Адаптация конфигураций однополосных спектров бинарных квазисложных сигналов к ситуативным обстоятельствам применения многопозиционных радионавигационных систем

2005

НА УЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА сер. Радиофизика и радиотехника

№ 96

УДК 629.7

Адаптация конфигураций однополосных спектров бинарных квазисложных сигналов к ситуативным обстоятельствам применения многопозиционных радионавигационных систем

Я.В. КОНДРАШОВ

Статья представлена доктором технических наук, профессором Логвиным А.И.

Рассмотрены противоречия между возможностью повышения технических характеристик запросно-ответного радиотехнического навигационно-посадочного оборудования и обеспечения его электромагнитной совместимости с другими радиоэлектронными средствами. Предложен способ устранения такого противоречия путем информационного насыщения ответных сигналов радиомаяков, как компонента наземного оборудования, и повышения алгоритмических нагрузок на вычислительные средства бортового оборудования, в целом, составляющих многопозиционную систему.

ВВЕДЕНИЕ

В радиотехнической локальной, многопозиционной, дальномерной запросно-ответной системе навигации и посадки (ЛМСНП) летательных аппаратов (ЛА), имеющей при одном компоненте бортового запросно-приемного оборудования (БО) два и более компонентов [1] приемно-ответного наземного оборудования (НО), в обеспечение идентификации радиомаяков-ответчиков (РМО), разнесенных в координатном пространстве, используется временное кодирование их ответных сигналов формата DME, рекомендованных для применения в этих целях международной организацией ICAO.

Однако “удлинение” сигналов РМО за счет их кодирования уменьшает темп поступления дальномерной информации, увеличивая "мертвую зону" неуправляемости ЛА, загрубляя реакцию систем управления на отклонение от заданного курса (глиссады) при вождении воздушного судна (ВС).

В дополнение к этому, использование, в качестве ответного, сигнала с колоколообразной огибающей (DME) приводит к неоправданному ухудшению точностных характеристик системы, ввиду сравнительной "пологости" его переднего фронта. Отметим, что форма огибающей сигнала DME, практически не имеющего в своем спектре боковых лепестков, рекомендовалась ICAO, исходя из обеспечения регламентированных уровней внеполосного излучения.

Применение сигнала с прямоугольной огибающей, обеспечивающего максимальные возможности по точности определения расстояния, но самый широкий (для моночастотных сигналов) спектр, не обеспечивает условия электромагнитной совместимости (ЭМС) работающих в пространстве досягаемости радиоэлектронных средств [2].

Устранению таких противоречий путем информационного насыщения структуры сигналов, при соответствующих алгоритмических и аппаратурных средствах их обработки, в обеспечение повышения технических характеристик ЛМСНП, существенно повышающих безопасность самолетовождения, посвящена настоящая статья.

В [3] показана принципиальная возможность формирования квазисложных нелинейно-частотно-модулированных сигналов с асимметричными спектрами - “сигналов АС”, в том числе с прямоугольной огибающей.

КВАЗИСЛОЖНЫЕ СИГНАЛЫ С АССИММЕТРИЧЕСКИМИ СПЕКТРАМИ В МНОГОПОЗИЦИОННОЙ

СИСТЕМЕ

Модифицируя описанные в [3] сигналы, оказалось возможным найти формы и структуры радиоимпульсов для применения их в многопозиционной системе управления полетом ЛА в качестве ответных сигналов РМО (радиомаяка-ответчика) [4]. Это позволяет путем

одновременного ответного излучения компонентами наземного оборудования одиночных частотно(фазово)-модулированных (ЧМ, ФМ) радиоимпульсов (а не кодово-временных посылок [1]) одинаковых формы (прямоугольной) и длительности (т) при различной их спектральной структуре:

1) повысить (за счет максимально-крутого переднего фронта ответного сигнала РМО) в приемном тракте БО разрешение сигналов во времени, точность измерения дистанции между БО и НО;

2) идентифицировать (за счет разнесения несущих частот ответных сигналов, излучаемых РМО, и частотного разделения сигналов, принимаемых многоканальным БО, например, стандартным приемником БМЕ) компоненты НО по спектральным (частотным) признакам;

3) сократить (за счет отсутствия необходимости излучения РМО кодово-временной посылки) “мертвую зону неуправляемости” ЛА до минимального размера, определяемого длительностью одиночного ответного сигнала РМО, повышая, тем самым, динамическую точность управления ВС;

4) не выходить (за счет крутых спадов уровней спектральных составляющих, принимаемого БО от НО, суммарного сигнала, как со стороны верхних, так и нижних частот, а также глубокого подавления, до минус 40 дБ, уровней боковых лепестков спектра такого сигнала, расположенных за пределами ширины амплитудно-частотной характеристики - АЧХ приемно-излучающих трактов систем БМЕ) при информационно-энергетическом обмене между БО и НО за рамки рекомендованных уровней внеполосного электромагнитного излучения;

5) наращивать (за счет внесения в структуру ответных сигналов РМО необходимых изменений в части несущих частот, форм и глубин модуляции) количество компонент многопозиционной системы в зависимости от ее функционального назначения, увеличивая тем самым информационную емкость ЛМСНП;

6) не изменять (с целью унификации предлагаемой ЛМСНП и разновидности стандартных средств ОМЕ/К, БМЕ/Р) структур моночастотного с колокольной огибающей запросного сигнала и БО, используя информацию измерителя дальности последнего для обработки в бортовом вычислительном устройстве по системным алгоритмам, либо навигации, либо посадки ЛА;

7) не изменять (с целью минимизации затрат и максимального использования интеллектуально-промышленного задела) структуру любой из разновидностей ЛМСНП, например [1], внося дополнительные изменения лишь в схемотехнику электронных устройств формирования ответных сигналов НО.

Рассмотрим аналитические выражения, проведем математическое и аппаратурное моделирование радиоимпульсов, предлагаемых в настоящей статье в качестве ответных сигналов, излучаемых компонентами НО, и сигналов, принимаемых БО.

Огибающие “сигналов АС” - И(1;) и их спектральная плотность - 8(ю), в общем виде [3] описывается как:

и

где ю0 и Ї - соответственно несущая частота и время; Ф(1;) и ш - соответственно функция и индекс фазовой модуляции; знаки (+) и (-) определяют подавление спектральных составляющих сигналов со стороны верхних или нижних частот.

При четной функции амплитудной модуляции А(1;) спектральная плотность такого сигнала:

S(ro) = 2|A(t)cos[( w-w0)t± mФ(t)]dt.

Для “сигнала АС” с прямоугольной огибающей длительностью т и квадратурной фазовой модуляцией [3], (1) и (2) принимают вид:

m

U(t) = A0 cos[w0t ± —

p

t -t/2

t/2

m

S(ro) = 2 I A(t)cos[ ( w-w0)t ± —In

0

t+t/2 m p

], при -T/2<t<T/2, t-t/2

t + t/2

]dt, при |t|>T/2.

Анализ выражения (3) и спектров “сигналов АС”, вычисленных на ЭВМ по (4), рис. 1 и 2, где для удобства введена безразмерная частота ют/2, показал, что при т=±5 подавление

А 0, 1 Я оо

0, б

0, 4

0, 2

-Т\2

0

Т\2

Рис.1. Характеристики квазисложногорадиоимпульса, где: а и б — функции, описывающие огибающую A(t) и закон фазовой модуляции Ф(t); в — амплитудный спектр S(m); 1, 2, 3 — при m, равном соответственно 25, 5, 0

лепестков одной из полос спектра сигнала при незначительной деформации основного лепестка -максимальное. Ширина спектра практически не увеличивается относительно ширины спектра при т=0 и составляет Лю т /2 =32п,

-Зп -2п -п 0

2п Зп 4п 5п бп З2п

рис. 2. Крутизна спада уровня

спектральной плотности со стороны подавленной боковой полосы - в среднем 27,0т дБ/Гц, со стороны неподавленной боковой полосы -1,0т дБ/Гц. При т>5 заметно расширяется и сдвигается по оси частот как основной лепесток, так и спектр в целом.

За ширину спектра “сигнала АС” можно считать полосу частот, ограниченную, с одной стороны, частотой, на которой расположен первый подавленный боковой лепесток спектра, а с другой - частотой, на которой расположен боковой лепесток, по уровню равный первому подавленному лепестку.

Рис. 2. Спектр квазисложного радиоимпульса при т = -5: АюЧМ — величина смещения от частоты ю0 главного спектрального максимума, обусловленного внутриимпульсной частотной модуляцией

0

0

б

а

2

п

о о с* о о а о v о -# о > а-^а r>.r>

ВН^ннитт’ ' *

ЯfSffFYI,,,' "utmw

ТГТ1П»'*

4 . »> fv Л A rv ,л О О С* . > > с> О О U о <> «

50'

25

т ?f I*1

f « * ’

* 1 » f I гггт*

О С ц <П С ’ v С,. О»- сг- <> <3'-0 о С» О О О О

Рис. 3. Спектрограммы „сигналов АС” при одинаковых знаках и различных величинах индексов ЧМ

Д| о С Г: с о о с <1 с с I о *> •• •-> • / •

Рис.4. Спектрограммы „сигналов АС” с разными знаками и одинаковыми величинами индекса ЧМ для двух компонент НО

455E “Marconi” представлены на

Поскольку, согласно результатам математического моделирования, для

“сигналов АС” произведение их длительности (т) на ширину спектра (Аюсп) порядка 5-6, такие сигналы можно отнести к классу

“квазисложных”.

Спектрограммы квазисложных ЧМ сигналов (3), (4), полученных путем

аппаратурного моделирования и

последующего их спектрального анализа на последовательном спектроанализаторе ТБ-

и самописце Н-110, рис. 3, где а, б, в, г соответственно для т=0, 2, 3, 4 в выражениях (3), (4); цена деления между горизонтальными линиями - 5дБ.

Как видно из рис. 1,2,3, результаты

математического и аппаратурного

моделирования совпадают.

Рассмотрим работу ЛМСНП в целом. Основные ее принципы заключаются в следующем.

Радиооборудование, размещенное на ВС (БО), излучает запросный сигнал формата БМБ (или, в зависимости от комплектации ЛА, формата бортового радиолокатора).

Два или более РМО, расположенные вблизи взлетно-посадочной полосы (ВПП) [1,2], принимают запросный сигнал, обрабатывают его и одновременно излучают ответные, одиночные “сигналы АС”, разнесенные покомпонентно несущими частотами с учетом ширины АЧХ приемного тракта БО и имеющие различные направления асимметрии амплитудно-частотных спектров.

Спектрограммы таких сигналов, полученные аналогично представленным на рис.3, отображены на рис. 4, где а и б соответственно спектры ответных “сигналов АС” РМО № 1, № 2.

При одновременном излучении компонентами НО 2-х (3-х...п) одиночных радиоимпульсов с одинаковыми формами огибающих и длительностями, но различными спектральными характеристиками в линейном информационном частотно-временном

энергетическом пространстве многопозиционной системы формируется электромагнитное поле иного - “суммарного” сигнала, назовем его (в нашем случае) бинарным квазисложным

а

б

0

в

г

а

б

-“биква сигналом”.

Возможные структуры спектров бинарных квазисложных сигналов и их расположение относительно амплитудно-частотных характеристик (АЧХ1, 2) приемных трактов бортового оборудования показаны на рис. 5, где сплошными линиями показаны спектры “биква сигналов” при различных разнесениях их несущих частот, полученные путем математического моделирования, аналогично рис. 1, 2; пунктиром обозначены возможные полосы частот прозрачности АЧХ при соответствующих требованиях по помехоустойчивости и ЭМС к системе.

Рис.5. Спектры “биква сигналов” в диапазонах различных АЧХ приемных трактов БО

Как видно из рис. 5, основная энергия “биква сигнала” (главные лепестки спектра), при

многоканальном, например, приемник БМБ, устройстве БО проходит через крайние со стороны верхних и нижних частот каналы. За пределами АЧХ приемника спектральные компоненты “биква сигнала” подавлены на ~38 дБ, т.е. в частности, за пределами частотного диапазона БМБ внеполосное излучение предлагаемой ЛМСНП значительно меньше, чем при регламентированном сигнале системы ЭМБ.

Расположение спектров “биква сигналов” относительно АЧХ бортового приемника определяется в зависимости от назначения ЛМСНП и требований к ней.

На рис. 6 представлены спектрограммы “биква сигнала” при различных разнесениях несущих частот “сигналов АС”, излучаемых РМО, полученные путем аппаратурного моделирования и последующего спектрального анализа, проведенного аналогично рис. 3 и 4.

Приемный тракт БО, как одна из компонент ЛМНПС, построенный, например, по

регламентированным требованиям системы ЭМБ (или бортовых радиолокаторов): принимает “биква сигнал”, как суперпозицию “сигналов АС”, излучаемых компонентами НО; фильтруя, разделяет его по частотным признакам на две (или п) составляющие; определяет временное запаздывание каждой из этих составляющих относительно единственного для всех компонент НО момента излучения запросного сигнала, т.е. фиксирует дальности до отдельных РМО на период радиолокационного контакта; выдает полученные результаты измерений в бортовое вычислительное устройство для динамического определения разности этих дальностей, как основного информационного параметра системной обработки данных [1] в определении местоположения ЛА относительно НО.

Из рис. 5 и 6 следует, что, комбинируя форму АЧХ приемников и частотную структуру “биква сигнала”, можно реализовать работу многопозиционной запросно-ответной системы для различных целей и обстоятельств, требующих эффективного частотно-временного разделения радиосигналов, например: при различных пространственно-временных конфигурациях

многопозиционных систем, требующих дополнительных неподвижных или движущихся компонент; при системах, выделяющих как информационный параметр доплеровские смещения спектров сигналов; при работе системы с малоподвижными “пассивными” компонентами в условиях сильных переотражений мешающих сигналов и др.

ПРОМЫШЛЕННОЕ ВНЕДРЕНИЕ МОБИЛЬНОЙ МНОГОПОЗИЦИОННОЙ АВИАЦИОННОЙ НАВИГАЦИОННО-ПОСАДОЧНОЙ СИСТЕМЫ С КВАЗИСЛОЖНЫМИ СИГНАЛАМИ

Поскольку ЛМНПС прошла аэродромные и летные, а фрагменты БО и НО -лабораторные испытания, выполнен основной объем аппаратурного и математического моделирования наиболее новых и арпоп неизвестных составляющих ее интеллектуальной и технической основы [1]. Возможность промышленной реализации системы не вызывает сомнений.

С О О Г .Г' с Г> о о О С; г -с О О о <“> Г < О О О О О О •

И'

'"ШПЛЯМЛ

[о О -О ООО О ООО С—О О О и о о о о о- о -о|

Рис.6. Спектрограммы “биква сигналов”

0

Очевидно, что ЛМНПС, ввиду малогабаритности, простоты эксплуатации наиболее применима и вписывается в обеспечение разнообразных задач “малой авиации”, выполняющей полеты по необорудованным регламентированными навигационными системами (VOR, DME/N и др.) трассам, совершающей заход на посадку и посадку на неоснащенные стандартным оборудованием (ILS, СП, MLS, DME/P) аэродромы и посадочные площадки.

ЛИТЕРАТУРА

1.Кондрашов В.И., Кондратов Я.В. Принципы и структуры мобильных локальных многопозиционных навигационно-посадочных авиационных систем наземного базирования. // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника, № 76 (3), 2004.

2.Кондрашов В.И. Оценка одной из возможностей повышения точности радиолокационных систем при измерениях дальности. // Известия ВУЗов. Радиоэлектроника. Т. 27, № 6, 1984.

3.Кондрашов В.И., Кондратов Я.В. Использование квазисложных сигналов в локальных многопозиционных системах управления полетом летательных аппаратов.// В кн. Совершенствование радиоэлектронных систем ГА и процессов их технической эксплуатации. М.: 1995.

4.Кондрашов Я.В. Синтез сигналов с биассимметрическими спектрами и их применение в запросно-ответных локационных системах // Материалы международной научной конференции “Проблемы совершенствования аэронавигационного обслуживания и управления подвижными объектами, Аэронавигация-96”. Киев, 1996.

J.V Kondrashov

Adaptation of configurations of one-strip spectra binary quasi-complex signals to situational circumstances of application of multi-item radio detection systems

In article are considered contradictions between increase possibility of technical performances of request-reciprocal radio-technical navigation-landing equipment and guaranteeing of its electromagnetic compatibility with other radio-electronic components. A removal method of such contradiction by dint of information satiation of reciprocal radio beacons signals, as component of ground equipment, and increase of algorithmic loading on computational components of all onboard equipment, constituents much-position system is offered.

Сведения об авторе

Кондратов Ярослав Викторович, 1970 г.р., окончил МАИ (1993), кандидат технических наук, член-корреспондент Аэрокосмической Академии Украины, главный специалист Центра информационных технологий “Инфотех” (Москва), автор более 50 научных работ, область научных интересов - радиолокация, радионавигация, управление воздушным движением, сигналообразующие технологии.