Способ обнаружения источника радиоизлучения по статистическим характеристикам радиосигнала
METHOD FOR DETECTING THE SOURCE OF RADIO EMISSION BASED ON THE STATISTICAL CHARACTERISTICS OF THE RADIO SIGNAL

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способам и устройствам распознавания объекта с использованием электронных средств. Способ обеспечивает распознавание источника радиоизлучения по свойственным источнику статистическим характеристикам параметров излучаемого радиосигнала.
Заявленный способ может быть использован при мониторинге радиосигналов, решении задачи идентификации радиосигнала и обнаружении источника радиоизлучения при слабом уровне сигнала, препятствующем его декодированию, в случае если при обработке выборок регистрируемых сигналов могут быть обнаружены численные параметры сигналов, характерные для радиоизлучающего средства, установленного на объекте и являющегося источником анализируемого радиосигнала.
Предложенный способ может быть рекомендован, например, в случае обработки сигналов автоматической системы идентификации судов, предназначенной для обеспечения безопасности судоходства. В соответствии с процедурой обмена информацией для автоматической системы идентификации судов установлены интервалы между радиосообщениями, передаваемыми судовой аппаратурой. Так при скорости судна более 14 узлов или смене курса номинальный интервал составляет 2 секунды [1, с. 20]. На практике интервалы излучения различных судов отличаются в связи с отличием свойств и параметров судовой радиоизлучающей аппаратуры, поэтому интервалы излучения радиосообщений могут быть использованы для идентификации радиосигнала и распознавании суда.
При низком уровне сигнала, препятствующем его декодированию, заявленный способ позволяет идентифицировать объект путем статистической обработки параметров наблюдаемых радиосигналов с использованием методов математической статистики. В описании заявленного способа используются выборка радиосигналов, под которой понимается последовательность упорядоченных во времени значений сигнала подлежащего идентификации, и зарегистрированных средством мониторинга.
Уровень техники
Известен способ идентификации сигналов - патент RU 2485586 С1 (кл. G06K 9/62) [2], техническим результатом которого является снижение временной длительности процедуры идентификации анализируемого сигнала с эталонами и сокращение памяти, необходимой для хранения эталонных образцов сигналов.
Реализация способа RU 2485586 С1 предусматривает предварительный этап, этапы обучения и распознавания. При обучении формируют эталонные классы сигналов, отличающиеся значениями характеризующих классы идентификаторов, и осуществляют запись идентификаторов эталонных классов для последующей идентификации текущих анализируемых сигналов. При распознавании сигнала преобразуют анализируемый сигнал к определенному виду, выбранному на предварительном этапе, принимают решение о принадлежности сигнала к эталонному классу путем оценки количества параметров преобразованного анализируемого сигнала совпавших с эталонными параметрами сигнала, названных в описании способа идентификаторами, и количества не совпавших параметров- идентификаторов.
Этот способ является наиболее близким по технической сущности и выбран в качестве способа- прототипа заявленного изобретения.
Существенным недостатком способа-прототипа, не позволяющим его использовать в ряде случаев для решения задачи обнаружения источника радиоизлучения путем идентификации радиосигналов, является невозможность распознавания источника излучения в случае, если анализируемые сигналы соответствуют установленным требованиям, при этом требования содержать один набор номинальных (эталонных) параметров сигналов. Т.е. в случае, если анализируемые сигналы относятся к одному эталонному классу сигналов. Кроме того, существенными недостатками способа-прототипа являются:
- необходимость проведения трудоемкого этапа обучения, предусматривающего формирование эталонных классов сигналов;
- необходимость предварительного обоснования количественных значений идентификаторов сигнала, отличающих эталонные классы сигналов друг от друга;
- сложность обоснования значений идентификаторов эталонных классов при большом количестве допустимых или возможных близких диапазонах значений идентификаторов анализируемого сигнала.
Трудоемкость этапа обучения и способа в целом прямо пропорциональна количеству применяемых идентификаторов, позволяющих отличать классы сигналов, и количеству диапазонов возможных значений идентификаторов. В связи с отмеченными недостатками, внедрение способа RU 2485586 С1 для идентификации сигнала и объекта автоматической системы идентификации судов для случая невозможности декодирования сигнала является неразрешимой технической задачей, так как,
во-первых, количество судов, оснащенных судовой аппаратурой АИС достаточно велико [1, с. 11-13] и записать уникальные для каждого судна параметры сигнала затруднительно;
во-вторых, требования к параметрам излучаемых сигналов едины для аппаратуры всех судов, строго определены действующими международными стандартами [1, с. 14-15], и априори выявить в сигнале параметры-идентификаторы, позволившие бы отличить сигнал одного судна от сигнала другого невозможно.
Раскрытие изобретения
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, состоит в создании способа обнаружения источника радиоизлучения путем идентификации излучаемого радиосигнала, применение которого при мониторинге радиосигналов позволяет установить: относится ли анализируемый сигнал к радиоизлучающему средству, сигналы которого уже ранее были зарегистрированы, либо анализируемый сигнал относится к новому радиоизлучающему средству, к новому объекту.
Изобретение может применяться в случае, если параметры всех анализируемых сигналов соответствуют одному набору номинальных значений параметров, установленных требованиями к радиоизлучающей аппаратуре одного типа или одного функционального назначения. Изобретение не требует проведения этапа обучения для формирования эталонных классов сигналов.
Технический результат, достигаемый настоящим изобретением, заключается в обнаружении различных источников излучения радиосигналов, зарегистрированных аппаратурой мониторинга на интервале мониторинга, отличающихся друг от друга значениями свойственных им параметров излучаемого сигнала. Результат достигается за счет того, в качестве свойственных каждому сигналу параметров применяются характеристики сигнала, рассчитанные методами математической статистики по выборкам значений анализируемого сигнала, а отличающиеся между собой сигналы и источники радиоизлучения обнаруживают путем сравнительного анализа статистических характеристик различных сигналов, принятых на интервале мониторинга.
В заявленном способе статистические характеристики сигналов названы в дальнейшем идентификаторами, также, как и в способе-прототипе.
Заявленное изобретение основано на учете физических свойств стандартов частоты радиоизлучающей аппаратуры от которых непосредственно зависят частота излучаемых сигналов и интервалы следования излучаемых дискретных сообщений. Значение стандарта частоты должно соответствовать номинальной величине, установленной требованиями к радиоаппаратуре. Помимо номинальной величины значение стандарта частоты имеет случайную составляющую, величина которой определена особенностями элементов и конструкции каждого стандарта частоты. Очевидно, действительное значение частоты излучаемых сигналов или интервала следования сообщений при функционировании радиоизлучающей аппаратуры является случайной величиной и зависит от случайной составляющей стандарта частоты.
Случайное значение интервала следования сообщений (или частоты сигналов) подчиняется определенному закону распределения, который может быть описан численными параметрами, иначе говоря, статистическими характеристиками анализируемого радиосигнала - идентификаторами. В заявленном изобретении расчет идентификаторов, характеризующих закон распределения, осуществляют методами математической статистики путем обработки выборок значений сигнала, зарегистрированных на интервале наблюдения. В предложенном способе именно численные параметры закона распределения частоты излучаемых сигналов или интервала следования сообщений используют для идентификации источника излучения. В состав таких численных параметров предложено включать: математическое ожидание; дисперсию; нормированные центральные моменты и нормированные кумулянты различного порядка; коэффициент вариации; коэффициент эксцесса.
Сущность изобретения состоит в том, что так же как в способе-прототипе для идентификации анализируемого радиосигнала по его значениям, зарегистрированным аппаратурой мониторинга, рассчитывают характеризующие радиосигнал величины - идентификаторы, решение о непринадлежности сигнала к наблюдавшимся ранее сигналам принимают путем оценки количества несовпадающих идентификаторов анализируемого сигнала с идентификаторами наблюдавшихся ранее сигналов, согласно изобретения, в качестве идентификаторов применяют статистические характеристики закона распределения интервала между излучениями сигнала или(и) частоты излучения сигнала, включающие математическое ожидание, дисперсию, нормированные центральные моменты и нормированные кумулянты различного порядка, коэффициент вариации, коэффициент эксцесса, при условии превышения количества несовпавших идентификаторов установленного порогового значения, принимают решение об отличии анализируемого сигнала от ранее наблюдавшихся сигналов и обнаружении нового источника радиосигнала, включают вновь идентифицированный сигнал в перечень наблюдавшихся радиосигналов.
Существенные признаки, характеризующие изобретение, и обеспечивающие получение технического результата.
1. Применение в качестве идентификаторов анализируемого сигнала статистических характеристик закона распределения интервала между излучениями сигнала или (и) частоты излучения сигнала.
2. Выполнение следующей совокупности последовательных действий:
- регистрация значений анализируемого сигнала на интервале наблюдения; длительность интервала наблюдения выбирают исходя из необходимости получения выборки случайных значений анализируемого сигнала достаточной размерности для применения методов математической статистики;
- формирование выборки случайных значений анализируемого параметра наблюдаемого радиосигнала, используемой в дальнейшем для вычисления статистических характеристик закона распределения анализируемой случайной величины -идентификаторов анализируемого радиосигнала;
- вычисление математическими методами статистических характеристик закона распределения интервала между излучениями сигнала или(и) частоты излучения сигнала -идентификаторов радиосигнала, в том числе: математического ожидания, дисперсии, нормированных центральных моментов и нормированных кумулянтов различного порядка, коэффициента вариации, коэффициента эксцесса;
- определение количества идентификаторов анализируемого сигнала, несовпадающих с идентификаторами наблюдавшихся ранее сигналов, путем сопоставления идентификаторов нового радиосигнала с идентификаторами перечня сигналов, наблюдавшихся ранее на интервале мониторинга и сохраненных в аппаратуре мониторинга; несовпадением может служить, например, разность идентификаторов анализируемого сигнала и наблюдавшихся ранее сигналов, превышающая установленную величину;
- принятие решения об отличии анализируемого сигнала от ранее наблюдавшихся сигналов и обнаружении нового источника радиосигнала, при условии, если количество не совпавших идентификаторов анализируемого сигнала с идентификаторами перечня ранее наблюдавшихся сигналов, превышает установленное пороговое значение;
- дополнение перечня и значений идентификаторов наблюдавшихся ранее сигналов значениями идентификаторов нового обнаруженного сигнала.
s
Выборочные центральные моменты a случайной величины вычисляют по формуле
где s - порядок центрального момента;
t
x - случайное значение параметра анализируемого радиосигнала;
а
0
- оценка математического ожидания.
s
Для расчета нормированных выборочных центральных моментов случайной величины b следует использовать метрику Г. Минковского [3 с. 700, 4], согласно которой, моменты вычисляют по формуле
где k - показатель Минковского, порядок момента.
Вычисление коэффициента асимметрии, коэффициента эксцесса, кумулянтов, проводят по формулам, приведенным, например, в работе [5, с. 207, 208, 210].
Так для расчета коэффициентов вариации, эксцесса используют формулы
коэффициент вариации -
коэффициент эксцесса -
где σ - среднеквадратическое отклонение.
Для вычисления кумулянтов первого, …, шестого порядков применяют по формулы
1
0
2
2
3
3
а
а
а
w=, w=, w=,
5
5
2
3
а
а
а
w= - 10,
При первом применении способа в качестве перечня и значений идентификаторов наблюдавшихся ранее сигналов могут быть использованы нулевые значения.
Описание блок-схемы устройства
Блок-схема устройства для осуществления предлагаемого способа представлена на фиг. Устройство для обнаружения источника радиоизлучения по статистическим характеристикам радиосигнала содержит блок приема радиосигнала 1, бортовую цифровую вычислительную машину (БЦВМ) 2, устройство хранение перечня значений идентификаторов наблюдавшихся сигналов 3.
Причем первый вход БЦВМ 2 соединен с выходом блока приема радиосигнала 1, второй вход БЦВМ 2 соединен с выходом устройства хранения перечня значений 3.
Осуществление изобретения
Устройство работает следующим образом. Блок 1 принимает радиосигнал, регистрирует значения наблюдаемого сигнала и передает значения на первый вход БЦВМ 2, в которой формируют выборку случайных значений параметра радиосигнала, вычисляют статистические характеристики закона распределения случайной величины параметра анализируемого сигнала, определяют количество идентификаторов анализируемого сигнала не совпадавших с идентификаторами наблюдавшихся ранее сигналов. При этом на второй вход БЦВМ 2 поступают значения идентификаторов наблюдавшихся ранее сигналов из устройства 3. БЦВМ 2 определяет количество идентификаторов анализируемого сигнала не совпадающих с идентификаторами ранее наблюдавшихся сигналов, формирует сообщение об обнаружении нового источника радиосигнала, и передает значения идентификаторов нового сигнала в устройство хранения значений 3.
Промышленная применимость
Основной технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в возможности обнаружения различных источников излучения радиосигналов, отличающихся друг от друга значениями свойственных источнику статистических характеристик излучаемого радиосигнала. Применение способа при мониторинге радиосигналов позволяет установить: относится ли анализируемый сигнал к радиоизлучающему средству, сигналы которого уже ранее были зарегистрированы, либо анализируемый сигнал соответствуют новому радиоизлучающему средству и новому объекту.
Проведена оценка применимости заявленного способа путем обработки выборок радиосигналов, зарегистрированных при натурных наблюдениях, при обработке 5 выборок радиосообщений, переданных аппаратурой автоматической идентификации судов. При натурных испытаниях обработаны радиосообщения 5 различных судов, находящихся в Баренцевом море. При этом было достоверно известно, что каждая из 5 зарегистрированных выборок относится к одному из 5 различных судов. Размерности 1, 2, 3, 4, 5 выборок составили 94, 113, 131, 175, 88 значений случайных интервалов между сообщениями. Перечни 26 статистических характеристики, рассчитанные для каждой выборки случайных интервалов, составили следующие идентификаторы:
1) математическое ожидание;
2) дисперсия;
3) нормированный выборочный центральный момент 4-го порядка;
4) нормированный выборочный центральный момент 6-го порядка;
…
21) нормированный выборочный центральный момент 40-го порядка;
22) нормированный кумулянт 4-го порядка;
23) нормированный кумулянт 5-го порядка;
24) нормированный кумулянт 6-го порядка;
25) коэффициент вариации;
26) коэффициент эксцесса.
Значения статистических характеристик (идентификаторов) каждой выборки приведены в таблице. При оценке возможности применения заявленного способа было принято, что статистические характеристики 1-4 выборок являются идентификаторами уже наблюдавшихся ранее сигналов и содержатся в перечне идентификаторов наблюдавшихся сигналов, а идентификаторы 5 выборки являются статистическими характеристиками анализируемого сигнала.
Из таблицы следует, что
1) абсолютные значения идентификаторов для всех выборок сигналов отличаются несущественно только по одному параметру с номером 1 - математическому ожиданию интервалов времени излучения радиосообщений, что свидетельствует о принадлежности сигналов средствам одного функционального назначения;
2) величины идентификаторов различных выборок с одинаковыми номерами, но соответствующие разным выборкам сигналов, как правило, имеют отличия; даже если по некоторым номерам идентификаторов каких-либо выборок отличия невелики, существуют номера идентификаторов этих же выборок, где отличия существенны;
3) относительно идентификаторов анализируемого сигнала (соответствующих выборке 5) разность значений идентификаторов с номерами от 4 до 22 составляет около 10÷15 единиц от значений идентификаторов четвертой выборки случайных параметров и около 12÷18 единиц от значений идентификаторов 1, 2 и 3-й выборок.
Из таблицы следует, что наиболее близкими по значениям идентификаторов анализируемого сигнала (выборка 5) являются значения идентификаторов 4 выборки. В столбце 6 таблицы приведены величины отличия идентификаторов анализируемого сигнала и идентификаторов 4 выборки, выраженные в процентном отношении, вычисленные по формуле
где d - величина относительной разности идентификатора анализируемого сигнала и идентификатора 4 выборки;
z - идентификатор анализируемого сигнала;
у - идентификатор 4 выборки радиосигналов.
В случае, если задать величину относительной разности, определяющей несовпадение идентификаторов анализируемого сигнала с идентификаторами перечня наблюдавшихся сигналов, величиной от 10% до 15%, то из рассмотренных статистических характеристик следует, что 24 идентификаторов анализируемого сигнала не совпадет с идентификаторами перечня наблюдавшихся сигналов. Указанное несовпадение является существенным признаком, позволяющим выявить новый сигнал. Если установить, что пороговое значение количества не совпавших идентификаторов при котором принимают решение об отличии анализируемого сигнала от ранее наблюдавшихся сигналов, составляет, например, 75%, то 24 из 26 идентификаторов (92% несовпадений) свидетельствует об обнаружении нового источника радиосигнала и необходимости включения вновь идентифицированного сигнала в перечень наблюдавшихся сигналов.
Отсюда следует, что заявленный способ, в котором применяется анализ несовпадение статистических характеристик для оценки принадлежности анализируемого сигнала, позволяет выявить новый сигнал при мониторинге, и установить появление нового судна в зоне радиовидимости аппаратуры мониторинга.
Достоинствами заявленного изобретения являются:
- возможность идентификации радиосигналов и обнаружения источника радиоизлучения в случае, если параметры анализируемого сигнала соответствуют требованиям, установленным к аппаратуре определенного типа или одного функционального назначения, а требования содержать только один набор эталонных параметров сигналов;
- отсутствие необходимости априори формировать эталонные значения параметров анализируемого сигнала.
Из последовательности действий, необходимой для осуществления способа, следует, что заявленный способ может быть использован при идентификации радиосигнала и обнаружении источника излучения и многократно воспроизведен.
1. А.А. Романов, А.А. Романов, Ю.М. Урличич, А.С. Токарев, А.М. Кузнецов. С.А. Бобровский, СВ. Трусов, космические средства автоматической идентификационной системы. Монография. -М.: Радиотехника, 2016. - 208 с.
2. Патент РФ RU 2485586 С1 МПК G06K 9/62). Способ идентификации сигналов. Комолов Д.В., опубл. 20.06.2013.
3. Математическая энциклопедия. Т. 3 / Глав.ред. И.М.Виноградоа. Москва: Советская энциклопедия, 1982 - 1176 с.
4. https://ru.wikipedia.org/wiki/расстояниеМинковского.
5. Крамер Г. Математические методы статистики / Г. Крамер. Москва: Мир, 1975 - 721 с.