Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние и перспективы дальнейшего развития ГНСС 13
1.1. Предпосылки зарождения спутниковой навигации 13
1.2. СРНС первого поколения 14
1.2.1. СРНС Транзит 14
1.2.2. СРНС Цикада 15
1.3. СРНС второго поколения 16
1.3.1. Ключевые особенности СРНС второго поколения 17
1.3.2. Структура сетевых СРНС 18
1.3.3. Принципы определения координат потребителя 20
1.3.4. СРНС ГЛОНАСС 21
1.3.5. СРНС GPS 23
1.4. Современное состояние СРНС 24
1.4.1. Развитие СРНС GPS 24
1.4.2. Развитие СРНС ГЛОНАСС 25
1.4.3. СРНС Galileo 26
1.5. Дальнейшие перспективы развития СРНС 27
1.5.1. Продвижение СРНС в новые частотные диапазоны 27
1.5.2. Применение спектрально-эффективных форматов модуляции 28
1.5.3. Создание всемирной интегрированной СРНС 29
1.6. Резюме по главе 29
2. Нелинейные методы уплотнения 32
2.1. Неравновесное объединение сигналов смежных частотных диапазонов 33
2.1.1. Разложение суммарного сигнала в базисе Уолша. 35
2.1.2. Параметры модуляции 39
2.1.3. Равновесное объединение компонент 40
2.1.3.1. Мультиплексирование компонент с нулевой поднесущей 41
2.1.3.2. Мультиплексирование компонент на двух гармонических поднесущих 42
2.1.3.3.Мультиплексирование компонент на двух цифровых поднесущих 43
2.1.4 Оптимальный опорный сигнал коррелятора 46
2.1.4.1. Равновесное уплотнение 48
2.2. Нелинейное мультиплексирование квадратурных пар сигналов с произвольным соотношением интенсивностей синфазной и квадратурной составляющих 49
2.2.1. Разложение в базисе Уолша 50
2.2.2. Параметры модуляции 56
2.2.3. Форма цифровых поднесущих 60
2.3. Спектры сигналов с модуляцией AltBOC 61
2.3.1. Спектр мощности AltBOC-сигнала 62
2.3.2. Спектр мощности при неравновесных квадратурах 68
2.3.3. AltBOCи уплотнение на гармонических поднесущих без амплитудного ограничения 69
2.4. Варианты сигнальных форматов на базе AltBOC модуляции 70
2.4.1. Предложения по объединению сигналов GPS и ГЛОНАСС 70
2.4.2. Помехи со стороны системы ГЛОНАСС службе радиоастрономических наблюдений 73
2.5. Выводы 75
3. Мультиплексирование сигналов двух поднесущих в спектрально-эффективном формате модуляции 78
3.1. Перспективы применения спектрально-эффективных форматов модуляции в радиоинтерфейсах спутниковых навигационных систем 79
3.2. Двухчастотный сигнал без амплитудной модуляции и энергетических потерь 81
3.3. Автокорреляционная функция сигнала 83
3.4. Спектр мощности сигнала 87
3.5. Разложение комплексной огибающей в базисе Уолша 89
3.6. Модификация исходного формата модуляции 93
3.7. Спектр мощности модифицированного сигнала 95
3.8. Предложения по объединению сигналов GPS и ГЛОНАСС в рамках спектрально-эффективного формата модуляции 98
3.8.1. Объединение несущих GPS и ГЛОНАСС L1 диапазона 99
3.8.2. Объединение несущих L5 GPS и L3 ГЛОНАСС 102
3.9. Выводы 104
4. Уплотнение сигналов смежных частотных диапазонов 106
4.1. Временное уплотнение сигналов 108
4.1.1. Применение спектрально-эффективной модуляции 109
4.2. Нелинейные методы уплотнения 112
4.2.1. Перспективы применения нелинейных методов уплотнения в радиоинтерфейсах нового поколения 113
4.2.2. О применении AltBOC модуляции в диапазоне E5 Galileo. 115
4.2.2.1. Задача объединения сигналов двух поднесущих 117
4.2.2.2. Interplex модуляция 117
4.2.2.3. Общий комментарий к подразделу 118
4.3. Выводы 118
Заключение 121
Список использованной литературы
- СРНС первого поколения
- Мультиплексирование компонент с нулевой поднесущей
- Двухчастотный сигнал без амплитудной модуляции и энергетических потерь
- Перспективы применения нелинейных методов уплотнения в радиоинтерфейсах нового поколения
СРНС первого поколения
При разработке архитектуры СРНС второго поколения ключевым являлось требование обеспечения непрерывных высокоточных измерений координат потребителя в произвольной точке земного шара.
Первыми шагами на пути решения названной задачи стали предложения по модернизации СРНС первого поколения путем наращивания общего числа КА (до 30) и увеличению высоты их орбит (до 2700 км). Также предлагалось на использовавшиеся ранее несущие наложить модуляцию псевдошумовой последовательностью, организовав таким образом дальномерный канал. Однако, подобные меры позволяли реализовать практически непрерывное измерение местоположения лишь по двум КА.
Следующим этапом развития идеи непрерывного и одномоментного позиционирования стал поиск путей определения полного вектора состояния объекта, включающего три пространственные координаты и составляющие вектора скорости по каждой из них. При пассивном методе измерения дальности потребителю необходимо дополнительно измерять смещение бортовой шкалы времени относительно системной. Кроме того, для повышения точности доплеровских измерений требуется определять еще и смещение бортовой опорной частоты. Таким образом, общее число оцениваемых параметров возрастает до восьми. Последнее обстоятельство стало причиной активного анализа таких вариантов построения СРНС, которые гарантируют видимость не менее четырех КА в любой точке земной поверхности. Предметом повышенного интереса стали средневысотные орбиты, обеспечивающие достаточно широкую зону покрытия и позволяющие выполнять необходимые измерения. Более того, на средневысотных орбитах оказалось возможным реализовать сетевую архитектуру СРНС, то есть координировать движение КА в пространстве, а также синхронизировать излучаемые ими сигналы. Результатом отработки в 1967-1977 гг. базовых принципов и технических решений на специальных технологических навигационных спутниках стало появление СРНС второго поколения. Разработанная в США система получила название Навстар (Navstar – Navigation Satellite Time and Range). Аналогичная система, развернутая силами СССР, была названа ГЛОНАСС (Глобальная Навигационная Спутниковая Система). Точностные характеристики таких систем определяются выбранной геометрией созвездия КА, стабильностью бортовых эталонов опорной частоты, выбором сигнала и способов его обработки, а также мерами, направленными на устранение влияния целого ряда погрешностей (учет влияния атмосферы на распространение электромагнитных волн и т.п.).
СРНС второго поколения являются глобальными сетевыми системами непрерывного действия. Сеть КА насчитывает не менее 24 спутников на круговых орбитах высотой около 20 000 км с периодом обращения близким к 12 ч. Оценка полного вектора состояния потребителя производится на основании совокупности дальномерных и доплеровских измерений. Построенные таким образом системы позволили довести типичные значения погрешностей оценок координат и скорости до 10 м и 0,05 м/c соответственно.
Ключевые особенности СРНС второго поколения Особенности архитектуры СРНС, а именно размещение радиомаяков на движущихся по орбитам КА, определили быстрое развитие и расширяющееся использование таких систем. Высокая скорость относительного перемещения спутников и потребителя делает возможным применение радиально-скоростного метода навигационных определений. Пользователи системы за ограниченные интервалы времени получают значительные объемы измерительной информации, что позволяет использовать статистические методы обработки последней. Кроме того, быстрое изменение навигационных параметров позволяет производить навигационные измерения при числе КА меньшем числа определяемых координат [15]. Важной особенностью СРНС является допустимость работы в УКВ диапазоне, что открывает возможность применению широкополосных сигналов.
К основным достоинствам СРНС относятся глобальное покрытие, высокая точность определения координат и составляющих скорости, единая для всех потребителей система координат, независимость точности от времени года, суток и погодных условий, неограниченность числа обслуживаемых абонентов, возможность применения приемной аппаратуры различных классов точности и т.д. Кроме того СРНС второго поколения являются первыми универсальными РНС, способными решать навигационные задачи любых подвижных объектов от наземных до космических.
Спутниковой РНС называется такая система, в которой роль опорных радиомаяков выполняют искусственные спутники Земли (ИСЗ). Следствием переноса передатчиков из фиксированных точек земной поверхности на КА, совершающие движение по орбите, являются существенные отличия в принципах построения наземных и спутниковых РНС [8].
Помимо входящих в состав наземных РНС, аппаратуры радионавигационных маяков и потребителей, спутниковые системы включают в себя дополнительно такие элементы, как командно-измерительный комплекс (КИК), созвездие КА и центр управления (ЦУ). На рис. 1.1 показана упрощенная структурная схема СРНС.
Мультиплексирование компонент с нулевой поднесущей
Таким образом, доля мощности комбинационных составляющих L (см. рис. 2.4, а) может оказаться сколь угодно близкой к нулю. Вместе с тем, при увеличении параметра а монотонно возрастает мощность комбинационного члена по отношению к мощности слабого сигнала, достигая в пределе 3 дБ. Так, уже при а 1.26 (2 дБ) мощность комбинационного члена становится соизмеримой с мощностью слабого сигнала.
Остановимся на более детальном рассмотрении ситуации, когда все уплотняемые компоненты имеют одинаковую амплитуду, т.е. ос = 1. При этом соотношение (2.13) повторяет (2.11), тогда как (2.14) противоположно (2.12), так что Ра = Р где звездочка соответствует комплексному сопряжению. При а = 1 выражение (2.11) упрощается до вида
Мультиплексирование компонент с нулевой поднесущей В этой ситуации ф(г) = ф = const, т.е. взаимное расположение сигнальных векторов на рис. 2.2 жестко фиксировано и со временем не меняется. При этом соотношения (2.18) и (2.19) не зависят от t и есть готовые действительная и мнимая части искомой корреляции (2.4). Как нетрудно проверить, абсолютное значение последней не зависит от углового разноса квадратурных пар сигналов 2ф. Поэтому разумно выбрать ф обращающим мнимую часть корреляции р в нуль. На полуинтервале (0,7i/4] таким значением оказывается ф = тг/8, соответствующее симметричному сигнальному созвездию, в котором сигнальные векторы располагаются как показано на рис. 2.6, где сплошные и пунктирные стрелки отвечают символам последовательностей +1 и -1. Разумеется, задача полностью инвариантна к выбору последовательности, с которой считается корреляция группового сигнала (2.2), поэтому полученное значение р сохранится и для остальных трех последовательностей. Это означает, что доля мощности сигнала (2.2), которая уйдет в бесполезные комбинационные продукты, составит
Созвездие четырех сигналов при уплотнении без поднесущих Именно этой цифрой измеряются энергетические потери за счет добавления выравнивающего сигнала к линейной сумме уплотняемых компонент в сигнале E5 Galileo [46,50,51].
Мультиплексирование компонент на двух гармонических поднесущих В этом случае ф(t) = 2-KFt , где F - расстояние каждой из поднесущих от несущей. Соотношения (2.18), (2.19) теперь являются функциями времени. Для вычисления среднего значения полезного отклика на выходе коррелятора пользовательского приемника необходимо выполнить временное усреднение полученных ранее соотношений (2.18), (2.19). Так как последние периодичны по ф(t) с периодом тг/4, интегрирование достаточно осуществить на полуинтервале времени (О,Г/8], где Т = \lF. В итоге согласно (2.19) мнимая часть корреляции (2.4)
Мультиплексирование компонент на двух цифровых поднесущих В диапазоне Е5 Galileo две квадратурные пары сигналов уплотнены на двух поднесущих с кусочно-постоянной аппроксимацией гармонических функций cos2%Ft и sm2%Ft. Естественно назвать такой способ уплотнением на цифровых поднесущих, хотя в документах Galileo он фигурирует как модуляция AltBOC. Считая число интервалов постоянства фазы на периоде поднесущей T = \/F, равным восьми (как в Galileo), аппроксимируем линейно нарастающую фазу ф(0 = 2%Ft как показано на рис. 2.7. При этом на каждом из участков
tIT є (//8,(/ +1)/8], / = 0,1,..., 7, из-за постоянства фазы имеет место уплотнение четырех сигналов без поднесущих, рассмотренное в подразделе 2.1.3.1 . Тем самым в силу периодичности функций и s по ф с периодом 71/4 на каждом из этих участков значение ср(7) следует иметь таким, чтобы остаток от его деления на 71/4 был равен 7i/8. Иными словами, квантование фазы согласно рис. 2.7 должно быть равномерным с начальным значением ф1 =7с/8 и шагом
При этом значение корреляции (2.4) определится равенством (2.20), а энергетическая доля бесполезных комбинационных компонент составит те же 14,64%, что и в случае уплотнения без поднесущих. Именно этот вариант и реализован в сигнале E5 Galileo.
Форма поднесущих, отвечающих кусочно-линейной аппроксимации представлена на рис. 2.8 сплошной линией, пунктирная линия определяет форму компенсирующей (выравнивающей) компоненты [26].
Отметим, что форма поднесущих, приведенная на рис. 2.8, не является единственно возможной. Так, сократив число интервалов постоянства фазы до четырех (см. рис. 2.9),
Двухчастотный сигнал без амплитудной модуляции и энергетических потерь
В отдаленной перспективе не исключены шаги по унификации ГНСС GPS и ГЛОНАСС за счет дополнения радиоинтерфейса последней сигналами, передаваемыми на частотах L1 и L5 GPS. Как уже отмечалось в главах 1 и 2, при этом остро стоит вопрос об эффективном совмещении сигналов двух разных несущих в едином стволе, работающем на общую антенну. Известные затруднения в этом плане связаны с традиционным требованием отсутствия амплитудной модуляции в групповом сигнале указанного типа. Названная проблема может быть решена путем применения нелинейных методов уплотнения [46,69,70], в частности формата модуляции AltBOC (см. содержание предыдущей главы), использованного в радиоинтерфейсе Galileo [26] и позволяющего сформировать суммарный сигнал двух поднесущих, свободный от амплитудной модуляции. Напомним, что для этого к комплексной огибающей суперпозиции объединяемых сигналов добавляется компенсирующее колебание, выравнивающее мгновенную действительную амплитуду. Указанная операция эквивалентна жесткому ограничению (клиппированию) амплитуды суммарного сигнала с сохранением фазы последнего [46]. Очевидно, подобное нелинейное мультиплексирование, устраняя амплитудную модуляцию группового сигнала, уводит часть его мощности в бесполезные комбинационные составляющие, которые, к тому же, загрязняют эфир. Более того, из-за скачков текущей фазы сигнала AltBOC его спектр имеет протяженные «хвосты», что может негативно сказаться на совместимости с соседствующими в эфире системами. Для диапазона L1 (1,6 ГГц) этот вопрос стоит особенно остро в связи с близостью окна радиоастрономических наблюдений (1610,6-1613,8 МГц), проникновение сторонних излучений в которое жестко лимитировано требованиями регламента ITU [63]. В свете сказанного возникает вопрос, возможен ли перенос известных идей улучшения компактности спектра сигналов с постоянной амплитудой за счет модуляции с непрерывной фазой [71-77] на случай мультиплексирования сигналов двух поднесущих. Соответствующий анализ и является предметом настоящей главы.
В разделе 3.2 предложен формат модуляции с непрерывной фазой, позволяющий объединить пару комплексных сигналов смежных частотных диапазонов на общей несущей. Отсутствие разрывов в фазовой траектории комплексной огибающей результирующего сигнала позволяет рассчитывать на достаточную компактность его спектральных полос [78], соответствующих объединяемым поднесущим. В разделах 3.3, 3.4 проанализированы соответственно автокорреляционная функция и спектральная плотность мощности суммарного сигнала. В разделе 3.5 с помощью аддитивного разложения сигнала в базисе Уолша решена задача об оптимальном разделении потоков, передаваемых на разных поднесущих.
Далее, в разделе 3.6 предложена модификация исходного формата модуляции с целью обеспечить независимость информационных потоков, передаваемых на разных поднесущих. Раздел 3.7 посвящен анализу СПМ модифицированного сигнала.
В заключение главы сформулированы предложения по объединению соответствующих несущих GPS и ГЛОНАСС в рамках предложенного формата модуляции.
Перспективы применения спектрально-эффективных форматов модуляции в радиоинтерфейсах спутниковых навигационных систем Непрерывное ужесточение требований в части электромагнитной совместимости действующих ГНСС с системами, расположенными в смежных частотных диапазонах, является причиной повышенного интереса к спектрально-эффективным форматам модуляции (или к модуляции с непрерывной фазой, МНФ) [80-83]. Как уже неоднократно подчеркивалось, показателен в этом плане опыт создания и эксплуатации радиоинтерфейса L1 (1592,9-1610 МГц) ГЛОНАСС, защита от просачивания сигналов которого в смежный радиоастрономический диапазон 1610,6-1613,8 МГц до сих пор остается серьезной проблемой [66,83]. Понятно, что подобные риски лучше всего исключить уже на этапе эскизного проектирования радиоинтерфейса, остановив выбор на способах модуляции, обеспечивающих приемлемо малый уровень внеполосных и побочных излучений.
Физическая природа высокой спектральной компактности сигнала с непрерывной фазой кроется в отсутствии у его комплексной огибающей мгновенных перепадов. Действительно, из основ гармонического анализа известно [78], что скорость спадания амплитудно-частотного спектра пропорциональна 1/ fp+ , где p - порядок производной сигнала, при котором возникает первый разрыв. Простейшим примером МНФ является минимальная частотная модуляция или МЧМ, для которой p = 1. Убывание СПМ МЧМ-сигнала с частотой происходит в темпе 1/f4 (40 дБ на декаду) против 1/f2 (20 дБ на декаду) у сигнала традиционной ФМ. При этом не существует никаких принципиальных трудностей на пути перехода от ФМ к МЧМ. Суть последнего сведется к простой замене прямоугольных чипов полуволной косинуса. Все названные обстоятельства делают привлекательной идею применения минимальной частотной модуляции в новых интерфейсах ГНСС [84-87].
Подробную информацию о прикладной стороне вопроса применения МНФ сигналов можно почерпнуть в работах [88-95], из которых следует, что даже в простейшем варианте МЧМ спектрально-эффективная модуляция позволяет выдержать жесткие требования к внеполосному излучению со стороны систем радиоастрономии. Подчеркнем, что при этом не приходится идти на какие-либо компромиссы в части важнейших тактических характеристик ГНСС (точность измерения времени, потенциал работоспособности в условиях многолучевости, помехоустойчивость и пр.), поскольку в рамках реальных ограничений на полосу приемника МЧМ в этом смысле ничуть не хуже стандартной ФМ.
Перспективы применения нелинейных методов уплотнения в радиоинтерфейсах нового поколения
Предложен способ объединения сигналов двух поднесущих в спектрально-эффективном формате. Найдены АКФ и СПМ соответствующего сигнала. Показано, что предложенный формат модуляции выигрывает у AltBOC с точки зрения компактности спектра более чем в 19 раз (при условии, что полоса сигнала определена согласно пункту 1.153 Регламента ITU).
С помощью аддитивного разложения сигнала в базисе Уолша решена задача об оптимальном разделении потоков, передаваемых на разных поднесущих. Установлена невозможность передачи независимых информационных потоков на каждой из них.
Произведена модификация модуляционного формата с целью обеспечения независимости потоков данных. Показано, что в усовершенствованном варианте предлагаемый способ мультиплексирования решает те же задачи, что и модуляция AltBOC, значительно выигрывая у последней в компактности спектра.
Рассмотрены варианты уплотнения сигналов несущих L1 GPS и L1 ГЛОНАСС, а также L5 GPS и L3 ГЛОНАСС в рамках предложенного формата модуляции. Установлено, что применение последнего при решении сформулированной задачи позволит более эффективно утилизировать доступный системам спектральный ресурс по сравнению со случаем применения AltBOC модуляции.
Показано, что применение предложенного формата модуляции при прочих равных условиях позволит снизить уровень внеполосных составляющих спектра в радиоастрономической полосе по крайней мере на 10 дБ по сравнению с вариантом AltBOC. Кроме того, использование спектрально-эффективного подхода при уплотнении несущих L1 диапазона позволяет обойтись без применения режекторных фильтров непосредственно между оконечным усилителем мощности и передающим антенным трактом. Подавление "хвостов" спектра сигнала ГЛОНАСС при этом можно осуществить в цифровой части передатчика на этапе формирования суммарного сигнала. Следствием подобной фильтрации станет появление амплитудной модуляции в результирующем сигнале. Для наиболее интересного с практической точки зрения случая оценено значение пик-фактора.
Имея в виду отсутствие энергетических потерь вкупе со сказанным выше, можно надеяться на конкурентоспособность предложенного формата модуляции в задачах совмещения сигналов смежных частотных диапазонов в едином стволе, работающем на общую антенну.
Уплотнение сигналов смежных частотных диапазонов На современном этапе развития ГНСС все большее внимание уделяется вопросам целостности и взаимодополняемости последних [100,101]. Стимулом возрастающего интереса к названным факторам является возможность извлечения информации из одновременно принимаемых сигналов нескольких спутниковых навигационных систем (СНС), что позволяет добиться таких общеизвестных выгод как снижение шумовых ошибок позиционирования, ослабление влияния атмосферной рефракции и многолучевых эффектов, улучшение показателей целостности интегрированной ГНСС и т.д. Как следствие, в рамках проводимой в настоящее время программы модернизации навигационной системы ГЛОНАСС приоритетные позиции принадлежат задаче переориентации сигналов отечественной системы на платформу CDMA.
В предыдущих главах обсуждалась идея дополнения номенклатуры излучаемых космическим сегментом ГЛОНАСС сигналов сигналами GPS L1 диапазона. Помимо этого, в перспективе возможны шаги по использованию системой ГЛОНАСС диапазона L5 (1176,45 МГц), уже занимаемого системами GPS и Galileo. В случае практического задействования частоты L5 вклад системы ГЛОНАСС в фактор взаимодополняемости СНС может существенно возрасти за счет возложения на упомянутый сигнал новой роли: передачи высокоскоростного потока оперативно обновляемых навигационных данных с целью повышения точностных характеристик.
Таким образом, имеются тенденции к увеличению общего числа передаваемых КА сигналов. При этом с точки зрения оптимизации массо-габаритных параметров космического аппарата и устранения осложнений, сопутствующих пространственному разносу фазовых центров передающих антенн, естественным является стремление совместить сигналы смежных несущих в едином стволе, работающем на общую антенну. Как и ранее, под смежными будем понимать несущие L1 GPS и L1 ГЛОНАСС, L3 ГЛОНАСС и L5 GPS (в перспективе, возможно, L3 и L5 ГЛОНАСС). Как известно, для обеспечения энергетической эффективности передатчика желательно, чтобы пикфактор суммарного двухчастотного сигнала, т.е. отношение его пиковой мощности к средней, был равен единице, иными словами, чтобы питающий антенну сигнал был свободен от амплитудной модуляции (АМ).
Два бинарных сигнала могут быть без труда объединены путем их сложения в квадратуре. Суммарный сигнал будет иметь ФМ-4 (PSK-4) модуляцию, т.е. окажется свободным от АМ. Сложение большего числа бинарных сигналов неизбежно приведет к появлению временной зависимости у действительной огибающей результирующего сигнала. Возможные обходные пути состоят либо в применении нелинейного уплотнения, по существу ограничения амплитуды группового сигнала, либо в перемежении символов уплотняемых сигналов, каждый из которых при этом превращается из бинарного в троичный за счет нулевых вставок (пауз), на которых в групповом сигнале размещаются символы остальных компонент.
В каждом из этих случаев избавление от амплитудной модуляции оплачивается определенными издержками. В первом методе, принятом за основу в проекте Galileo, нелинейность объединения сигналов уводит часть энергии сигнала в бесполезные комбинационные составляющие, к тому же дополнительно загрязняющих эфир. Второй же метод, предпочтенный, например, разработчиками сигнала L2C GPS [19,102-104], сопряжен с привлечением дополнительного частотного или временного ресурса. Однако, в отличие от первого этот метод свободен от энергетических потерь. О перспективах применения временного разделения в следующем поколении сигналов СРНС ГЛОНАСС можно прочитать в [105].
Настоящая глава построена следующим образом. В разделе 4.1 рассматриваются общие вопросы временного уплотнения сигналов. В разделе 4.2 акцент смещен в сторону нелинейных методов уплотнения. Особое внимание уделено проблеме применения в диапазоне E5 Galileo модуляционного формата AltBOC [106].
