Содержание к диссертации
Глава 1. Общая структура программных навигационных приемников 10
1.1. Основные подходы к построению аппаратно-программных комплексов навигационных приемников 10
1.2. Основные типы программных навигационных приемников 17
1.3. Основные особенности программных навигационных приемников 21
1.4. Области применения программных навигационных приемников 24
1.5. Структура аппаратно-программного комплекса цифровой части программного навигационного приемника 27
1.5.1. Особенности программных навигационных приемников с пост обработкой данных 31
1.6. Выводы по главе 1 33
Глава 2. Существующие методы поиска, обнаружения и слежения за навигационными сигналами 34
2.1. Модуль поиска и обнаружения 34
2.2. Слежение за параметрами сигнала и формирование измерений для решения навигационной задачи 40
2.3. Алгоритмы верхнего уровня 43
2.4. Выводы по главе 2 44
Глава 3. Программный многоканальный коррелятор навигационного сигнала 45
3.1. Общий подход к построению программного коррелятора 45
3.2. Генерация опорного сигнала промежуточной частоты
3.2.1. Зависимость фазы сигнала на выходе коррелятора от способа генерации опорного сигнала промежуточной частоты 51
3.2.2. Практические схемы вычисления опорного сигнала промежуточной частоты з
3.3. Генерация битов СА кода 57
3.4. Многоканальный аккумулятор 58
3.5. Синхронные и асинхронные корреляторы
3.5.1. Асинхронный коррелятор 61
3.5.2. Синхронный коррелятор 70
3.6. Выводы по главе 3 72
Глава 4. Программная реализация канальных алгоритмов 73
4.1. Фазовые соотношения на выходе коррелятора 73
4.2. Влияние конечной точности вычислений и сравнение вычислительной емкости различных подходов формирования измерений 81
4.3. Построение совместной петли слежения за фазой и задержкой 84
4.4. Анализ ошибок, возникающих при переходе к упрощенной модели слежения 4.5. Выделение битов навигационного сообщения в условиях синхронного
коррелятора 97
4.5.1. Определение положения границы бита навигационного сообщения 100
4.6. Выводы по главе 4 103
Глава 5. Эффективные алгоритмы плавающей арифметики на основе специального представления операндов 104
5.1. Общие аспекты, точность и быстродействие 104
5.2. Вычисление квадратного корня 106
5.3. Вычисление синуса и косинуса НО
5.4. Методика тестирование библиотечных процедур 111
5.5. Выводы по главе 5 113
Глава 6. Результаты экспериментальной проверки программных блоков спутникового навигационного приемника 114
6.1. Тестирование МКК 114
6.1.1. Методика тестирования МКК 114
6.1.2. Результаты тестирования МКК 118
6.2. Раздельное тестирование модулей слежения за фазой и задержкой сигнала.
126
6.2.1. Методика тестирования петли слежения за фазой сигнала 126
6.2.2. Результаты тестирования петли слежения за фазой сигнала 127
6.2.3. Методика тестирования петли слежения за задержкой сигнала 130
6.2.4. Результаты тестирования петли слежения за задержкой сигнала 132
6.3. Тестирование совместной работы петель слеженияза фазой и задержкой сигнала 135
6.3.1. Методика тестирования совместной работы петель слежения за фазой и задержкой 135
6.3.2. Результаты тестирования совместногй работы петель слежения 139
6.4. Выводы по главе 6 144
Глава 7. Заключение
Введение к работе
Под программной реализацией навигационного приемника понимается такой подход, при котором все или большая часть операций по цифровой обработке навигационных сигналов и данных выполняется на программируемых процессорах общего назначения, либо на цифровых сигнальных процессорах (Digital Signal Processor, DSP). Толчком к развитию такого подхода оказалось появление новых высокопроизводительных процессоров, например Pentium IV, TMS320C62xx или новое поколение ADSP фирмы Analog Devices серии Tiger Shark на которых, в принципе, можно выполнять цифровую обработку множества навигационных сигналов за практически приемлемое время.
В последние годы сформировалось целое направление исследований с целью создания программно-реализованного GPS приемника (Software GPS Receiver). Развитие программных навигационных приемников происходит по двум основным направлениям:
1. Приемники с обработкой отсчетов промежуточной частоты в режиме постобработки [2], [15], [19], [20];
2. Приемники с обработкой отсчетов промежуточной частоты в режиме реального времени [6], [7], [14], [21].
Практическая реализация программных навигационных приемников наталкивается на существенные трудности из-за того, что возможности программируемых процессоров по многоканальной обработке широкополосных сигналов, в том числе навигационных, все еще, как правило, недостаточны. Во всяком случае, они уступают возможностям, открывающимся при аппаратной реализации многоканальной обработки навигационных сигналов. Поэтому в большинстве случаев применение аппаратных средств цифровой обработки сигналов, таких как заказные СБИС или программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), позволяет достичь более высоких функциональных характеристик при меньших габаритах и энергопотреблении приемника.
Несмотря на большое число работ по программным навигационным приемникам, в них отсутствует детальная проработка особенностей программной реализации основных функциональных блоков в зависимости от области применения. Это затрудняет или делает невозможным рациональный выбор объема и содержания функций составных частей навигационного приемника, реализуемых программным образом, что в конечном итоге может привести к неконкурентоспособности разрабатываемого программного приемника по отношению к традиционным приемникам на основе заказных СБИС. В связи с этим является актуальной поставленная в настоящей работе проблема разработки методов программной реализации навигационных приемников, превосходящих по совокупности своих характеристик в определенном классе приложений традиционные приемники на основе заказной СБИС.
Объект исследования настоящей диссертационной работы - полностью программные навигационные приемники.
Предметом исследования являются вычислительные алгоритмы, являющиеся составной частью полностью программного навигационного приемника, в том числе цифровой обработки сигналов и данных.
Цель работы заключается в разработке эффективных вычислительных алгоритмов, которые позволят создать полностью программный навигационный приемник, по своим характеристикам не уступающий традиционным.
Для достижения этой цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:
1. Проводится сопоставительный анализ архитектур и областей применения аппаратно-программных комплексов навигационных приемников с различным объемом программно-реализуемых составных частей.
2. Анализируются существующие методы поиска, обнаружения и слежения за навигационными сигналами, применяемые в полностью программных навигационных приемниках.
3. Разрабатываются эффективные с вычислительной точки зрения алгоритмы корреляционной обработки, обеспечивающие программную реализацию многоканального коррелятора в режиме реального или почти реального времени.
4. Разрабатываются алгоритмы слежения за фазой и задержкой навигационного сигнала, реализуемые и близкие к оптимальным.
5. Разрабатываются эффективные с вычислительной точки зрения алгоритмы работы с числами в плавающем представлении, предназначенные для работы в составе модулей формирования измерений, вычисления координат спутников и решения навигационной задачи.
6. Экспериментальная проверка основных программных блоков навигационного приемника.
Методы исследования базировались на математическом аппарате цифровой обработки сигналов, математической статистики и моделирования методом Монте-Карло.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в том, что впервые проанализирован весь комплекс программного обеспечения навигационного приемника с точки зрения полностью его программной реализации. Впервые представлены алгоритмы цифровой обработки сигналов, в полном объеме реализующие многоканальный коррелятор, работающий в режиме реального времени. Разработан новый алгоритм слежения за задержкой и фазой на основе фильтра Калмана. Разработаны специальные представления данных и алгоритмы работы с ними, необходимые для эффективной реализации на целочисленных программируемых процессорах. Теоретическая значимость результатов диссертационной работы заключается в следующем:
1. Разработан метод программной реализации многоканальных корреляторов навигационных сигналов на процессорах общего назначения.
2. Синтезирован оптимальный алгоритм слежения за навигационным сигналом.
3. Доказана эффективность и реализуемость алгоритмов слежения за фазой и задержкой навигационного сигнала на основе фильтра Калмана.
4. Выявлены основные аспекты, требующие анализа при разработке конкурентоспособного полностью программного навигационного приемника.
Практическая ценность диссертации состоит в том, что ее результаты могут быть непосредственно использованы при разработке полностью программного навигационного приемника. Разработанные алгоритмы успешно реализованы в ряде навигационных приемников с полностью программным подходом или с использованием простейшего аппаратного коррелятора.
Положения, выносимые на защиту:
1. Разработанная архитектура позволяет создать полностью программный навигационный приемник, сравнимый по совокупности потребительских характеристик с традиционными приемниками в ряде приложений.
2. На основе полученных соотношений между измеряемыми величинами на выходе коррелятора и параметрами сигнала, синтезированы вычислительно эффективные алгоритмы слежения за фазой и задержкой сигнала, обладающие высокими характеристиками.
3. Разработанные принципы построения операционной оболочки позволяют реализовать высококачественный программный навигационный приемник на базе широкой совокупности современных процессоров.
4. Синтезированные алгоритмы генерации опорных последовательностей и параллельного суммирования обеспечивают эффективную программную реализацию многоканального коррелятора.
5. Предложенное представление плавающих чисел и разработанные алгоритмы, реализующие основные действия над операндами в таком представлении, позволяет достичь необходимой точности при вычислительных затратах, существенно меньших, чем для стандартного представления.
Основные публикации по теме диссертации:
A.Fndman, S.Semenov. Architectvires of Software GPS Receivers. GPS Solutions, Vol.3, No.4, Spring 2000, pp. 58-64. John Wiley & Sons, Inc.
A.Fridman, S.Semenov "Architecture of Software of TFAG50 Low-Cost Low Power GPS/GLONASS Receiver", Proceeding of the 14th International Technical Meeting ION GPS-2001, pp.768-777, Salt Lake City, September, 2001.
Р.В.Бакитько, П.А.Гридин, В.П.Польщиков, С.А.Семенов, А.Е.Фридман. Двухчастотный GPS приемник с многоканальным коррелятором на FPGA. Доклад на конференции НИИКП, Москва, 2003
