабилизации движений обратимых динамических систем с использованием нелинейных канонических преобразований // Прикладная математика и механика. 1994. Т. 58, вып. 6. С. 41—54.

9. Тимофеев А. В. Управление роботами. Л.: Изд-во ЛГУ, 1986. 240 с.

10. Справочник по теории автоматического управления / Под ред. А. А. Красовского. М.: Наука, 1987. 711 с.

11. Тимофеев А. В. Построение адаптивных систем управления программным движением. Л.: Энергия, 1980. 85 с.

12. Тимофеев А. В. Адаптивная стабилизация программных движений и оценка времени адаптации // ДАН СССР. 1979. Т. 248, № 3. С. 545—549.

Рекомендована институтом Поступила в редакцию

31.05.07 г.

УДК 621.396.96

В. В. Вознюк, С. А. Зайцев, Д. А. Толстоухов

Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского Санкт-Петербург

О. А. Булаев

ЦНИИ робототехники и технической кибернетики Санкт-Петербург

Н. В.Гусаков

Штаб космических войск, Москва

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ ЗАДЕРЖКИ ПРИЕМА СИГНАЛА ПРОСТРАНСТВЕННО РАЗНЕСЕННЫМИ СВЕРХМАЛЫМИ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ

Рассмотрен способ определения времени задержки приема сигнала с неизвестными параметрами пространственно разнесенными сверхмалыми космическими аппаратами-ретрансляторами разрабатываемой системой радиотехнического контроля и мониторинга для решения задачи определения местоположения источника сигнала разностно-дальномерным методом.

В настоящее время одним из перспективных направлений скрытого радиомониторинга и контроля радиоэлектронной обстановки является спутниковый мониторинг, в ходе которого определяются координаты источников радиоизлучений. Особенно актуален мониторинг для обнаружения и контроля излучений средств спутниковой связи, радиомаяков, установленных на транспортных средствах для отслеживания маршрутов их передвижения, при фиксировании возможных нарушений режимов работы радиоэлектронных средств (РЭС) устройств, используемых террористическими группировками и т.п. В рамках решения

перечисленных задач наибольшее значение приобретает оперативное и точное определение координат источников радиоизлучения (ИРИ).

Решать задачи радиотехнического контроля и мониторинга можно путем применения широкого спектра методов. При этом необходимо учитывать ряд взаимоисключающих требований по точности, оперативности и глобальности контроля. Для реализации таких требований в [1] было предложено использовать системы на основе сверхмалых космических аппаратов (СМКА) ретрансляторов с последующей обработкой ретранслируемых излучений в наземном центре. Причем для непрерывного наблюдения на значительном удалении от центра обработки должна быть обеспечена возможность ретрансляции сигналов с использованием внешних ретрансляторов отечественных систем спутниковой связи [1].

Космический сегмент такой системы может включать в общем случае различное количество низкоорбитальных (с высотой орбиты 700—900 км) СМКА-ретрансляторов излучений массой не более 20 кг, на основе которых могут быть сформированы „кластеры" (разнесенные в пространстве СМКА-ретрансляторы с известными координатами) различной пространственной конфигурации. В наземном центре должны осуществляться прием ретранслированных излучений с СМКА и измерение временных задержек прихода конкретного сигнала ИРИ на тот или иной СМКА кластера. Значения временных задержек необходимы для определения координат ИРИ с использованием известного разностно-дальномерного (РДМ) метода [2]. Очевидно, что погрешность определения местоположения ИРИ при этом будет зависеть от точности определения координат малых космических аппаратов, а также точности измерения времени задержки поступления сигнала ИРИ ретрансляторами кластера.

Требуемая погрешность вычисления координат ИРИ такой системой находится в пределах нескольких сотен метров. Это накладывает следующие общесистемные ограничения на степень точности определения координат СМКА-ретрансляторов и точности измерения временных задержек [1]:

— среднеквадратичная погрешность определения координат СМКА-ретрансляторов не должна превышать 25 м;

— среднеквадратичная погрешность определения времени задержки прихода одинаковых реализаций сигнала на СМКА-ретрансляторы не должна превышать 30 нс.

Указанные значения погрешности определения координат СМКА-ретрансляторов могут быть обеспечены путем их высокоточной координатной привязки с помощью космических радионавигационных систем (типа „Навстар" и ГЛОНАСС). При этом задача обеспечения требуемых значений среднеквадратичной погрешности определения временных задержек приема сигнала СМКА-ретрансляторами до настоящего времени не рассматривалась. Таким образом, целью настоящей статьи является исследование возможности достижения требуемого уровня точности измерения времени задержки приема сигнала с априори неизвестной структурой кластером СМКА.

Определение времени задержки прихода сигналов с неизвестными параметрами в кластер СМКА-ретрансляторов в наиболее общем случае может осуществляться путем их взаим-

*

ной корреляционной обработки. При этом оценке времени задержки т поступления радиосигнала в две пространственно разнесенные точки соответствует положение максимума модуля взаимной корреляционной функции сигналов, принятых в этих точках [3]. Таким образом, для двух опорных точек можно записать

*

т = аг§шах^(т), (1)

1 Т

ад=-1 Sl(t)s2(t, (2)

Т 0

т

где Т — заданный интервал наблюдения; ), ) — нормированные по средней мощности сигналы ИРИ, принятые соответственно в первой и второй опорных точках.

Обычно применяемые на практике радиосигналы являются узкополосными, т.е. их несущая частота значительно превосходит ширину спектра. Поэтому целесообразно строить функцию взаимной корреляции не для самих узкополосных радиосигналов (*), ^ (*), а для

их низкочастотных составляющих (детектированных огибающих).

Коррелометр, работающий в соответствии с выражением (2), осуществляет относительный сдвиг (задержку) огибающих сигналов ), ) на время тг-, перемножает их и усредняет полученное произведение на достаточно длительном интервале Т. Для построения всей кривой подобные операции повторяются при различных значениях задержки тг-, число которых должно быть достаточно велико. Поскольку априорно структура сигнала излучаемого ИРИ неизвестна, то при разработке коррелометра с ограниченным быстродействием, реализующего описанный метод, возникают существенные трудности, связанные с получением большого числа фиксированных задержек тг- при ограниченном времени измерений [4].

В целях повышения быстродействия алгоритма определения времени задержки предлагается взаимную корреляционную функцию в области ее максимальных значений аппроксимировать кривой второго порядка, которая в дальнейшем позволит быстро получить предполагаемое значение аргумента ее максимума. Для построения такой кривой воспользуемся следующим методическим приемом. Поскольку сигналы ) и ) представляют собой

одну и ту же реализацию исходного сигнала ИРИ, обозначим их огибающие соответственно

* *

/(*) и /(*+т ), где т в зависимости от взаимного положения ИРИ и кластера СМКА-ретрансляторов будет изменяться в пределах единиц миллисекунд. Для получения аппроксимирующей параболы зафиксируем момент времени * и разложим огибающую /(*+т) сигнала ¿2^) в ряд Маклорена по параметру т с точностью до третьего члена ряда

/ (*+т) «/ (*)+т / '(*)+0,5т2 /" (*). (3)

Выражение (2) представим в следующем виде:

1

ад=Т

Т Т 2 Т

I у 2(г )йг + т) у (*)у'(*)йг+1-) у (*) у '(* )йг

0 0 2 0

(4)

Первое слагаемое выражения (4) представляет собой среднюю мощность РСр(Т) сигнала У (*) за период наблюдения Т. Второе слагаемое в (4) с учетом определения производной функции запишем в следующем виде:

т) Г С) г С=4 / (*) '=

т 11Ш

А

Т Т

Т^ ) У (*)У(*+А * № - та; ) У 2( №

К (А *) - К (0) -/ЛЧ

= т 11^ ^ 7-^=т К (0), (5)

А Г^0 А *

где К(0) — значение производной автокорреляционной функции огибающей у(*) сигнала ¿1 (*) в точке т^ = 0. Необходимо заметить, что в точке тг- = 0 достигается абсолютный максимум автокорреляционной функции, следовательно, ее производная в этой точке равна нулю: К (0)= 0.

Выражение (4) при этом принимает следующий вид:

т2 Т

Я(т)=Рср(Т)+2т|А(*)А'(*а.

(6)

*

Тогда окончательно оценка времени задержки сигнала т может быть найдена из следующего выражения:

2Т

Я -Рср(Т)

I А (* )/' (* ун

(7)

где Я — значение, полученное на выходе коррелятора огибающих сигналов ) и ) при тг- = 0, по окончании интервала наблюдения.

Таким образом, при оценивании времени задержки прихода радиосигнала в две пространственно разнесенные точки в измерителе должен реализоваться следующий алгоритм.

1. Прием и детектирование сигналов в опорных точках.

2. Вычисление средней мощности огибающей несмещенного сигнала за период наблюдения РСр(Т) (значения максимума автокорреляционной функции огибающей / (*)).

3. Вычисление второй производной от несмещенной огибающей сигнала /" (*).

4. Интегрирование произведения несмещенной огибающей сигнала и ее второй производной.

5. Измерение значения, полученного на выходе коррелятора смещенной и несмещенной

*

огибающих сигнала Я .

*

6. Оценка времени задержки т с использованием соотношения (7). Структурная схема такого измерителя приведена на рисунке.

я(/+т)

-уг- Л*+0

X 1 г

/ \ -► гр 3 0

КО Л А*) X 1Т Т 1 0 Рср(0

->

Я*

1

а2 —> X 1 Т 1 г

а*2 2Т 0

Для оценки точности предложенного алгоритма было проведено моделирование в среде МаШСаё 12. В качестве исследуемых сигналов были выбраны огибающие радиосигналов с различными видами модуляции, представляющие собой стационарные случайные процессы с ограниченным спектром. Проведенное моделирование позволило оценить среднюю квадра-тическую ошибку измерения величины задержки, которая в зависимости от вида моделируе-

—8 — 7

мых сигналов составила от 0,75-10 до 0,25-10 с. Таким образом, предложенный способ

Контроль качества узлов технических систем с помощью многофакторного эксперимента 17

позволяет получить оценку времени задержки прихода одинаковых реализаций сигнала с неизвестными параметрами с приемлемой для системы радиотехнического контроля и мониторинга точностью.

Работа поддержана Советом по грантам Президента РФ, грант НШ-2394.2006.10.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Вознюк В. В. Зайцев С. А. Космическая система радиотехнического мониторинга на основе группировки низкоорбитальных малогабаритных космических аппаратов // Изв. вузов. Приборостроение. 2005. Т. 48, № 6. С. 26—31.

2. Сайбель А. Г. Введение в теорию определения местоположения объектов радиотехническими методами: Уч. пос. СПб: ВИКУ им. А. Ф. Можайского, 2000. 93 с.

3. Тихонов В. И. Статистическая радиотехника. М.: Сов. радио, 1966. 680 с.

4. Мирский Г. Я. Аппаратурное определение характеристик случайных процессов. М.: Энергия, 1972. 456 с.

Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию

РЭБ и защиты информации 09.02.07 г.

УДК 621.396.6.001.4

А. А. Носенков

Сибирский государственный аэрокосмический университет им. ак. М. Ф. Решетнева

Железногорск

С. В. ПОКИДЬКО, М. И. СОКОЛОВ

Сибирский федеральный университет Железногорский филиал

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА УЗЛОВ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ПОМОЩЬЮ МНОГОФАКТОРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

Рассмотрена возможность использования математического планирования эксперимента с малой выборкой для формирования критериев качества электронных устройств.

Математическое планирование эксперимента (МПЭ) вошло в инженерную практику при решении ряда прикладных задач [1]. Однако технология МПЭ не позволяет синтезировать групповые математические модели однотипных радиоэлектронных устройств (РЭУ), поскольку при исследованиях невозможно управлять внутренними параметрами РЭУ (элементов).

Для оценки соответствия параметров РЭУ как элементов сложных технических систем (СТС) заданным требованиям, обеспечения совместимости устройств системы, прогнозирования их параметрической надежности могут быть использованы результаты экспериментов с малой выборкой [2]. При этом проводится варьирование факторов, отражающих эксплуатационные условия, а спектр влияния внутренних факторов на параметры РЭУ прогнозируется по результатам МПЭ с малой выборкой.

Эксперимент проводился следующим образом:

— из партии изготовленных устройств случайным образом извлекается выборка объемом 10—12 образцов для полного факторного эксперимента (ПФЭ) [1];