Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности приема и обработки ретранслированных сигналов
1.1. Общие принципы обработки сигналов в аппаратуре потребителей спутниковых радионавигационных систем 31
1.1.1. Навигационные параметры и функции сигналов СРНС 31
1.1.2. Модель сигнала НКАСРНС 33
1.1.3. Методы и алгоритмы навигационно-временных определений в аппаратуре потребителей по сигналам НКА 39
1.2. Навигационные параметры и функции сигналов в АПРС
1.2.1. Статистические модели каналов передачи прямых и ретранслированных сигналов СРНС 42
1.2.2. Анализ и классификация основных типов ретрансляторов радионавигационных сигналов 47
1.2.3. Модели сигналов, навигационные и радионавигационные параметры сигналов в АПРС 53
1.3. Методы навигационно-временных определений с использованием ретранслированных сигналов СРНС 59
1.3.1. Дальномерные методы определения координат при использовании только ретранслированных сигналов 60
1.3.2. Доплеровские методы определения скорости и координат при использовании только ретранслированных сигналов 63
1.3.3. Совместное использование прямых и ретранслированных сигналов НКА 67
1.3.4. Сравнительный анализ способов определения координат по прямым и ретранслированным сигналам СРНС 68
Глава 2. Алгоритмы навигационных определений на основе прямых и ретранслированных сигналов СРНС при использовании ретранслятора в качестве опорной радионавигационной точки 74
2.1. Особенности построения ОРНТ на базе ретрансляторов
2.1.1. Основные задачи, решаемые с использованием РРНТ 74
2.1.2 Выбор схемы ретрансляции сигналов для РРНТ 78
2.1.3. Особенности использования сигналов РРНТ для дифференциальной коррекции 84
2.2. Синтез оптимальных алгоритмов совместной обработки прямых и ретранслированных сигналов СРНС для навигационных определении
2.2.1. Выбор и обоснование модели динамики компонент вектора состояния потребителя 89
2.2.2. Синтез одноэтапного алгоритма совместной когерентной обработки прямых и ретранслированных сигналов НКА 92
2.2.3. Синтез двухэтапного алгоритма совместной когерентной обработки прямых и ретранслированных сигналов НКА 107
2.2.4. Синтез алгоритмов дифференциальной коррекции при совместной обработке прямых и ретранслированных сигналов СРНС 122
2.3. Моделирование и сравнительная оценка потенциальной точности НВО с использованием РРНТ 131
2.3.1. Моделирование погрешностей навигационных определений наземных потребителей с использованием РРНТ 133
2.3.2. Моделирование погрешностей относительных измерений при совместной обработке прямых и ретранслированных сигналов СРНС 138
2.4. Выводы по главе 2
Глава 3. Алгоритмы навигационных определений при использовании ретрансляторов в системах внешнетраекторных измерений динамичных объектов
3.1. Выбор и обоснование схемы ретрансляции сигналов СРНС для системы ВТИ
3.2. Синтез оптимальных алгоритмов обработки прямых и ретранслированных сигналов СРНС в системах внешнетраекторных измерении 146
3.2.1. Выбор и обоснование модели динамики компонент вектора состояния для АПРС системы ВТИ 146
3.2.2. Синтез одноэтапного алгоритма совместной обработки прямых и ретранслированных сигналов СРНС в некогерентном режиме для АПРС системы ВТИ 151
3.2.3. Синтез одноэтапного алгоритма совместной обработки прямых и ретранслированных сигналов СРНС в АПРС в когерентном режиме 159
3.3. Синтез двухэтапных алгоритмов обработки ретранслированных сигналов НКА для системы ВТИ 169
3.3.1. Синтез алгоритмов первичной обработки ретранслированных сигналов в когерентном режиме для систем ВТИ 171
3.3.2. Особенности алгоритмов вторичной обработки ретранслированных сигналов для ВТИ 180
3.4. Моделирование и сравнительная оценка потенциальной точности 1 R4 системы ВТИ с использованием ретрансляторов сигналов СРНС
3.4.1. Моделирование погрешностей навигационных определений высокодинамичных ЛА в системе ВТИ 184
3.4.2. Сравнительная оценка эффективности использования ретрансляторов сигналов СРНС в системах ВТИ 191
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований ретрансляционной аппаратуры 196
4.1. Результаты испытаний ретранслятора с узкополосным пилот сигналом 197
4.2. Результаты исследований ретранслятора сигналов НКА с широкополосным пилот - сигналом
4.2.1. Аппаратура БРМ 203
4.2.2. Аппаратура приема ретранслированных сигналов 206
4.2.3. Результаты испытаний в 32 ГНИИИ МО РФ 208
4.2.4. Результаты натурных испытаний макета канала ретрансляции 211
217
4.3. Внедрение результатов диссертационной работы 218
Заключение и общие выводы 225
Список литературы
Приложение
- Навигационные параметры и функции сигналов в АПРС
- Дальномерные методы определения координат при использовании только ретранслированных сигналов
- Синтез одноэтапного алгоритма совместной когерентной обработки прямых и ретранслированных сигналов НКА
- Моделирование погрешностей относительных измерений при совместной обработке прямых и ретранслированных сигналов СРНС
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время спутниковая радионавигация рассматривается как одна из важнейших высоких технологий, обеспечивающих информационную независимость и безопасность государства. Федеральная целевая программа «ГЛОНАСС», предусматривают широкое внедрение современных достижений технологии спутниковых радионавигационных систем (СРНС) в системы специального, двойного и гражданского назначения.
Дальнейший прогресс в области повышения качества навигационно-временных определений (НВО) (точности, достоверности) связан, во-первых, с развитием структуры СРНС (как в целом, так и ее составных частей), а во-вторых - с разработкой более совершенных методов и алгоритмов НВО.
Развитие структуры СРНС второго поколения в настоящее время идет по пути создания так называемых средств функциональных дополнений (СФД), как космического, так и наземного базирования. Наиболее известным и распространенным видом СФД являются дифференциальные подсистемы (ДПС), а также псевдоспутники - неподвижные источники навигационных сигналов, по структуре и параметрам аналогичные сигналам навигационных космических аппаратов (НКА), играющие роль дополнительных опорных радионавигационных точек (ОРНТ). В данной диссертации исследуется другой вариант создания дополнительных ОРНТ, основанный на использовании ретрансляторов (далее по тексту – «Р») сигналов НКА. Таким образом, основным объектом исследований в данной работе является ретранслятор без обработки сигнала, т.е. устройство, осуществляющее прием, преобразование и передачу потребителю сигналов НКА с полным сохранением их спектра.
Совершенствование методов и алгоритмов НВО для аппаратуры потребителей (АП) СРНС идет по нескольким направлениям. Развиваются методы дифференциальных (относительных) измерений на основе совместной обработке информации, извлекаемой из сигналов НКА и СФД, а также алгоритмы обработки сигналов НКА в АП. При этом наряду с традиционными алгоритмами НВО, предполагающими разделение процесса оценки пространственных координат и других составляющих вектора состояния (ВС) потребителя на два этапа - первичную (выделение и фильтрацию параметров сигнала НКА) и вторичную (фильтрацию навигационных параметров (НП) и компонент ВС) обработку, все большее внимание уделяется одноэтапным алгоритмам совместной обработки совокупности измерений радионавигационных параметров (РНП) по всем доступным сигналам СРНС.
С учетом изложенного, в данной диссертации в качестве основных избраны следующие направления исследований.
1. На системно-структурном уровне – особенности построения и использования радиосистем с ретрансляторами сигналов НКА; при этом рассматриваются два основных варианта применения таких Р, описанных в патентной и научно-технической литературе:
в СФД СРНС в качестве дополнительной ОРНТ (далее по тексту – «Ретрансляционная радионавигационная точка, РРНТ»), координаты которой известны;
в системах внешнетраекторных измерений (ВТИ) для определения ВС объекта, на борту которого установлен Р, путем приема и обработки ретранслированных сигналов в наземном измерительном пункте.
2. На программно-алгоритмическом уровне – анализ методов НВО с использованием ретранслированных и прямых сигналов НКА, а также синтез оптимальных алгоритмов обработки этих сигналов.
Единую методическую основу для решения в данной работе задачи разработки алгоритмов, учитывающих особенности НВО с использованием ретранслированных сигналов дает теория оптимальной фильтрации. Общая теория статистического синтеза оптимальных (по различным критериям) алгоритмов оценивания и фильтрации марковских процессов развита в работах А.Н. Колмогорова, Н. Винера, Р.Е. Калмана, Р.Л. Стратоновича. Заметный вклад в применение этой теории в радиотехнических системах внесли работы В.И. Тихонова, В.Н. Харисова, С.М. Ярлыкова, А.И. Перова.
Однако работы посвященные синтезу алгоритмов оптимальной обработки ретранслированных сигналов НКА встречаются редко, а по теме оптимальной совместной обработки сигналов НКА и Р - практически отсутствуют.
Таким образом, актуальность данной работы определяется необходимостью проработки комплекса не исследованных до сих пор теоретических вопросов, связанных с синтезом и анализом оптимальных и квазиоптимальных алгоритмов обработки сигналов, принимаемых от неподвижных и подвижных Р, а также алгоритмов обработки этих сигналов совместно с прямыми сигналами НКА. Большой практический интерес представляет исследование структуры и возможности реализации СФД на основе ретрансляторов сигналов НКА.
Целью работы является разработка комплекса вопросов, связанных с использованием Р сигналов СРНС для решения двух основных проблем.
1. Повышение достоверности и точности НВО по сигналам СРНС в локальном районе, в том числе в сложных условиях (отсутствие постоянной радиовидимости необходимого числа НКА, неудовлетворительная геометрия радиовидимого созвездия и т.п.), за счет приема сигналов неподвижной РРНТ.
2. Получение с помощью Р, установленного на борту подвижного объекта, информации о текущих координатах и параметрах движения носителя.
В диссертации решены следующие задачи:
1. Анализ методов навигационно-временных определений с использованием ретранслированных сигналов СРНС.
2. Разработка модели сигналов ретранслятора, а также НП и РНП этих сигналов для аппаратуры приема ретранслированных сигналов (АПРС).
3. Синтез алгоритмов на основе совместной когерентной обработки сигналов НКА и стационарной РРНТ:
- одноэтапных алгоритмов НВО и дифференциальной коррекции координат для аппаратуры потребителя;
- алгоритмов первичной обработки ретранслированных сигналов СРНС совместно с пилот-сигналом (ПС) от Р для двухэтапного алгоритма НВО.
4. Синтез алгоритмов совместной обработки прямых и ретранслированных сигналов НКА совместно с пилот-сигналом от Р для АПРС системы ВТИ:
- одноэтапного алгоритма фильтрации траектории Р в некогерентном и когерентном режимах слежения за его сигналами;
- алгоритмов первичной когерентной обработки сигналов Р для двухэтапного алгоритма определения параметров его траектории.
5. Разработка программных средств имитационного моделирования для исследования характеристик синтезированных алгоритмов.
6. Разработка макетов канала ретрансляции сигналов СРНС для экспериментальных исследований.
Методы исследований. При решении указанных выше задач в теоретических и экспериментальных исследованиях были использованы методы теории вероятности и случайных процессов, статистического анализа и синтеза, методы оптимальной линейной и нелинейной фильтрации, а также методы имитационного моделирования, полунатурных и натурных испытаний.
На защиту выносится:
защищенная патентом структура системы СФД СРНС на базе РРНТ;
одноэтапные алгоритмы НВО и дифференциальной коррекции координат АПРС по результатам совместной обработки сигналов НКА и РРНТ в когерентном режиме слежения;
алгоритм комплексной первичной обработки ретранслированных сигналов СРНС совместно с пилот-сигналом РРНТ для двухэтапного алгоритма НВО в когерентном режиме работы АПРС;
одноэтапные алгоритмы совместной обработки прямых, ретранслированных сигналов СРНС и пилот-сигнала для некогерентного и когерентного режимов работы АПРС при использовании ретранслятора в системах ВТИ;
алгоритм комплексной первичной обработки ретранслированных сигналов НКА совместно с пилот-сигналом от Р в когерентном режиме слежения для двухэтапного алгоритма АПРС системы ВТИ;
результаты исследований точностных характеристик разработанных алгоритмов АПРС для обработки сигналов НКА и ретрансляторов;
результаты экспериментальных исследований макетов ретрансляционной аппаратуры.
Научная новизна результатов, полученных в диссертации
1. На основе методов оптимальной нелинейной фильтрации синтезированы оптимальные алгоритмы одноэтапной совместной обработки сигналов Р и НКА для когерентного и некогерентного режимов работы АПРС.
2. Синтезированы алгоритмы комплексной первичной обработки ретранслированных сигналов СРНС совместно с ПС для двухэтапного когерентного режима работы АПРС.
3. Синтезирован одноэтапный алгоритм дифференциальной коррекции координат потребителя только по результатам совместной обработки сигналов НКА и РРНТ (без использования внешней корректирующей информации).
4. Результаты исследований точностных характеристик разработанных алгоритмов обработки сигналов НКА и ретрансляторов, полученные как методами математического моделирования, так и в процессе лабораторных и натурных испытания макетов ретрансляционной аппаратуры.
Достоверность результатов диссертации подтверждается хорошим согласованием теоретических выводов с результатами, полученными путем численного моделирования и в процессе экспериментальных исследований.
Практическая значимость работы
1. Предложена и обоснована структура СФД СРНС ГЛОНАСС с использованием ретрансляторов в качестве дополнительных опорных радионавигационных точек, позволяющая повысить качество НВО в локальном районе в сложных условиях приема прямых сигналов НКА.
2. Предложена структура системы ВТИ с использованием ретрансляторов сигналов НКА, позволяющая повысить качество определения параметров траектории динамичных объектов.
3. Разработаны программные средства, позволяющие оценить характеристики НВО с использованием ретранслированных сигналов на этапах разработки и проектирования СФД и систем ВТИ.
4. Разработаны, изготовлены и исследованы макеты каналов ретрансляции, проведена экспериментальная отработка предлагаемых алгоритмов, в том числе по реальным спутниковым сигналам.
Реализация и внедрение результатов исследования. Результаты диссертации использованы при проведении ряда НИОКР выполненных автором в 3 ЦНИИ МО РФ в период 1990 – 2008 гг., в 46 ЦНИИ МО РФ и в ОАО «НПК «Тристан», а также в НИИ РЭТ МГТУ им. Баумана, в том числе в следующих НИР: «Авальман-МГТУ», «Штифт», «Траектория-МГТУ», что подтверждено соответствующими актами об использовании. Материалы исследований были использованы при задании ТТЗ на ОКР «Преломление».
Апробация результатов. По материалам диссертации сделано более 15 докладов на научно-технических семинарах и конференциях, в том числе: на международной научно-технической конференции «Спутниковые системы связи и навигации», Красноярск, 1997 г.; на международных научно-технических конференциях «Радиолокация, радионавигация, связь», Воронеж, 2003, 2004, 2008 г.г.; на российской научно-технической конференции «Современное состояние и проблемы навигации и океанографии», Санкт-Петербург6ург, 2004 г.; на научно-технических конференциях «Радиооптические технологии в приборостроении», 2004, 2005, 2007, 2008 г.г.
Публикации. Результаты диссертационной работы изложены в более 30 публикациях, в том числе 6 в изданиях, входящих в Перечень ВАК. По теме диссертации получены одно авторское свидетельство, два патента РФ и одна заявка на патент РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и 3 приложений. Основная часть работы изложена на 237 страницах, содержит 15 таблиц, 63 рисунка и список литературы из 124 наименований.
Навигационные параметры и функции сигналов в АПРС
Рассматриваемые в диссертации приложения ретрансляторов - в качестве источника информации для ВТИ и в качестве дополнительной ОРНТ - имеют некоторые различия с точки зрения алгоритмов приема и обработки информации. Однако структура каналов передачи прямых и ретранслированных сигналов в обоих случаях одинакова. Статистические модели этих каналов рассматриваются ниже. Как известно [70], любую радиосистему можно представить в виде совокупности радиоканалов, которые включают в себя радиоустройства, обеспечивающие передачу или (и) извлечению информации, содержащейся в радиосигналах, а также физическую среду, в которой они распространяются. Функционирование СРНС в «штатном режиме» может быть представлено последовательностью следующих операций [4]: синхронизация ОГ всех НКА системы с наземным эталоном; формирование навигационного кода, включая дальномерную ПСП и СИ; модуляция несущей на всех НКА навигационным кодом; излучение навигационных сигналов всеми НКА; смещение излученных сигналов по времени и частоте при распространении по трассе НКА-АП; прием АП множества сигналов НКА попавших в зону ее радиовидимости; выделение сигнала каждого НКА из множества принятых; оценивание РНП и декодирование СИ по каждому НКА; совместная обработка результатов измерений и выделенной информации по сигналам от всех наблюдаемых НКА и выдача координат потребителя и скорости их изменения. Соответствующая этой последовательности операций статистическая модель одного канала СРНС изображена на рисунке 1.1 с использованием обозначений, принятых для описания радиоканалов: пространства различных параметров сигналов обозначены кружками, операторы преобразования сигналов - квадратами, малыми буквами у соединительных стрелок показаны векторы параметров, описывающих преобразованный сигнал [4].
В передатчике НКА оператор модуляции (манипуляции) несущей її преобразует пространства дальномерных кодов D и сообщений (СИ) U в излучаемые сигналы пространства Si: s=Ii(u, d). На трассе распространения НКА-АП формируется навигационная информация в виде задержки Ті и ДСЧ ffli (пространство Л]), т.е. на выходе оператора 12, учитывающего смещения излученных сигналов по времени и частоте формируется пространство Vi радионавигационных сигналов, достигших АП: vi=I2(s, A,)=s(t, X). Однако на входе антенны АП действуют шумы (пространство Ni) и помехи от других НКА (пространство N2), что отражено действием оператора 13 преобразования сигналов, шумов и помех в наблюдаемые сигналы пространства Yi: УІ=ІЗ(УІ, Пі, n2)= Vinin2. В АП оператор оценивания РНП І4 по наблюдаемым величинам Yx с учетом известной структуры дальномерных кодов D формирует пространство оценок РНП Ki- Далее эти оценки, с помощью навигационных функций и с учетом эфемеридной информации (пространство Ei), преобразуются оператором І5 в оценки искомых координат потребителя q, образующих пространство навигационных решений Q. Для ретранслированных сигналов рассмотренная выше модель канала должна быть дополнена операторами, описывающими преобразование сигналов как в аппаратуре Р, так и на трассе Р-АПРС. Соответствующая модель канала Р-АПРС представлена на рисунке 1.2 (элементы канала, учитывающие преобразования 1ь 12,13 полностью аналогичные изображенным на рисунке 1.1, В аппаратуре Р с помощью оператора 16 формируется пространство переизлучаемых сигналов (S2), содержащих погрешности преобразования РНП (пространство N3). На трассе Р-АПРС происходит сдвиг по времени и частоте ретранслированных сигналов (пространство Л2), описываемый оператором 17, формирующим пространство V2 сигналов, достигших АПРС. На ее входе оператор преобразования 18 принимаемых сигналов, шумов и помех формирует пространство наблюдений Y2.
При этом в отличие от трассы НКА-Р пространство помех N4 отражает воздействие сигналов от других Р. В АПРС оператор оценивания РНП 19, с учетом известной структуры дальномерных кодов D, формирует по результатам наблюдений пространство РНП R2- Далее эти оценки, с помощью навигационных функций и с учетом эфемеридной информации (пространство Ei), как и в АП, преобразуются оператором 1ю в оценки искомых координаты Р и/или АПРС q, образующих пространство навигационных решений Q. Если Р используется в качестве ОРНТ, то для определения координат потребителя q, необходимо дополнительно привлекать информацию о координатах Р (пространство Е2). Наблюдаемые в АП СРНС и АПРС процессы у! являются смесью полезных сигналов и шумов, что обусловливает статистический характер задачи оценивания РНП в АП и АПРС. Поэтому вид операторов оценок 14 и 19 определяется выбранным критерием оптимальности (качества), например минимум среднего риска. В принципе, при выбранном критерии может решаться задача оптимального синтеза всего канала, включая вид сигнальной функции S]. Однако в данной работе задача оптимизации в такой общей постановке не ставится, т.к. ретранслятор рассматривается как функциональное дополнение к
Дальномерные методы определения координат при использовании только ретранслированных сигналов
Дополнение структуры СРНС ретрансляторами навигационных сигналов потенциально расширяет число методов НВО, потенциально пригодных для решения НЗ, по сравнению со случаем, когда для НВО используются только прямые сигналы НКА. Применение других методов становится возможным по двум основным причинам: наличие дополнительных измерений РНП относительно новой ОРНТ, в качестве которой может выступать или Р (в задачах локальной навигации), или АПРС с известными координатами (при решении задач ВТИ); возможность учета априорной информации относительно особенностей формирования РНП при движении Р относительно АПРС (при решении задач ВТИ). Очевидно, что основными методами НВО по ретранслированным сигналам НКА СРНС останутся различные варианты дальномерных измерений.
Однако, при решении задач ВТИ высокодинамичных ЛА с Р на борту перспективными представляются и доплеровские методы определения не только составляющих скорости, но координат контролируемого объекта. 1.3.1. Дальномерные методы определения координат при использовании только ретранслированных сигналов По сравнению с НВО с использованием прямых сигналов НКА, при приеме ретранслированных сигналов несколько изменяется смысл измеряемых интервалов времени (задержек) и соответствующих им НП. А именно, задержка (псевдозадержка) принимаемого сигнала в данном случае определяется суммой дальностей R tjit) (псевдодальностей R yfe)) от /-го НКА доу-го Р и оту-го Р до АПРС. При этом слагаемое Rpj-, равное расстоянию от Р до АПРС в каждый момент времени одинаково при измерении по любому НКА, что расширяет множество НП, за счет включения в это множество разностей дальностей (псевдодальностей), формируемых как для разных НКА, так и для разных Р. Дальномерные методы определения координат Р Характеристики основных методов определения пространственных координат Р по ретранслированным сигналам НКА представлены в таблице 1. Поверхностью положения Р в псевдодалъномерный методе является сфера с центром в точке центра масс НКА. Однако радиус этой сферы изменен на неизвестную величину SRj = c8tA + Rpj, которая кроме составляющей cStA (разность ТТГВ АПРС и СШВ), содержит слагаемое соответствующее дальности Rpj от 7-го Р до АПРС. Для определения xDpJ необходимо решить систему уравнений вида при условии i=l,...,4 для каждого у . Поскольку для решения (1.29) относительно xD - величину Rpj определять не требуется, то привязка АПРС (НИП) необязательна и она может перемещаться в процессе ВТИ. Основные недостатки ПДМ для местоопределения Р: поправки к ШВ не определяются; необходимость ретрансляции сигналов не менее четырех НКА; усложнение процедуры поиска этих сигналов, особенно для высокодинамичных ЛА, за счет существенного изменения ДСЧ сигналов НКА после ретрансляции (дополнительный ДСЧ на трассе Р-АПРС и влияние нестабильности ОГ в аппаратуре Р).
В отличие от уравнений ПДМ, в разностно-далъномерном методе величина полной задержки не измеряется, что позволяет исключить из процедуры фильтрации координат Р величину SRj (изменение Rp- и/или StA), имеющую значительную динамику. Для определения координат у -го Р необходимо иметь измерения не менее трех НП (z=l, 2 ,3 при фиксированном к), вида Недостатки РДМ по ретранслированным сигналам в основном аналогичны указанным выше для ПДМ. Основное отличие суммарно-далъномерного метода от ПДМ, заключается в требовании точной топографической привязки АПРС и синхронизации ее ШВ с системным временем СРНС. Навигационная функция этого метода имеет вид Поскольку координаты НКА таюке известны из кадра СИ СРНС, то поверхностью положения Р в данном случае будет эллипсоид с фокусами в точках расположения АПРС и одного из трех HICA (z—1, 2, 3). Основной недостаток метода - необходимость координатно-временной привязки АПРС. Дальномерные методы определения координат АПРС Координаты АПРС ХА УА 2А могут быть определены по ретранслированным сигналам с помощью ПДМ или РДМ (смотри таблицу 2).
Для этого необходимо иметь несколько измерений НП, соответствующих различным Р (/—1,...,4), и должны быть известны координаты этих Р xD -. При использовании ПДМ в АПРС необходимо будет вычислять по известным координатам Р и НКА величину Rt и решать систему вида: РДМ также может быть использован для определения координат АПРС при решении системы из трех уравнений (/=1,2 ,3 при фиксированном Г) вида где значение (Rf- —R A вычисляется по известным координатаму-го и l го ретрансляторов, а также z -го и k-то НКА.
Синтез одноэтапного алгоритма совместной когерентной обработки прямых и ретранслированных сигналов НКА
Ставится задача синтеза оптимального алгоритма обработки наблюдаемой реализации (2.17), формирующего оценки ВС в тактовые моменты времени tk, к = 1,2,..., при заданной динамике его изменения, описываемой соотношением (2.16). Синтез оптимального алгоритма Введем отрезок наблюдений Yk M ={Ук)і,Ук,2 — Ук,м} и запишем выражение для условной плотности вероятности p(Y xA) = c1exp{zSr( /,xA)D;1(y -0,5S( /,xA))j, (2.21) J=i где D;1 = nl , сх - нормировочная константа. (2.22) В приложении 2 изложено дальнейшее преобразование (2.22) при условии наблюдения только двух НКА, сигналы которых одновременно принимают как все три Р, так и АПРС, т.е. N-N= -К =2. При этом учтены корреляционные свойства дальномерных ПСП сигналов НКА ГЛОНАСС и ПС, позволившие отбросить ряд произведений различных сигнальных функций.
Для варианта приема и обработки сигналов НКА, имеющих модуляцию символами навигационного сообщения в обоих диапазонах (L1 и L2), после усреднения по равновероятным значениям (1 или -1) этих символов GHCik, получено следующее выражение Более подробный синтез структуры АПРС в виде многомерной следящей системы может быть разделен на синтез векторного дискриминатора и синтез интегрированного сглаживающего фильтра. Как видно из выражения (2.24), дискриминатор по компонентам ВС состоит из двух сомножителей: дискриминатора по РНП и матрицы связи РНП и компонент ВС. Размерность матрицы связи С - следующая: число столбцов - число компонент расширенного ВС на число строк - количество измеряемых РНП. С учетом (2.20) векторный дискриминатор из (2.24) по наблюдаемым РНП содержит следующие компоненты: дискриминаторы по задержке и фазе когерентного приема прямых сигналов в обоих диапазонах, дискриминаторы по задержке и фазе когерентного приема ретранслированных сигналов от разных Р и дискриминаторы по задержке и фазе когерентного приема ПС этих Р. Вид этого дискриминатора можно записать как где д — это матрица крутизны по всем измеряемым РНП; еу - вектор ошибок экстраполяции РНП; v - флуктуационная составляющая, с матрицей дисперсий Rv=Sfl [3]. На основании (2.25) можно записать: v д. = С хк. Учитывая корреляционные свойства ПСП сигналов НКА и ПС в выражениях (П2.19), (П2.20) или (П2.21), (П2.22), получим, что матрица SA будет диагональной, а её элементами будут крутизны соответствующих дискриминаторов для прямых, ретранслированных сигналов НКА, а также ПС: Хд.. Несмотря на независимость отдельных компонент эквивалентных наблюдений (2.32), коррелированность шумов этих наблюдений приводит к оптимальности интегрированного фильтра (2.33) для совместной обработки всех наблюдений.
В отличие от одноэтапных алгоритмов НВО для АЛ, в данной схеме опорные сигналы для дискриминаторов сигналов РРНТ формируются с учетом не только эфемерид НКА, но и с учетом координат РРНТ и аппаратной задержки в аппаратуре этих Р. 2.2.3. Синтез двухэтапного алгоритма совместной когерентной обработки прямых и ретранслированных сигналов НКА В предыдущем разделе был синтезирован одноэтапный алгоритм оценки ВС объекта по результатам совместного наблюдения в АПРС прямых и ретранслированных сигналов НКА. Однако даже при обработке в когерентном режиме N+K прямых сигналов совместно с Nj переизлученных сигналов от одного Р размер ВС (2.11) получается достаточно большим: 11+N+K+N]. Это затрудняет практическую реализацию одноэтапных алгоритмов фильтрации, особенно при модернизации ПМО в известных моделях АП, большинство из которых использует двухэтапный алгоритм НВО. При реализация такого алгоритма АПРС для обработки прямых и ретранслированных сигналов НКА, задачу получения оценок ВС целесообразно разбить на два этапа обработки: первичную и вторичную (см. раздел 1.1.3). Вариант функциональной схемы АПРС с двухэтапной обработкой для НВО прямых, ретранслированных сигналов НКА и ПС показан на рисунке 2.7.
Моделирование погрешностей относительных измерений при совместной обработке прямых и ретранслированных сигналов СРНС
Для исследования методами имитационного моделирования эффективности использования одной РРНТ в режиме относительных измерений или, что эквивалентно, в качестве средства расчета КИ аналогичной для локальной ДПС СРНС, был использован одноэтапный алгоритм АПРС для совместной обработки прямых и ретранслированных сигналов с расчетом дифференциальных поправок, синтез которого изложен в разделе 2.2.4. Для моделирования принято, что априорная величина поправок к псевдодальностям отличается от «истинных» значений КИ по разным НКА на 5... 10 м. Отношение сигнал-шум в каналах АПРС соответствуют варианту приема сигналов НКА и одной РРНТ (смотри таблицу 4). Результаты расчета мгновенных ошибок по координатам потребителя в ГЦСК представлены на рисунке 2.16. Значения СКО по координатам и компонентам скорости потребителя составили при этом следующие значения: Дополнительно было проведено исследование возможности исключения ПС из числа наблюдаемых сигналов РРНТ. Соответствующая этому составу наблюдаемых сигналов модификация одноэтапного алгоритма АПРС с расчетом КИ без использования ПС оказалась работоспособной при числе НКА более 4. Результаты расчета для этого алгоритма, аналогичные представленным Из сравнительного анализа рисунков 2.16 и 2.20, а также 2.17 и 2.21 видно, что использование ПС существенно ускоряет время сходимости многомерного фильтра как при расчете координат, так и параметров КИ. Тем не менее, для потребителей, которые могут оставаться неподвижными длительное время (более 5 минут), и без обработки ПС возможно уточнение положения по сигналам РРНТ до уровня менее 1,5 м (СКО). В таблице 8 приведён бюджет погрешностей определения псевдодальности из [3] для двухэтапной АП без использования и с использованием КИ, передаваемой с ККС, в стандартном ДР, а также для предложенного метода использования РРНТ для дифференциальной коррекции.
Предложенный метод дифференциальной коррекции с использованием РРНТ позволяет параллельно с решением основной навигационно-временной задачи получать оценку поправок к псевдодальностям по каждому из НКА, сигналы которых доступны в АПРС как в прямом канале, так и в канале переизлученных сигналов. Точность полученного навигационного решения составляет при этом 1 м (СКО), что соответствует точности достигаемой в АП, работающей в стандартном ДР. Разработанный алгоритм сохраняет работоспособность при наблюдении и ретрансляции сигналов не более 3-х НКА совместно с ПС и позволяет в этих условиях получать оценки координат, высоты потребителя и поправок к псевдодальностям с погрешностью не более -1,0 м (СКО). 2.4. Выводы по главе 2 1. Показано, что бюджеты погрешностей измерения радионавигационных параметров прямых и ретранслированных сигналов НКА не имеют существенных отличий, следовательно, при навигационно-временных определениях по ретранслированным сигналам достижима точность, близкая к точности НЕЮ по прямым сигналам НКА, не более 5 м (СКО) по каждой из координат. 2. Проведенный анализ показал, что применение ретрансляторов в качестве ОРНТ позволяет потребителям круглосуточно проводить навигационные определения в локальных районах при снижении количества 142, а также повысить точность НВО за счет использования режимов относительных измерений и дифференциальной коррекции до 1 м (СКО) по каждой из координат. 3.
Для аппаратуры потребителя, работающей по сигналам РРНТ, синтезированы : - оптимальный одноэтапный алгоритм комплексной когерентной обработки прямых и ретранслированных сигналов НКА, совместно с пилот сигналом ретранслятора; - оптимальные алгоритмы первичной обработки ретранслированных сигналов НКА для двухэтапного когерентного режима работы АПРС; - оптимальный алгоритм комплексной первичной обработки прямых и ретранслированных сигналов НКА и совместно с пилот-сигналом для двухэтапного когерентного режима работы АПРС; - одноэтапный алгоритм дифференциальной коррекции при совместной когерентной обработке прямых и ретранслированных сигналов СРНС. 4. Разработана имитационная модель для оценки и исследования точности синтезированных алгоритмов НВО по сигналам НКА и стационарных РРНТ. 5. В результате моделирования установлено, что применение синтезированных алгоритмов позволяет потребителю: - определять координаты с погрешностью менее 5 м (СКО) при совместной обработке сигналов одного НКА и трех РРНТ даже без использования пилот-сигналов; - получить оценку координат, высоты и поправки к шкале времени потребителя при использовании сигналов одной РРНТ при условии приема в АПРС не менее трех прямых сигналов НКА; - снизить погрешность определения координат до уровня менее 1,0 м (СКО) за счет одновременной оценки в одноэтапном алгоритме коррелированных составляющих ЭПД, как и в режиме дифференциальной
