Способ приема и обработки сигналов системы управления воздушным движением в условиях воздействия шумов и импульсных помех
METHOD FOR RECEIVING AND PROCESSING SIGNALS OF THE AIR TRAFFIC CONTROL SYSTEM UNDER THE INFLUENCE OF NOISE AND PULSE INTERFERENCE

Изобретение относится к радиолокации, в частности к способам приема и обработки сигналов систем, построенных на принципах активной радиолокации, и может быть использовано в аппаратуре систем радиолокационного госопознавания и управления воздушным движением (ГО и УВД) всех существующих типов.
При приеме сигналов вторичной радиолокации возникает проблема, обусловленная тем, что в реальных условиях основной сигнал принимается на фоне сложной нестационарной смеси мешающих импульсных и шумовых сигналов, порожденных процессами как в самой аппаратуре (собственные шумы), так и другими внешними источниками (внутрисистемные импульсные и шумовые помехи). Воздействие помеховых сигналов приводит к ложным срабатываниям устройств обнаружения импульсов (пороговых устройств), что в свою очередь приводит к информационной перегрузке вычислительных устройств аппаратуры систем ГО и УВД и существенному снижению помехоустойчивости (достоверности) обнаружения полезных импульсных радиосигналов.
i
i
Известен способ радиолокационного запроса-ответа [Патент РФ №2029971, МПК: G01S 13/75, 13/79, опубликован 27.02.1995], состоящий в генерировании сигнала запроса, его излучении и приеме на сопровождаемом объекте, а также включающий генерирование, излучение и прием ответного сигнала двухканальной антенной, формирование третьего сигнала, равного отношению амплитуды сигнала, принятого по второму каналу, к амплитуде сигнала, принятого по первому каналу. Кроме того, в процессе приема ответного сигнала его ослабляют в первом канале в x раз, где x отношение уровня диаграммы направленности (ДН) по мощности первого канала в направлении источника помехи к уровню ДН второго канала в i-м направлении. Данный способ позволяет повысить вероятность обнаружения сопровождаемого объекта и повысить точность измерения его угловой координаты. В то же время недостатком способа является отсутствие учета шумовой составляющей при приеме запросного сигнала.
В качестве прототипа для заявляемого изобретения выбран способ автоматической цифровой регулировки усиления, реализованный соответственно схемой автоматической регулировки усиления по шумам (ШАРУ) с цифровой линией передачи данных о загрублении чувствительности приемного устройства в самолетном ответчике [Патент РФ 2215302, МПК: G01S 3/28, 13/75, опубликовано 27.10.2003]. В данном способе используется подсчет количества импульсов принимаемого сигнала с выхода приемного устройства превысивших определенный порог за время одного такта работы и на основании этого принимается решение о наличии помехи, требующей компенсации. При этом используется один порог обнаружения. Импульсы с порогового устройства поступают на счетчик импульсов, который опрашивается через равные интервалы времени Т. Если за время Τ в счетчике накапливается число, которое больше, чем порог, зашитый при первоначальной настройке, то блок сравнения дает команду для увеличения на "1" числа, хранящегося в счетчике. Если за время Τ в счетчике накапливается число меньше, чем порог, зашитый при первоначальной настройке, то блок сравнения дает команду для уменьшения на "1" числа, хранящегося в счетчике. Недостатком является сильная зависимость работы данной схемы от линейности аттенюаторов, осуществляющих загрубление чувствительности. В случае каких-либо отступлений от линейности их характеристик появляются значительные ошибки, приводящие к сбоям в оценке амплитуд принимаемых сигналов и, как следствие, к сбоям в выборе направления ответа для ответчиков или измерении азимута / угла места цели для запросчиков ГО и УВД.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в улучшении качества приема и последующей обработки полезного сигнала в условиях воздействия шумовых и импульсных помех.
Технический результат достигается тем, что в способе приема и обработки сигналов системы управления воздушным движением в условиях воздействия шумов и импульсных помех используется подсчет количества импульсов принимаемого сигнала с выхода приемного устройства превысивших определенный порог за время одного такта работы и на основании этого принимается решение о наличии помехи, требующей компенсации. Способ отличается от прототипа тем, что используются нижний и верхний пороги обнаружения, уровни срабатывания которых различаются на постоянную фиксированную величину, достаточную для исключения возможности превышения верхнего порога отдельными выбросами шума. Причем подсчет количества выбросов шума превысивших порог и принятие на основании этого решения об одновременном снижении или увеличении обоих порогов обнаружения принимается с использованием нижнего порога, а обнаружение импульсов полезного сигнала осуществляется по превышению верхнего порога.
Предлагаемый способ основан на использовании нижнего и верхнего порогов обнаружения, уровни срабатывания которых различаются на постоянную фиксированную величину (опытным путем установлено, что значение данной величины составляет 100 мВ или 10 квантов аналого-цифрового преобразователя), достаточную для исключения возможности превышения верхнего порога отдельными выбросами шума (помеховыми импульсами). При этом используется подсчет количества импульсов принимаемого сигнала с выхода приемного устройства. Использование двух порогов обусловлено необходимостью решить две взаимоисключающие задачи: первая - надежно обнаружить в принимаемом сигнале шумовые выбросы, для чего порог обнаружения должен находиться на таком уровне, чтобы количество его пересечений шумовыми выбросами было значительным; вторая - обеспечить надежный прием полезного сигнала, свободного от помех, для чего порог обнаружения должен находится выше выбросов шума. Знание уровня шума необходимо для обеспечения максимальной чувствительности системы для приема слабых сигналов, а свободный от помех прием сигналов необходим для их последующей обработки, для которой наличие помех крайне нежелательно. Одновременное решение этих задач возможно только с использованием двух разных порогов, при этом пороги должны быть связаны между собой для того, чтобы уровень второго (верхнего) порога всегда находился на минимально возможном уровне, обеспечивающем качественный прием сигнала. Для этого предлагается использовать фиксированную величину превышения верхним порогом нижнего, вычисляемую индивидуально для каждого случая применения исходя из коэффициента шума приемного устройства (для устройства, в котором был впервые применен предлагаемый способ, опытным путем установлено, что значение данной величины составляет 30 мВ или 3 дискрета аналого-цифрового преобразователя).
Учитывая то обстоятельство, что аддитивная смесь полезного сигнала и шума, поступающая с выхода приемного устройства, может менять свою амплитуду с течением времени, необходимо оперативно отслеживать меняющийся уровень шума. Для этого работа данного способа строится по тактам, причем в каждом такте подсчитывается количество пересечений (превышений) нижнего порога аддитивной смесью сигнала и шума, поступающей с выхода приемного устройства. Учитывая свойство шума, при котором вероятность превышения мгновенной величиной шума заданного порога убывает по закону Гаусса по мере увеличения величины порога, примем в качестве критерия, позволяющего отследить изменение амплитуды шума, количество пересечений нижнего порога шумовыми выбросами (импульсами) за определенный интервал времени (опытным путем установлено, что значение данной величины составляет 60 пересечений за 0,5 мс). Таким образом, поддерживая путем изменения величины нижнего порога заданное количество пересечений его шумовыми выбросами за определенный интервал времени, производится отслеживание уровня шума. Процесс поддержания нижнего порога на требуемом уровне осуществляется путем изменения его величины на один квант аналого-цифрового преобразователя в зависимости от количества пересечений данного порога выбросами шума. Если количество таких пересечений превышает заданную величину (60 пересечений за 0,5 мс), определяющую уровень шума, по которому идет стабилизация, то величина порога увеличивается на один квант аналого-цифрового преобразователя, если количество пересечений меньше, то величина порога уменьшается на один квант аналого-цифрового преобразователя, если равно - остается без изменений. Аналогичные изменения производятся и с верхним порогом, что обеспечивает их синхронное перемещение (изменение величины).
Обнаружение импульсов полезного сигнала в предлагаемом способе осуществляется при превышении принимаемым сигналом верхнего порога. При наличии с выхода приемного устройства сигнала с постоянной составляющей, величина которой превышает уровень нижнего порога, каждые 2 мкс искусственно засчитываются как одно превышение нижнего порога, вызывая таким образом его повышение (формируемая искусственно при приходе постоянной составляющей импульсная последовательность с периодом 2 мкс, вызывает 250 срабатываний за такт работы 0,5 мс, что больше константы, равной 60, и, как следствие, вызывает повышение порога).
На рисунке проиллюстрирована работа предлагаемого способа для трех случаев: появления и пропадания импульсного сигнала с частотой следования импульсов, превышающей критерий срабатывания ШАРУ (случаи а и б соответственно), а также изменения постоянной составляющей с выхода приемного устройства (случай в). Из рисунка видно, что реализация данного способа позволяет адаптивно реагировать на изменяющуюся помеховую обстановку и за счет разнесенных верхнего и нижнего порогов обеспечивать отсутствие ложных обнаружений импульсов в установившемся режиме работы. Таким образом осуществляется компенсация присутствующих помех в принимаемом сигнале. При резких изменениях параметров сигнально-помеховой смеси с выхода приемного устройства ложные срабатывания появляются только на время переходного процесса, длительность которого определяется тактом работы и шагом изменения порогов.
Преимуществом данного метода также является отсутствие необходимости регулировать физические коэффициенты усиления приемных каналов, как это делается в классических схемах минимизации ложных срабатываний. Нелинейность характеристик применяемых при этом аттенюаторов приводит к значительным ошибкам в измерениях истинных величин сигналов на входе приемника и нарушает правильную работу схем, использующих несколько каналов приема (схемы выбора направления прихода более сильного сигнала в ответчике, моноимпульсные и компенсационные схемы в запросчике и т.д.).
Предложенный способ является универсальным и может применяться в различных ответчиках и запросчиках систем ГО и УВД, уменьшая вероятность приема ложных импульсов при воздействии шумов и импульсных помех, сохраняя при этом заданные параметры системы.