CC BY
73
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Радиофизика и радиотехника
УДК 621.396.
ВЕРОЯТНОСТНАЯ ОЦЕНКА ПОРАЖЕНИЯ ПОМЕХАМИ ПРИЕМНИКА РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ
А.П. СТАДНЮК
Статья представлена доктором физико-математических наук, профессором Козловым А.И.
Рассматриваются факторы, влияющие на качество функционирования радионавигационных систем при эксплуатации и формулируются возможные пути обеспечения требуемого качества функционирования в этих условиях. Производится оценка вероятности поражения приемника радионавигационных сигналов помехами.
В общем случае можно считать, что радиоэлектронные системы гражданской авиации являются системами сбора обработки и передачи информации. С позиций обеспечения безопасности и регулярности полетов качество их функционирования должно оцениваться достоверностью информации, получаемой посредством радиосредств экипажами воздушных судов и диспетчерами службы движения. Требования к достоверности информации на выходе радиосредств ГА определены нормативными документами. В зависимости от назначения нормируются различные показатели; например, максимальные ошибки измерения навигационных параметров, разборчивость речи, вероятности ложной тревоги и пропуска цели.
Несмотря на многообразие показателей, все они, в основном, определяются отношением мощности полезного сигнала Рс к мощности мешающих сигналов (помех - Рп и собственного шума приемника - Рш) на выходе устройства обработки - ^вых=Рс/(Рп+Рш).
Этот показатель отражает практически все факторы, влияющие на достоверность информации в реальных условиях эксплуатации и может быть принят критерием качества функционирования практически любого РЭС в условиях воздействия помех. Очевидно, что в общем случае параметр цвых может быть представлен в виде некоторого функционала, описывающего алгоритм обработки входного воздействия в приемнике
Цвых ф(Хс,Хп,А)
где: Хс - вектор параметров сигнала; Хп - вектор параметров помех; А - вектор параметров, характеризующих техническое состояние РЭС.
При известном виде модуляции условие работоспособности выражается ^вых>^выхдоп, где Ц_вых доп определяется назначением системы. Исходя из приведенных достаточно простых соотношений, можно сформулировать основные методы обеспечения требуемого качества функционирования РЭС при воздействии помех.
Качество функционирования РЭС и радионавигационных систем, зависит от технического состояния радиосредств. Известен подход, позволяющий свести влияние помех к эквивалентному изменению параметров. При этом вышеприведенное равенство можно переписать в следующем виде: двых=ф{А(Хс,Хп)}. В этом случае, зная прогноз изменения параметров сигнала и помех, можно выделить область Адоп такую, которая при выполнении условия Ае Адоп выполняет неравенство ^вых>^выхдоп. Таким образом, учесть влияние помех в рамках сложившейся программы эксплуатации можно, например, за счет обоснованного выбора номинальных значений и эксплуатационных допусков на параметры РЭС.
Решение этих задач требует наличия долговременного прогноза параметров помех. Здесь прогноз помех имеет тоже значение, что и прогноз необратимого изменения технического состояния РЭС, так как это две равноценные составляющие, определяющие качество функционирования радиосредств.
Параметры сигнала и помех определяются множеством случайных факторов, влияние которых рассредоточено в пространстве и во времени. Поэтому прогнозирование помеховых ситуаций является чрезвычайно сложной многоплановой задачей, требующей большого объема статистических исследований, результаты которых быстро устаревают по мере ввода в эксплуатацию новых радиосредств. Кроме того, статистические характеристики помех могут многократно изменяться в широких пределах за время, сравнимое с продолжительностью полета. Следовательно, в каждом случае будет своя область Адоп, в пределах которой обеспечивается заданное качество функционирования. Именно поэтому эксплуатационные допуски необходимо выбирать, исходя из худшего случая, что приводит к значительному увеличению стоимости эксплуатации. Учитывая, что основными источниками электромагнитных помех являются РЭС, входящие в комплекс радиосредств УВД, можно добиться улучшения электромагнитной обстановки за счет рационального распределения рабочих частот между отдельными РЭС комплекса, то есть снизить вероятность поражения приемника помехой, оперируя частотными параметрами сигнала Хс и помех Хп.
Организация УВД предполагает непрерывное взаимодействие между экипажами и диспетчерами на протяжении всего полета, т.е. необходимо учитывать взаимовлияние РЭС, расположенных в соседних зонах ответственности. Поскольку зоны перекрываются, то распределение частот должно производиться одновременно с учетом всех РЭС комплекса, что обуславливает огромную размерность задачи. Более предпочтительными являются методы, реализация которых возможна независимо для каждого радиоканала. Экспериментальные данные свидетельствуют, что одной из основных причин влияния помех на качество функционирования радиосредств является низкая помехоустойчивость радиоприемных устройств. Так, например, для систем связи метрового диапазона в 70% случаев влияние помех обусловлено низкой помехоустойчивостью приемника. Помехоустойчивость приемника в первую очередь определяется алгоритмом обработки входного воздействия. Наиболее перспективными в этом направлении являются оптимальные методы обработки, которые с развитием элементной базы находят все более широкое распространение на практике. Структура оптимального приемника определяется видом принимаемого сигнала и для различных сигналов, применяемых в ГА, различна. Однако оптимальные приемники всех сигналов, применяемых в ГА, включают в себя канал оценки частоты, необходимость которого обусловлена недостаточной стабильностью радиоканалов. Учитывая, что качество приема в значительной степени определяется точностью оценки частоты принимаемого сигнала, реализация оптимальных алгоритмов оценки частоты является одним из методов обеспечения требуемого качества функционирования РЭС в условиях помех.
Как отмечалось, требования к характеристикам приемника, удовлетворение которых необходимо для обеспечения заданного качества приема, изменяются в соответствии с изменением параметров сигнала и помех. Поскольку параметры сигнала и помех изменяются относительно быстро, то наиболее перспективным является метод, направленный на разработку алгоритмов оперативного управления параметрами приемника в соответствии с изменением характеристик сигнала и помех непосредственно во время применения РЭС по назначению. Для решения этой задачи необходимо оценить влияние помех и параметров приемника на качество функционирования РЭС с целью выбора таких параметров приемного устройства, оперативное управление которыми позволяет улучшить качество приема при воздействии электромагнитных помех. Оценка влияния помех требует знания как частотных, так и амплитудных параметров электромагнитных помех. Учитывая, что основой снижения взаимовлияния РЭС является частотная селекция, наиболее существенным является соотношение между частотными параметрами помехи и приемника. В первую очередь необходимо знание расстроек каждой из помех относительно частоты настройки приемника. Большое количество РЭС, входящих в комплекс радиосредств УВД, а также изменения частот и введение дополнительных каналов по мере роста интенсивности воздушного движения затрудняют проведение подобного анализа. Поэтому зачастую параметры помех известны не полностью либо вообще неизвестны. В этом случае необхо-
димо использовать вероятностную модель распределения частот и проводить вероятностную оценку поражения приемника помехами. При вероятностном подходе невозможно жестко закрепить каждую из частот за отдельными РЭС, поэтому необходимо, исходя из имеющихся сведений, обосновать вид распределения (плотность вероятности либо функцию распределения) излучаемых частот внутри диапазона. При полном отсутствии сведений можно использовать равновероятную модель, то есть плотность вероятности частоты помехи в пределах одного выделенного диапазона записывают в следующем виде: W(/)=1/(/max-/min), где fmax и fmin соответственно максимальная и минимальная частоты рассматриваемого диапазона.
В настоящее время за счет рационального распределения рабочих частот взаимные помехи, воздействующие по основному каналу приема, практически могут быть исключены. Взаимовлияние радиосредств комплекса РЭС УВД обуславливается побочным излучением передающих устройств и восприимчивостью приемников по неосновным каналам приема. Остановимся подробнее на механизме образования неосновных каналов приема и методах оценки восприимчивости по ним. Чтобы получить наглядное представление об образовании неосновных каналов приема, необходимо выбрать метод описания вольт-амперных характеристик активных элементов, работающих в нелинейном режиме.
Обычно в качестве аппроксимирующей функции используются кусочно-ломаные и различные трансцендентные функции, экспоненциальная функция и степенной полином. При исследовании неосновных каналов приема предпочтение отдают аппроксимации при помощи степенных полиномов.
Рассмотрим нелинейные эффекты, возникающие в каскадах приемника при воздействии помех, в случае использования полиномиальной аппроксимации для выходного тока:
где: Ьп - коэффициент при п -м члене полинома; т - степень полинома; ивх - входное воздействие.
При воздействии интенсивной помехи с частотой, близкой полосе основного канала, возникает эффект блокирования, проявляющийся в уменьшении усиления принимаемого полезного сигнала. Блокирование возникает в активных элементах входного тракта приемника из-за нелинейного закона изменения коэффициента передачи полезного сигнала под действием помехи.
Количественно эффект блокирования оценивается коэффициентом блокирования Кбл, который определяется как отношение изменения амплитуды выходного тока на частоте полезного сигнала А1вых при блокировании к амплитуде того же тока 1вых, при отсутствии блокирования. При аппроксимации характеристики полиномом третьей степени в случае гармонического сигнала и помехи коэффициент блокирования выражается в виде:
где: ип - амплитуда колебания помехи.
Как следует из (2), коэффициент блокирования определяется мощностью помехи на входе, т. е., помимо параметров воздействующей помехи, определяется избирательностью приемника.
Перекрестной модуляцией называется нелинейный процесс модуляции полезного сигнала по закону изменения колебания помехи, обусловленный действием помехи с частотой вне основного канала приема (наиболее часто по соседнему каналу).
Количественно перекрестная модуляция оценивается таким же методом, как и блокирование. Различие состоит лишь в том, что полезный сигнал и помеха амплитудно-модулированы с
m
(1)
n=0
(2)
коэффициентами т0 и тп с частотами Е0 и Еп соответственно, а эффект перекрестной модуляции определяется после детектирования. Коэффициент перекрестной модуляции определяется как отношение приращения тока с частотой Еп к амплитуде тока полезного сигнала в отсутствие помехи:
К», » 3 В иП;. (3)
Ч В1
Как следует из (3), помимо параметров помехи и сигнала, Кпм определяется избирательностью приемника. Чтобы характеризовать свойство приемника принимать слабый полезный сигнал в присутствии помехи большого уровня, пользуются понятием динамического диапазона по блокированию и перекрестной модуляции, которые определяются зависимостями:
ОЛ1 ипблдоп „ ОА, ип пм доп (4)
вбл = 201в^—; °пм = 2°1в—-—, (4)
и 0 и 0
где: ипблдоп - максимально допустимая амплитуда блокирующей помехи на входе, определяемая допустимым Кбл; иппмдоп - максимально допустимая амплитуда помехи на входе, создающая перекрестную модуляцию, определяемая допустимым Кпм; и0 - реальная чувствительность приемника.
Нелинейность активных элементов каскадов приемника обуславливает его восприимчивость по комбинационным и интермодуляционным каналам приема. Комбинационные каналы приема образуются в смесителе за счет нелинейного взаимодействия колебаний помехи и гетеродина и их гармоник. При этом частота результирующего колебания помехи и гетеродина попадает в полосу ЛЧ приемника, т.е. удовлетворяет соотношению:
\р/п ±ЧГг\ = /пч ’ (5)
где: /п, /г, /пч - соответственно частоты помехи, гетеродина и промежуточная частота; р, ц - целые числа, их сумма определяет порядок комбинационного канала. Максимальный порядок совпадает со степенью аппроксимирующего полинома.
Количественно комбинационные каналы характеризуются восприимчивостью, под которой понимается уровень помехи на входе, частота которой (5), создающей на выходе линейной части такой же эффект, как и полезный сигнал с уровнем на входе, равным чувствительности приемника.
Можно показать, что при аппроксимации характеристик смесителя полиномом степени п<6, уровень помехи на входе, при котором создается тот же эффект что и при действии полезного сигнала, можно определить из выражения:
и 1
К
(Г )]1
Кс (/■ )и0*
'2
в иц-1
^ р+тг
(6)
(р + ц ) Ьр+ц
где: итг - амплитуда колебания гетеродина; Вр+ц =--------+ +.----, Кп(/), Кс(/) - коэффициент
2р ц р! ц!
передачи преселектора на частотах помехи и сигнала соответственно.
При воздействии на вход приемника двух и более помех в приемном устройстве могут образовываться интермодуляционные каналы приема. Ограничимся рассмотрением наиболее вероятного случая, когда на приемное устройство воздействует только две помехи. В этом случае частоты помех, образующих наиболее опасные интермодуляционные каналы приема, удовлетворяют соотношениям:
т/п\ ±Пп2 /с, 2їп1 їп2 їс, їп\ їп2 їпч • (7)
Первые два равенства определяют интермодуляционные каналы второго и третьего порядка, а третье - второго порядка, образующиеся в смесителе. Количественно интермодуляционные каналы приема характеризуются уровнем двух мешающих колебаний одинаковой амплитуды, которые будучи приложены совместно ко входу приемника, создают на его выходе такой же эффект, как и при действии одного сигнала амплитудой, равной чувствительности приемника, и с частотой, совпадающей с частотой основного канала. Более удобной является нормированная характеристика - отношение произведения этих уровней к квадрату уровня сигнала. Можно показать, что указанные нормированные характеристики интермодуляционных каналов вида (7) приближенно определяются:
D1-1 = л/2 103
K°c (f )b D2-1 = 2 • 104---------------1
*01 (f )K02 (f )b2 " Koc (f
3
^3
D(1-1)w4
:10-
i
Kc (f )b r,
u тг -
K1 (f )K2 (f b
где: K0c, K01, K02 - коэффициенты передачи входной цепи на частотах сигнала и помех соответственно, Ki, К2 - коэффициенты передачи преселектора на частотах помех.
Приведенные зависимости при заданных p и q позволяют получить участки диапазона рабочих частот приемника fCKmin-fCiKmax, в пределах которых приемник может поражаться по комбинационному каналу соответствующего порядка. Кроме того, эти же зависимости позволяют выделить участки диапазонов частот передающих устройств - fKmin-fKmax, где их излучения могут привести к поражению по комбинационному каналу соответствующего порядка.
Вероятность поражения приемника по комбинационному каналу приема можно выразить
Рк=Р iP 2Р 3,
где: Р1 - вероятность попадания комбинации в полосу УПЧ; Р2 - вероятность того, что частота помехи лежит в диапазоне fnKmin-fnKmax; Р3- вероятность того, что частота настройки приемника лежит в диапазоне fcKmin-fcKmax.
При принятом равновероятном распределении частот помехи можно определить:
D fnK max — fnK min D fCK max - fCK min /оч
±2 —-------------------, P3 —----------------------------------------. (8)
fn max — fn min fc max — fc min
Вероятность попадания комбинации в полосу УПЧ приемника в случае прямоугольной характеристики выражается:
DfnH — Af,
—------JnH----УЭ----, (9)
2 f — f •
Jn к max J пк min
где: Afn4 - ширина полосы пропускания УПЧ; Af - ширина энергетического спектра помехи.
Ранее отмечалось, что частоты наиболее опасных интермодуляционных каналов определяются выражениями (7). Предполагая равномерным распределение частот помех и шума в диапазонах fn1min—fn1max и fn2min—fn2max нетрудно определить распределение соответствующих комбинаций W(fu1+1), W(fu1-1) и W(fm-i). Знание этих распределений позволяет определить вероятность поражения приемника по наиболее опасным интермодуляционным каналам. Ухудшение качества функционирования приемника наступает в случае, когда частота интермодуляционной комбинации попадает в полосу пропускания УПЧ. Вероятность поражения приемника по первым из трех комбинаций каналов (7) определяется:
1
fCHM max fc + Dfп
m max j c't-y пч
j j W (fUM 1 Wum 1dfC , (10)
max
где: 2^пч - полоса пропускания УПЧ; W(fUМ1) - соответствующая плотность вероятности.
Вероятность поражения по каналу, определяемому третьим выражением в (7), определяется
Как следует из полученных выражений, основными параметрами приемника, определяющими вероятность поражения его помехой, являются коэффициенты передачи каскадов пресе-лектора на частотах сигнала и помех, коэффициенты аппроксимации характеристик активных элементов и чувствительность приемника. Однако реализация оперативного управления перечисленными параметрами требует знания характеристик помех, которые в большинстве случаев неизвестны. Кроме перечисленных параметров, вероятность поражения приемника помехой в значительной мере определяется полосой пропускания приемника, т.е. чем меньше полоса, тем меньше вероятность поражения. Таким образом, сужение полосы пропускания приемника позволило бы увеличить отношение q и, тем самым, улучшить качество функционирования РЭС.
They are considered factors, influencing upon quality of the operation radionavigation systems at usages and are
fпч + Dfпч
выражением:
PROBABILISTIC ESTIMATION OF THE DEFEAT HINDRANCE RECEIVER
RADIONAVIGATION
Stadnyk O.A.
formulated possible ways of the provision required quality of the operation in these condition. It is hroduced estimation to probability of the defeat of the radionavigation receiver by signal hindrance
Сведения об авторе
Стаднюк Алексей Петрович, 1962 г.р., окончил МВТУ им. Н.Э. Баумана (1985), аспирант
МГТУ ГА, автор 5 научных работ, область научных интересов - организация и управление воздушным движением.
