Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Помехоустойчивость аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем. Помехи. Многоканальные цифровые фильтры .
1.1. Типы и характеристики используемых помех 12
1.1.1. Непреднамеренные помехи 12
1.1.2. Преднамеренные помехи 14
1.1.3. Расстояния от источника помех, на которых помехоустойчивая навигационная аппаратура потребителей будет работоспособна 14
1.2. Алгоритмы подавления, основанные на пространственной селекции сигналов
1.2.1. Метод формирования провалов в диаграмме направленности узкополосных систем. Оптимальное винеровское решение 19
1.2.2. Метод формирования провалов в диаграмме направленности широкополосных систем 20
1.2.3. Линейная адаптивная фильтрация 22
1.2.3.1. Метод наискорейшего спуска 22
1.2.3.2. Алгоритм минимальной средней квадратической ошибки 22
1.2.4. Адаптивный фильтр с бесконечной импульсной характеристикой 23
1.2.5. Линейная адаптивная фильтрация в частотной области 24
1.2.6. Непосредственное обращение выборочной ковариационной матрицы 25
1.2.7. Оптимальная обработка векторных сигналов 26
1.2.8. Метод исключения помех на основе анализа пространства сигналов 26
1.2.9. Связь между оптимальной обработкой векторных сигналов и метода исключения помех 30
1.3. Некоторые полезные свойства метода выделения и исключения помех на основе анализа пространства сигналов 31
1.3.1. Формирование лучей на навигационные спутники с использованием не радиотехнических измерений 31
1.3.2. Определение углового положения источников помех 33
1.4. Алгоритм подавления узкополосных помех 34
1.5. Матричные вычисления, необходимые для решения задачи подавления помех 41
1.5.1. Обращение матрицы 41
1.5.2. Вычисление собственных векторов ковариационной матрицы 42
1.6. Моделирование 46
1.7 Основные результаты и выводы 53
ГЛАВА 2. Факторы, влияющие на качество работы многоканальных подавителей помех 55
2.1. Аналого-цифровой преобразователь 55
2.2. Динамический диапазон аналогового тракта 56
2.3. Исследование неидентичности частотных характеристик аналоговых трактов навигационной аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем 56
2.3.1. Исследование влияния согласования канала передачи 56
2.3.2. Экспериментальная оценка влияния переотражений на частотные характеристики аналоговых трактов 60
2.4. Основные результаты и выводы 77
ГЛАВА 3. Устранение неидентичности аналоговых трактов помехоустойчивой навигационной аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем 79
3.1. Разбиение полосы пропускания на узкие подполосы 79
3.2. Калибровка аналоговых трактов помехоустойчивой навигационной аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем 81
3.3. Квадратурная обработка сигналов 85
3.3.1. Формирование квадратурного сигнала аналоговым комплексным смесителем 85 3.3.2. Формирование квадратурного сигнала цифровым комплексным смесителем 87
3.3.3. Формирование квадратурного сигнала цифровой фильтром Гильберта 92
3.3.4. Формирование квадратурного сигнала при помощи дискретного преобразования Фурье 97
3.4. Основные результаты и выводы 101
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования и испытания 103
4.1. Структурная схема подавителя помех 103
4.2. Эксперимент в лабораторных условиях 106
4.3. Испытания в безэховой камере 107
4.4. Полунатурные испытания помехоустойчивой навигационной аппаратуры спутниковых радионавигационных систем 111
4.5. Основные результаты и выводы 112
Заключение 114
Список литературы
- Расстояния от источника помех, на которых помехоустойчивая навигационная аппаратура потребителей будет работоспособна
- Алгоритм минимальной средней квадратической ошибки
- Исследование неидентичности частотных характеристик аналоговых трактов навигационной аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем
- Формирование квадратурного сигнала цифровой фильтром Гильберта
Расстояния от источника помех, на которых помехоустойчивая навигационная аппаратура потребителей будет работоспособна
Большинство случаев воздействия непреднамеренных помех на ПНАП СРНС связано с паразитными излучениями или гармониками оборудования связи ОВЧ-диапазона, а также внеполосными и паразитными излучениями оборудования спутниковой связи. Портативные электронные устройства также могут создать помеху ПНАП СРНС.
Этот факт связан с тем, что наземные источники помех в настоящее время включают в себя средства связи ОВЧ-диапазона, прямые радиолинии, работающие в полосе частот СРНС, гармонические составляющие излучения телевизионных станций, некоторые радиолокационные системы, системы подвижной спутниковой связи и системы военного назначения.
В качестве примера непреднамеренной помехи можно рассмотреть ситуацию, возникающую при работе некоторых типов телевизионных антенн, которые используют усилитель для компенсации затухания сигнала в кабеле. Усилитель зачастую излучает электромагнитный сигнал с характеристиками, схожими с характеристиками GPS L1 [21] сигнала, и мощности такого излучения достаточно для блокировки НАП на расстоянии в сотни метров.
Другим аспектом появления непреднамеренных помех является наличие атмосферных эффектов. Интенсивные осадки, которые вызывают затухание спутниковых сигналов СРНС только на доли децибел, не оказывают существенного влияния на эксплуатацию системы. Тропосферные влияния учитываются при разработке системы, и поэтому они не относятся к вопросу уязвимости. Но имеется два ионосферных явления, которые необходимо учитывать: быстрые и значительные изменения состояния ионосферы и сцинтилляция. Изменения состояния ионосферы приводят к ошибкам в определения дальности. Сцинтилляция может привести к временной потере сигналов СРНС от одного или нескольких космических аппаратов (КА). Эти аспекты выходят за рамки работы, и поэтому не рассматриваются.
Наилучшим образом оценить опасность непреднамеренной помехи можно только на основе опыта эксплуатации. Вероятность непреднамеренной помехи часто зависит от географических условий. Крупные города со значительным числом источников радиочастотных помех, промышленных районов и т. д. в большей степени подвержены непреднамеренным помехам, чем удаленные районы. Однако здесь возникает необходимость определения местоположения этих помех с целью их дальнейшего исключения. 1.1.2. Преднамеренные помехи
В связи с низкой мощностью сигналов СРНС существует возможность их подавления маломощными передатчиками. Такая возможность должна учитываться и оцениваться как угроза.
Постановка уводящих помех представляет собой преднамеренное искажение навигационных сигналов с целью вызвать искажение навигационного пространства.
Число умышленных инцидентов подавления продолжает повышаться, главным образом из-за повышения доступности устройств подавления, которые можно относительно легко и недорого реализовать на современной элементной базе. Один из простейших вариантов передатчика помех – генератор сигнала с частотой, находящейся в пределах одного из диапазонов (например, L1 или L2).
Мощность сигналов, передаваемых со спутников СРНС, изначально невелика, а в точке приема становится на много порядков меньше исходной, вследствие эффекта затухания в свободном пространстве. Таким образом, для успешного подавления навигационного приемника достаточно передатчика небольшой мощности, излучающего, например, на частотах L1 или L2 вблизи навигационного приемника. В этом случае качество подавления зависит от характеристик электромагнитной помехи, типа и размещения передатчика помех и от его мощности.
Расстояния от источника помех, на которых помехоустойчивая навигационная аппаратура потребителей будет работоспособна При оценке работоспособности аппаратуры потребителя при воздействии помех полезно ввести понятие критического расстояния – минимального расстояния от источника помехи, при котором работа еще возможна. Расчёт критических расстояний был выполнен исходя из следующего: На графиках на оси абсцисс даны критические расстояния, на оси ординат отложены значения уровней превышения помехи над сигналом, соответствующие критическим расстояниям. Графики даны для трёх значений SNR: 27 дБ_Гц (рисунок 1), 33 дБ_Гц (рисунок 2), 44 дБ_Гц (рисунок 3). При этом зависимости при значениях мощностей постановщика помех, равных 10 мВт, 100 мВт, 1 Вт, 10 Вт, 100 Вт и 1 кВт.
Наиболее эффективным способом повысить помехоустойчивость является пространственная обработка сигналов. Способ основан на том, что сигнал помехи, падающий на антенную систему возбуждает каждый антенный элемент со своей фазой, что позволяет извлечь информацию о пространственном положении источников и использовать ее для подавления помеховых воздействий.
Алгоритм минимальной средней квадратической ошибки
Важнейшее свойство метода выделения и исключения помех на основе анализа пространства сигналов является получение вектора сигналов х, размерность которого равна числу антенных элементов антенной системы. Ранее освоенный метод подавления помех на основе алгоритма формирования провала в направлении помехи позволяет определить только одну компоненту вектора сигналов х. Этот метод также позволяет вычислить вектора помех х по отдельности, даже в том случае, когда спектры помех идентичны.
Вычисление вектора сигнала позволяет вычислить наибольшее значение сигнала с формированием виртуального луча в направлении на каждый навигационный спутник. Вычисление векторов помех позволяет определить угловое положение каждого постановщика помех. Формирование лучей на навигационные спутники с использованием не радиотехнических измерений
Будем полагать, что альманах СРНС известен. Тогда известны угол возвышения г и азимут г /-го навигационного спутника (НС). Орт вдоль линии распространения сигнала записывается в виде Р = (с08(вІ.)-8Іп(фІ.),С08(вІ.)-С08(фІ.),8ш(вІ.)) . (34)
Полагаем, что известны угловые координаты объекта, на котором установлена антенная система (курс - , угол тангажа - , угол крена - ). Тогда можно вычислить матрицу направляющих косинусов С (матрицу Эйлера) [33]
Для получения наилучших условий приема другого НС необходимо задать соответствующий вектор распространения и выполнить точно такие же вычисления.
Из изложенного становиться очевидным, что при обеспечении наилучшего приема по M сигналам навигационных спутников, должен быть сформирован пакет, каждый столбец которого должен быть непосредственно подключен M-канальному коррелятору. Полученное решения является оптимальным по критерию максимума отношения сигнал-шум.
Определение углового положения источников помех Для данной задачи используется сверхразрешающий поисковый алгоритм Multiple Signal Classification (MUSIC) [34, 35]. Он основан на свойстве ортогональности векторов направляющих косинусов, лежащих в подпространстве помех, подпространству шумов. Алгоритм сводится к поиску максимума функции Если углы (,) совпадают с одним из направлений прихода источника помехи, то знаменатель функции P(,) стремится к нулю, а сама функция имеет максимум в этом направлении. Данный алгоритм обеспечивает высокую точность определения углового положения и высокую разрешающую способность при воздействии нескольких сигналов на антенную систему. Рисунок 10 - Результат моделирования алгоритма MUSIC
Для подавления узкополосных помех обычно используется система перестраиваемых режекторных фильтров. Алгоритм нахождения коэффициентов заключается в том, что в оцифрованном сигнале, с выхода приёмника, в реальном времени определяются значения частот, узкополосных помех. Затем для этих частот рассчитываются режекторные фильтры и данные фильтры применяются к оцифрованному сигналу.
Структурная схема режекторного фильтра Таким образом, режекторный фильтр этого типа - это устройство, вычитающее из сигнала выходной сигнал полосового фильтра. На частоте настройки соо этого фильтра коэффициент усиления последнего должен быть немного менее единицы, например равен с 1. Тогда величина ослабления узкополосного сигнала на частоте со0 будет равна 1- с.
Спектр сигнала после подавления узкополосных помех Узкополосные помехи так же можно подавить при помощи STAP-технологии. При этом, количество степеней свободы для подавления широкополосных помех не уменьшается. Это происходит благодаря тому, что в амплитудно-частотной характеристике пространственного фильтра появляются провалы на соответствующих частотах. На рисунке 14 представлены результаты моделирования 4-элементной антенной решетки при 10 отводах и при воздействии на нее 8 помех:
Исследование неидентичности частотных характеристик аналоговых трактов навигационной аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем
В главе 1 получены следующие основные результаты: 1. Разработан метод устранения помех, который основан на анализе спектра ковариационной матрицы выходных сигналов антенных элементов, который позволяет более точно оценить ковариационную матрицу помех. 2. Проведен сравнительный анализ предложенного метода устранения помех с классическими методами подавления. 3. Предложен алгоритм решения частичной проблемы собственных значений, которая возникает в методе устранения помех. 4. Разработана математическая модель сигнально-помеховой обстановки. На основании результатов, полученных в главе 1, можно сделать следующие выводы: 1. Метод устранения помех реализуем на практике. 2. В предложенном методе происходит не подавление помехи (т. е. уменьшение уровня), а производится разделение сигналов на две группы: помеховые и шумовые. Причем, т. к. сигналы навигационных спутников на входе ПНАП имеют уровень мощности много меньше собственных шумов, то они попадают в оба пространства. Часть мощности спутникового сигнала, которая попадает в подпространство помех, зависит от взаимного углового положения полезного сигнала и источников помех. 3. Предложенный метод не приводит к потере информации об угловом положении навигационных спутников, что позволяет реализовать формирование лучей, т. е. повысить ОСШ. Кроме того, появляется возможность определения углового положения источников помех при помощи поискового алгоритма MUSIC. 4. Результаты моделирования показывают, что ширина провала в диаграмме направленности не зависит от межэлементного расстояния в АР, в отличии от классического метода, где при сближении антенных элементов провал в диаграмме направленности существенно увеличивается.
Научные результаты, полученные в главе 1, изложены в работах автора [26, 49, 50].[26] [49][50] Факторы, влияющие на качество работы многоканальных подавителей помех
Как известно, на качество работы подавителей помех, основанных на пространственной селекции сигналов, влияет идентичность частотных характеристик каналов передачи. Канал передачи складывается из: - среды распространения, причем, так как используется антенная решетка, ЧХ на входе каждого антенного элемента различны; - аналогового тракта приемника, состоящего, в общем случае, из полосно-пропускающего фильтра, малошумящего усилителя и гетеродинного преобразователя.
Кроме того, уровень подавления определяется шумами на входе аналого-цифрового преобразователя и динамическим диапазоном аналогового тракта.
Разрядность АЦП D определяет верхнюю границу эффективности работы цифровых устройств подавления помех. Под эффективностью подразумевается максимальное отношение помеха-собственный шум (J/N), которое можно получить. Так как наибольшей маскирующей способностью обладают помехи, имеющие нормальный закон распределения [51], то значения шумового процесса заключены в интервале ±3п ( — среднеквадратичное отклонение). Тогда, для того что бы АЦП не входил в насыщение, СКО помехи не должно превышать одной третьей от максимальной амплитуды входного сигнала, те: Если принять СКО собственного шума приемника за единицу, то максимальное отношение помеха-собственный шум (J/N)max, равно: (J/N)max=201og10(max) . (62) Например, для 14-разрядного АЦП (J/N)max = 68 дБ.
В реальном АЦП к уровню собственного шума приемника добавляется шум АЦП, обусловленный дрожанием апертуры, дифференциальной нелинейностью и шумом квантования. Простое уравнение для общего отношения помеха-собственный шум (J/N) выглядит следующим образом [52]: где / - частота полношкального синуса на аналоговом входе, t;.=Vt)c+t)a -дрожание апертуры, tjc - дрожание от дискретизации, tJa - собственное апертурное дрожание АЦП, — дифференциальная нелинейность АЦП, D - число разрядов, Ушум эффективный входной шум АЦП.
Требования к аналоговому тракту с точки зрения подавителя помех формулируются следующим образом: работа в нелинейном режиме должна наступать позже, чем наступит переполнение АЦП.
Исследование неидентичности частотных характеристик аналоговых трактов навигационной аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем
В силу особенностей принципа работы подавителя, основанного на использовании антенной системы, на уровень подавления оказывают влияние фазовые характеристики аналогового тракта, а именно их идентичность.
На фазовые характеристики оказывает влияние согласование между входящими в него ВЧ элементами. Чтобы оценить влияние качества согласования (характеризуемого коэффициентом стоячей волны (КСВ)) на ФЧХ, необходимо выбрать адекватную модель, описывающую ВЧ элемент в нужном частотном диапазоне. Различные типы ВЧ устройств можно описать с помощью падающих и отражённых волн, которые распространяются в подключенных к ним линиях передач. Связь между этими волнами описывается волновой матрицей рассеяния или матрицей S-параметров. Свойства четырехполюсника описываются с помощью двух уравнений, связывающих комплексные амплитуды падающих и отражённых волн. где SA и SB - матрицы S-параметров ВЧ устройств А и В соответственно. Таким образом измерив S-параметры ВЧ устройств, используемых в ВЧ тракте реального изделия, имеется возможность оценить влияние согласования между ними на фазовые характеристики, представленные в виде группового времени запаздывания (ГВЗ).
При помощи анализатора цепей были получены волновые матрицы рассеяния двух различных полосно-пропускающих фильтров. Далее, полученные матрицы S-параметров загружались в среду имитационного моделирования simulink, в виде ВЧ-блоков. Для управления межблоковым согласованием, необходимо использовать согласующий блок. Таким образом, блок-схема эксперимента будет иметь следующий вид (рисунок 24):
Формирование квадратурного сигнала цифровой фильтром Гильберта
В главе 3 рассматриваются несколько методов уменьшения влияния неидентичности частотных характеристик (ЧХ) аналоговых трактов.
Первый метод заключается в разбиении полосы пропускания на узкие подполосы. Неидентичность ЧХ в каждой из подполос зависит от ее ширины. Соответственно, чем уже ширина, тем меньше неидентичность.
Второй метод заключается в калибровке ЧХ аналоговых трактов. А именно, ЧХ всех аналоговых трактов приводятся к общему знаменателю. Для этого вводятся корректирующие КИХ-фильтры, коэффициенты которых рассчитываются по формуле (6).
Третий метод заключается в высокоточном формировании квадратурного сигнала, которое можно достичь только цифровым способом.
3.1. Разбиение полосы пропускания на узкие подполосы
Данный способ заключается в разбиении полосы пропускания приемника на узкие подполосы при помощи системы цифровых полосно-пропускающих фильтров, последующей пространственной обработке сигналов каждой подполосы и суммировании результатов (рисунок 47). При этом на импульсную характеристику hE системы фильтров накладывается условие:
Структурная схема метода разбиения полосы пропускания на узкие подполосы выполнимо только если ФЧХ фильтра линейна, что можно обеспечить использованием КИХ-фильтров с симметричными коэффициентами I типа [37]. Сама импульсная характеристика, исходя из рисунка 47, имеет вид h2=X где — дельта-функция. Следовательно, сумма коэффициентов при соответствующем отводе равна нулю, за исключением одного из отводов, при котором сумма коэффициентов равна единице.
Ниже приведены результаты моделирования приращения коэффициента подавления Кпод, по сравнению с узкополосной обработкой, полученные с использованием реальных данных с АС (рисунок 48). Характеристики приемника: центральная частота 1591 МГц, полоса пропускания 40 МГц.
Калибровка аналоговых трактов помехоустойчивой навигационной аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем
Аналоговые тракты приемных каналов имеют неидентичные ЧХ, что влияет на качество работы устройств подавления помех, основанных на пространственной селекции сигналов. Отчасти эта проблема снимается использованием пространственно-временной обработкой или разделением полосы пропускания на узкие подполосы, однако это ведет к существенному росту вычислений. Тем не менее, так как ЧХ аналоговых трактов не меняются со временем или меняются очень медленно, имеет смысл проводить расчеты, связанные с компенсацией неидентичности, несколько реже, чем это требуется при постоянном мониторинге помеховой обстановки. Данную задачу можно решить введя режим калибровки. Он состоит в том, что в приемные каналы подмешивается калибровочный сигнал d(tk). Причем его мощность должна быть несколько больше собственных шумов, и в то же время он не должен влиять на прием полезного сигнала, т. е. иметь ортогональную ко всем спутникам псевдослучайную последовательность (ПСП).
Компенсация неидентичности производиться путем включения на входе блока обработки калибровочных фильтров с перестраиваемыми коэффициентами. Данные фильтры должны обеспечить минимальную разность ЧХ каналов между собой. Коэффициенты находятся путем решения уравнения Винера-Хопфа для двух каналов.
На рисунке 49 представлена структурная схема режима калибровки, которая приводит ЧХ периферийных каналов Kn() ( n=2,N ) к ЧХ опорного K1(), при помощи трансверсального фильтра с импульсной характеристикой H1n(z). Структурная схема калибровки Сигнал d подмешивается одновременно на все каналы. Подмешивать сигнал d можно при помощи направленных ответвителей, стоящих на входе аналогового тракта, т.е. перед первым полосовым фильтром. Однако в этом случае не учитывается влияние излучателей антенных элементов. Что бы преодолеть этот недостаток, следует поместить в центр антенной системы калибровочный излучатель или совместить функцию приема полезного сигнала и функцию калибровки на центральном элементе АС, для соблюдения симметрии. Сигналы после прохождения аналогового тракта оцифровываются с частотой 1/Atk , после чего формируются N-1 пар сигналов (e(h), zn(h)). Каждая пара поступает на вход схемы калибровки, где формируется вектор наблюдений e = (e(t1),...,e(tK)) T , и матрица наблюдений Zn = (z„0,...,Z«L), где Схема стенда для сбора данных в котором имелся генератор сигналов E4438C фирмы Agilent, делитель мощности ZN4PD-272-S+ фирмы Mini-Circuits и макет платы 4-канального приемника. На плате был установлен 8-канальный 12-разрядный АЦП. На вход платы с генератора сигналов через делитель мощности подавалась широкополосная помеха. Далее производилось накопление выборок с АЦП. Таким образом были получены данные, при помощи которых имелась возможность проанализировать различные явления.
Из таблицы 1 видно, что мощность входного сигнала изменяется от канала к каналу, при этом на первом канале наблюдается разность мощностей квадратурных составляющих. После проведения калибровки (таблица 2) мощность входных сигналов периферийных каналов приводится к мощности опорного канала. К тому же мощность выходного сигнала без калибровки зависит от выбора опорного канала. После проведения калибровки выходная мощность не превышает 2.
Для анализа влияния формирования квадратурных составляющих на уровень подавления были исследованы возможные варианты формирования квадратурного сигнала методом математического моделирования по реальным данным. Причем, данные были разбиты на неперекрывающиеся блоки, для каждого из которых проводилась оценка уровня подавления.
