Содержание к диссертации
Введение ........
Глава 1. Задача повышения помехозащищенности НАЛ
GPS/TJIQHACC по отношению к внутрисистемным помехам
-
Виды и характеристики радионавигационных комплексов, построенных на основе GPS/ГЛОНАСС.
-
Внутрисистемные помехи в радионавигационных комплексах .......
-
Анализ влияния помех на первичные алгоритмы обработки сигнала в навигационной аппаратуре
-
Анализ известных методов повышения помехозащищенности навигационной аппаратуры GPS/ГЛОНАСС
-
Выводы по главе 1 ......
Глава 2. Синтез оптимального алгоритма оценивания параметров
сигнала при учете полного вектора параметров помехи
2.1. Постановка задачи синтеза алгоритма оценивания
параметров .......
-
Постановка задачи синтеза при отсутствии информационной модуляции, как в сигнале, так и в помехи .......
-
Постановка задачи синтеза при наличии информационной модуляции в сигнале и отсутствии в помехе .....
Стр. 2.1.3. Постановка задачи синтеза при наличии
информационной модуляции, как в сигнале, так и
в помехе ....... .45
2.2. Общий вид алгоритма оценивания параметров в
присутствии структурно-детерминированной помехи . 46
2.2.1. Синтез векторного дискриминатора по условиям
задачи 1 ...... . .48
2.2.2. Синтез векторного дискриминатора по условиям
задачи 2 ...... .49
2.2.3. Синтез векторного дискриминатора по условиям
задачи 3 ...... . .54
-
Алгоритм оценивания при мощной помехе . . .63
-
Алгоритм оценивания в случае слабой корреляции
сигнала и помехи ...... .66
-
Общий вид дисперсионных уравнений для алгоритмов оценивания параметров, когерентных по помехе . . 69
-
Определение матрицы вторых производных для
алгоритмов оценивания, когерентных по помехе . . 71
2.7. Выводы по главе 2 ..... .79
Глава 3. Синтез квазиоптимального алгоритма оценивания
параметров сигнала при неполном учете параметров помехи . 80
3.1. Постановка задачи синтеза ..... .80
3.1.1. Постановка задачи синтеза при отсутствии в
сигнале информационной модуляции . . .81
3.1.2. Постановка задачи синтеза при наличии в сигнале
информационной модуляции ... .83
3.2. Общий вид квазиоптимального алгоритма оценивания
параметров на фоне структурно-детерминированной
помехи ........
-
Синтез векторного дискриминатора по условиям задачи 4 ...... .
-
Синтез векторного дискриминатора по условиям задачи 5 ......
-
Алгоритм оценивания параметров сигнала при мощной помехе ........
-
Определение матрицы вторых производных для алгоритма оценивания параметров, некогерентного по помехе ........
3.5. Выводы по главе 3 ........
Глава 4. Анализ точности фильтрации оптимальными алгоритмами и математическое моделирование первичной обработки навигационных сигналов ......
-
Математическая модель параметров сигнала и помехи, используемая при моделировании ....
-
Анализ точности оценивания параметров на основе решений дисперсионных уравнений
-
Методика проведения имитационного моделирования приема навигационных сигналов при действии структурно-детерминированной помехи .
-
Моделирование алгоритмов приема навигационных сигналов с оцениванием фазы помехи (когерентные алгоритмы) .......
4.5. Моделирование алгоритмов приема навигационных
сигналов с оцениванием частоты помехи (некогерентные
алгоритмы)
4.6. Выводы по главе 4
Заключение
Выводы по диссертации Список литературы Приложение 1 Приложение 2
Стр.
Список сокращений
АСН Автоматическая система навигации
АИИС Автоматические информационно-идентификационные системы
АКФ Автокорреляционная функция
АРУ Автоматическая регулировка усиления
АЦП Аналогово-цифровое преобразование
АЧХ Амплитудно-частотная характеристика
БПФ Быстрое преобразование Фурье
ВКФ Взаимнокорреляционная функция
ВТ- Высокая точность (код)
ВТИ Внешне-траекторные измерения
ГЛОНАСС Глобальная спутниковая навигационная система
ДБГШ Дискретный белый гауссовский шум
ДН Диаграмма направленности
МПД Многопользовательский детектор
НАЛ Навигационная аппаратура пользователя
НЕЮ Навигационно-временные определения
НКА Навигационный космический аппарат
ПС Псевдоспутник
ПСП Псевдослучайная последовательность
ПТ- Пониженная точность (код)
СД Структурно-детерминированный
ССЗ Следящая система за задержкой
СРНС Спутниковая радионавигационная система
СКО Средняя квадратичная ошибка
ТИУС Транспортные информационно-управляющие системы
ФАПЧ Фазовая автоподстройка частоты
ФД Функциональное дополнение
ЧАПЧ Частотная автоподстройка частоты
7
GPS Global Positioning System -глобальная система местоопределения
С/А- Coarse Acquisition - грубое вхождение в синхронизм
Р- Protected - защищенный код
CDMA Code-division multiple access - множественный доступ с кодовым
разделением
ЭМС Электромагнитная совместимость
ADS Automatic Dependent Surveillance - автоматические зависимые
наблюдения
ITS Intelligent Transportation Systems - интелектуальные транспортные
системы
WAAS Wide Area Augmentation System - широкозонная система передачи
дифференциальных поправок EGNOS European Geostationary Navigation Overlay Service - европейский
геостационарный навигационный сервис с перекрытием
Введение к работе
В настоящее время спутниковые радионавигационные системы GPS и ГЛОНАСС находят практическое применение.во многих технических отраслях. Сфера их примененияшостоянно расширяется за счет улучшения характеристик навигационных определений, что достигается-совершенствованием алгоритмов обработки навигационных сигналов и-использованием навигационной аппаратуры в составе комплексов..
Среди навигационных комплексов; получивших название функциональных дополнений, можно'выделить использование: сети псевдоспутников [ 1,2], комплексы, построенные с использованием ретрансляции навигационных сигналов [3], информационно-управляющие системьь[4]..
В'* навигационном комплексе, использующем псевдоспутники, возможно! увеличение точности позиционирования, идоступности-системы, что достигает-ся- использованием сигнала, псевдоспутника в рабочем^ созвездии, а также использованием информации дифференциальной коррекции, передаваемойшсев-доспутником:. Известны* предложения по»созданию -систем посадки самолетов, с использованием, сети псевдоспутников, систем местоопределения* в, кварталах-плотной городской застройки и т.д.
Другим примером перспективных функциональных дополнений'является' навигационные комплексы с использованием, принципа ретрансляции»сигналов, навигационных спутников. Применение таких систем позволяет обеспечивать внешне-траекторные измерения высокодинамичных объектов (например, авиационная и ракетно-космическая'техника). Основным:требованием, предъявляемым к таким системам'и ограничивающим возможность применения традиционной навигационной аппаратуры,-является* высокий темп обновления-навигационных определений, быстрый.поиск, захват сигналов навигационных спутников и малое время до первого определения.
В навигационном комплексе, использующим ретранслированные сигналы, на борту изделия устанавливается специальное устройство - ретранслятор навигационных сигналов. На наземном пункте измерений для приема ретранс- лированного сигнала используется специальная аппаратура. Поскольку на аппаратуру, осуществляющую прием ретранслированных сигналов не накладывается жестких ограничений, присущих бортовой аппаратуре, имеется возможность использовать сложную и дорогостоящую аппаратуру, расширяющую возможности по совершенствованию навигационных алгоритмов.
В приведенных выше примерах функциональных дополнений наряду с сигналами навигационных спутников используются вспомогательные сигналы. К таким сигналам в частности относится сигнал псевдоспутника и пилот-сигнал, добавляемый к ретранслированным навигационным сигналам. Излучение таких сигналов осуществляется, как правило, в том же частотном диапазоне, что и основные навигационные сигналы. При этом создается помеха обработке навигационных сигналов в приемной аппаратуре.
Характерной особенностью такой внутрисистемной помехи является то, что на приемной стороне известна внутренняя структура помехового сигнала. Помехи такого рода получили название структурно-детерминированных. Использование знания внутренней структуры помехового сигнала перспективно с точки зрения повышения помехоустойчивости алгоритмов обработки сигналов..
Проблеме повышения помехоустойчивости навигационной аппаратуры в настоящее время уделяется большое внимание. Известные алгоритмы первичной обработки навигационных сигналов, позволяющих получить повышенную помехоустойчивость, приведены ниже.
Повысить помехоустойчивость НАЛ возможно при помощи комплексиро-вания следящих систем с другими вспомогательными источниками информации. Повышение помехоустойчивости достигается за счет обужения шумовых полос следящих систем. В качестве вспомогательного источника информации может быть использован сигнал от систем ФАПЧ, сопровождающих другие НКА (т.н. алгоритм Со-Ор Tracking) [5], сигнал от доплеровских измерителей скорости [6], а также сигнал от инерциального датчика [7]. Данные алгоритмы комплексирования позволяют повысить помехоустойчивость следящих систем на2..10дБ.
10 Другим направлением создания помехоустойчивых алгоритмов первичной обработки сигналов является адаптивная-фильтрация сигнала перед первичной обработкой [8-11]. В'таких алгоритмах используется перестраиваемый режек- торный фильтр, выполняющий функции обелениягпомехи.
При помощи режекторного фильтра возможно достичь высоких показателей подавления узкополосных помех. В частности, при ширине полосы помехи до 10Гц алгоритм обеспечивает работу навигационного приемника при* отношениях помеха/сигнал более 70дБ [8,10]. Однако общим недостатком таких алгоритмов является то, что эффективность помехоподавления» уменьшается при увеличении: полосы частот помехи (за счет вырезания* вместе с помехой» части полезного сигнала). Кроме этого в рассматриваемых навигационных комплексах структура сигнала, образующего внутрисистемную помеху, подобна структуре полезного сигнала НКА. Типовой является ситуация, когда спектр сигнала и спектр помехи совпадают. В таких условиях использование обеляющего фильтра не представляется возможным.
Наиболее перспективными1 являются алгоритмы компенсации помехи, описанные в статьях [12,13]. Алгоритм компенсации помехи подразумевает оценивание параметров как- полезного сигнала, так и помехи, а также вычитание из входного сигнала.восстановленной помехи. В [13] приводится строгий-статистический синтез, алгоритма оценивания параметров сигнала при наличии в канале узкополосной помехи, а также определяются характеристики полученного алгоритма.
В отличие от метода использования обеляющего фильтра алгоритм компенсации помехи использует знание структуры помехового сигнала, поэтому последний при одинаковых условиях обеспечивает более эффективное помехо-подавление. Эффективность алгоритма компенсации при этом не зависит от ширины полосы помехи.
Применительно к задаче приема навигационных сигналов в НАЛ, работающей при наличии внутрисистемной структурно-детерминированной помехи, алгоритм, синтезированный в [13], имеет ограниченное применение. Выше указывалось, что внутрисистемная помеха как правило является широкополосной, поскольку несет модуляцию ПСП, временную задержку которой необходимо оценивать. Кроме этого помеха может иметь модуляцию символами передаваемой информации, что в алгоритмах, исследуемых в работах [12^13] не предусмотрено. Несмотря на это, подход, предложенный в. [13],. может быть развит и применен для строгого синтеза алгоритмов-фильтрации при-наличии структурно-детерминированных помех.
Следует заметить, что наличие информационной модуляции в помеховом сигнале является существенным-фактором, ограничивающим применение компенсационных алгоритмов на практике. Эту трудность отмечают многие исследователи [14].
Стремление обеспечить помехоустойчивый прием при наличии информационной модуляции в помеховом- сигнале привело к появлению- алгоритмов,. основанных на частичной корреляции в приемнике [14,15]. Суть данного алгоритма заключается в том, что-в-качестве опорного сигнала в корреляционном» приемнике используется ПСП< не в точности совпадающая^ с полезным сигналом, а измененная. Измененная- ПСП должна удовлетворять следующим двум* условиям: отсчет взаимной корреляционной функции- ее с помеховой, ПСП должен быть нулевым, уменьшение отсчета корреляционной, функции с ПСП полезного сигнала должно быть минимально.
В [15] приводится алгоритм синтеза такой ПСП, а [14] предлагается, упрощенный вариант алгоритма. Общей характерной особенностью-данного подхода является то, что использование измененной ПСП приводит к уменьшению1 энергетики полезного сигнала, а кроме того, как отмечают сами-авторы метода, сложно подобрать опорную ПСП при наличии доплеровского сдвига частоты между полезным сигналом и помехой.
Анализ литературы показывает, что аналогичная проблема - защита от внутрисистемных помехи, имеется в системах сотовой связи с кодовым разделением каналов (CDMA - Code Division-Muliple Access) [16-19], получившая название проблемы близко-далеко (Near-Far Problem).
12 Предлагалось множество алгоритмов, предназначенных для повышения помехозащищенности приемного устройства в такой ситуации, названных многопользовательскими детекторами (МПД). Основополагающей работой по данному вопросу считается работа [16], в которой проведен синтез, оптимального алгоритма приема сигнала при наличии внутрисистемной межканальной помехи.
В статье [19] предлагается использовать один из алгоритмов МПД в аппаратуре НАЛ для повышения помехозащищенности. Однако такому подходу присущ существенный недостаток. Алгоритмы МПД предназначены для повышения помехоустойчивости демодуляции символа передаваемой информации, между тем выше было показано, что наиболее уязвимыми к действию помех в навигационной аппаратуре являются именно алгоритмы фильтрации параметров сигнала. Данное- обстоятельство делает применение в НАЛ алгоритмов МПД малоэффективным.
Вопрос синтеза- алгоритма оценивания параметров сигнала при наличии внутрисистемной структурно-детерминированной помехи ни вс одной статье поч МПД не рассматривается.
Из приведенного обзора видно,' что задача синтеза алгоритма оценивания параметров решена строго только'для приема сигналов НКА при действии узкополосной помехи, не несущей информационной модуляции. Наличие информационной модуляции в помехе делает невозможным применение известных компенсационных алгоритмов, которые являются наиболее эффективными^
Большинство известных методов повышения помехоустойчивости'являются, как правило, эвристическими, не вытекающими ни из какого-либо оптимального синтеза. На сколько эти методы обеспечивают эффективное помехо-подавления является вопросом, ответить на который можно только располагая характеристиками оптимального алгоритма, которые на сегодняшний момент времени также ни кем не получены.
Актуальность данной работы определяется отсутствием синтезированных оптимальных алгоритмов оценивания параметров навигационного сигнала
13 в приемной аппаратуре при действии в канале структурно-детерминированной помехи, а также отсутствием исследований точности фильтрации информативных параметров сигнала оптимальными алгоритмами.
Целью диссертационной работы является повышение помехозащищенности навигационной аппаратуры GPS/ГЛОНАСС, работающей в составе комплекса, при наличии внутрисистемных структурно-детерминированных помех. При этом внимание уделяется синтезу оптимальных алгоритмов ^первичной обработки навигационных сигналов в одноантенной приемной аппаратуре, а также анализу характеристик точности и помехоустойчивости синтезированных алгоритмов.
Искажения сигнала при' прохождения смеси сигнал плюс помеха' через радиочастотный тракт, а также вопросы построения линейного радиочастотного тракта с большим динамическим диапазоном* в диссертационной работе не рассматриваются.
В работе решены следующие основные задачи:
Проведен анализ существующих методов повышения-помехозащиты навигационной аппаратуры.
Выполнен статистический синтез оптимальных алгоритмов* фильтрации информативных параметров-навигационного сигнала при воздействии структурно-детерминированной помехи для трех практически важных случаев: сигнал и помеха не имеют информационной модуляции; информационная модуляция присутствует только в сигнале; как сигнал, так и помеха несут информационную модуляцию;
Предложены упрощения синтезированных оптимальных алгоритмов,оценивания для частных случаев мощной помехи, а также слабой корреляция сигнала и помехи.
Разработаны структурные схемы устройств, реализующих полученные алгоритмы первичной обработки сигналов GPS/ГЛОНАСС в навигационной аппаратуре.
Проведен анализ потенциальных характеристик точности и. помехоустойчивости, обеспечиваемых синтезированными оптимальными алгоритмами в зависимости от мощности и других параметров помехи.
Разработано программное обеспечения, позволяющее провести имитационное моделирование первичной, обработки навигационного сигнала GPS/FJIOHACC при- действии внутрисистемной структурно-детерминированной помехи.
Проведено имитационное моделирование с.целью исследования эффективности синтезированных алгоритмов ^в .режимах захвата и. слежения: На защиту, выносятся следующие основные положения: В диссертационной работе получены следующие новые результаты, выносимые на защиту: ' оптимальные алгоритмы приема сигналов GPS/TJ10HAGC при? наличии в канале структурно-детерминированной помехи, учитывающие полный вектор параметров'состояния'помехи (когерентные алгоритмы); оптимальные алгоритмы приема- сигналов GPS/TJI0HACC при наличие в канале структурно-детерминированной помехи, учитывающие неполный вектор параметров1 состояния помехи (алгоритмы, некогерентные по поме хе); ' квазиоптимальные алгоритмы приема; навигационных сигналов, полученные из оптимальных для случая^ большого отношения» помеха/сигнал, а также случая слабой корреляции сигнала и помехи; результаты исследований теоретических зависимостей точности-оценивания радионавигационных параметров >сигнала от различных параметров помехи, полученные при помощи решения матричных дисперсионных уравнений; результаты имитационного моделирования работы навигационного приемника с использованием полученных алгоритмов при воздействии внутрисистемной структурно-детерминированной помехи.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы.
15-Вт первой главе описаны радионавигационные комплексы, позволяющие повысить точностные характеристики навигационных систем, характеристики надежности и доступности. Выделены навигационные системы с использованием псевдоспутников и системы, основанные на принципе ретрансляции навигационных сигналов. Отмечено, что* существенным обстоятельством, ограничивающим возможности аппаратуры, работающей в составе таких комплексов, является^ возникновение внутрисистемных помех, являющимися, структурно-детерминированными. Приведены данные, позволяющие оценить помехоустойчивость аппаратуры, построенной с использованием традиционных алгоритмов первичной обработки сигнала при действии различных помех. Проведен анализ известных методов повышения помехоустойчивости навигационной аппаратуры, применительно к каждому отмечены достоинства и недостатки. В результате исследования выявлено отсутствие синтезированных оптимальных алгоритмов приема навигационных сигналов, при« действии^ структуно-детерминированных помех.
Вторая глава диссертационной работы посвящена статистическому синтезу алгоритма фильтрации информативных параметров сигнала при действии-структурно-детерминированной помехи, учитывающий полный вектор параметров состояния помехи..Рассмотрены три задачи, отличающихся наличием в сигнале и помехи информационной модуляции.- Получены выражения для матрицы вторых производных, которая входит в дисперсионное1 уравнение и определяет точность, достижимую при использовании данных алгоритмов. Рассмотрены частные случаи синтезированных алгоритмов, полученные для- случая большого отношения помеха/сигнал и слабой корреляции сигналами помехи. Предложены двухпроходные и параллельные формы .реализации синтезированных алгоритмов. Отмечено, что синтезированные оптимальные алгоритмы являются алгоритмами компенсационного типа, а в случае когда в сигнала или в помехе имеется информационная модуляция, их также можно отнести к алгоритмам с обратной связью по решению.
В- третьей главе проведен статический синтез алгоритмов оценивания, учитывающих неполный вектор состояния» помехи. Основным отличием данных алгоритмов от полученных в главе 2 является то, что алгоритмы-не содержат в.своем составе систему фазовой автоподстройки частоты, работающую по помеховому сигналу. Вместо нее в' синтезированных алгоритмах используется система частотной автоподстройки частоты. При этом полученные оптимальные алгоритмы являются также алгоритмами компенсационного типа. Получены- выражения для* матрицы вторых производных, определяющих точностные характеристики алгоритмов.
В\ четвертой главе проведено исследование зависимости, точности оценивания информативных параметров.сигнала от различных факторов.на-основе решения дисперсионных уравнений. Кроме этого разработана математическая' модель приема навигационных сигналов- при действии структурно-детерминированных помех. С помощью разработанной модели-проведено прямое имитационное1 моделирование синтезированных алгоритмов, подтверждающее их эффективную работу вболыпом динамическом диапазоне помехи.
В заключение приведена общая характеристика диссертационной работы, а также основные выводы, по теоретическим, результатам и результатам моделирования, представленным в работе.
Результаты исследований использованы при проведении научно-исследовательских работ "Резонанс" (2004 - 2005 г.), "Снаряд" (2003 г.) и опытно-конструкторских работ "Грот" (2000 - 2004 г.), "Фрегат" (2000 — 2006 г.) и "Актив" (2005 - 2006 г.). Практическое использование результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими.актами-о внедрении (Приложение 1).
Основные результаты работы отражены в двух статьях в журнале «Вестник МГТУ. Приборостроение» [20,21], одной статье в журнале «Радиотехника (Журнал в.журнале)» [22], а также докладывались на конференциях по радионавигационным системам и системамсвязи[24-26].
