Разработка и исследование алгоритмов поиска перспективных навигационных радиосигналов СРНС ГЛОНАСС с модуляцией на поднесущих частотах Липа Иван Владимирович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1 Обзор перспективных радиосигналов СРНС, существующих методов поиска и разработка новых методов поиска сигналов с модуляцией на по днесущих частотах 15

1.2 Обзор существующих методов поиска сигналов с модуляцией ВОС

1.3 Совместный поиск нескольких сигналов 41

1.4 Синтез алгоритма совместного поиска сигналов открытого доступа ГЛОНАСС ЫОС с компонентами различной структуры 43

1.5 Синтез алгоритма совместного поиска сигналов ГЛОНАСС ЫОС и L1SC с различным темпом и видом модуляции 50

1.6 Влияние зоны поиска на вероятностные характеристики 60

1.7 Анализ аппаратурной сложности 62

1.9 Выводы 73

Глава 2 Имитационное моделирование методов поиска сигналов с модуляцией на поднесущих частотах и сигналов с многокомпонентной структурой 76

2.1 Структура имитационной модели 76

2.2 Анализ статистических характеристик алгоритмов поиска 79

2.3 Моделирование рассмотренных алгоритмов поиска 81

2.4 Моделирование алгоритма совместного поиска сигналов открытого доступа ЫОС с компонентами различной структуры 85

2.5 Моделирование алгоритма совместного поиска сигналов ГЛОНАСС LIOC HLISC с различным темпом и видом модуляции 87

2.6 Помехоустойчивость алгоритмов поиска 89

2.7 Выводы 91

Глава 3 Разработка аппаратной реализации универсального блока быстрого поиска перспективных сигналов ГЛОНАСС 94

3.3 Оценка квантования 115

3.4 Реализация блока поиска на ПЛИС 119

3.5 Выводы 120

Глава 4 Результаты экспериментального исследования 122

4.1 Аппаратная реализация 122

4.3 Вероятностные характеристики блока поиска 125

4.4 Влияние зоны неопределенности на статистические характеристики поиска 127

4.5 Выводы 128

• Синтез алгоритма совместного поиска сигналов ГЛОНАСС ЫОС и L1SC с различным темпом и видом модуляции
• Анализ статистических характеристик алгоритмов поиска
• Моделирование алгоритма совместного поиска сигналов ГЛОНАСС LIOC HLISC с различным темпом и видом модуляции
• Реализация блока поиска на ПЛИС

Введение к работе

Актуальность темы

На сегодняшний день системы спутниковой радионавигации прочно заняли место во многих областях человеческой деятельности. К этим областям относятся бытовая сфера в повседневной жизни, сельское хозяйство, авиация, морская навигация, военная сфера и другие.

На заре развития спутниковых радионавигационных систем (СРНС) точность определения координат потребителя составляла сотни метров и использовалась для определения местоположения подводных лодок в мировом океане. Для подобной задачи точность в 100м является достаточной, но для таких задач, как посадка самолета, прокладка маршрута автомобиля или ведение крылатой ракеты требуется большая точность. Совершенствование СРНС в период 70-х – 90-х годов позволило достичь точностей порядка 5-10м в условиях «чистого неба» и порядка 30-50м в условиях плотной городской застройки.

Увеличение точности СРНС открывает новые сферы ее использования. До сих пор нерешенной задачей является создание автомобильной навигации с учетом дорожных полос. Разрабатываются системы беспилотной посадки самолетов по измерениям спутниковой навигационной аппаратуры. Новые сферы требуют получения метровых и субметровых точностей, причем особые требования накладываются на возможность работы в условиях многолучевости.

В период 90-х – 2000-х годов стало ясно, что система ГЛОНАСС требует модернизации и одно из приоритетных направлений – это ввод новых сигналов. Опыт использования зарубежной навигационной системы GPS показал преимущество сигналов с кодовым разделением над сигналами с частотным разделением. Также многочисленные исследования показали эффективность применения модуляции на поднесущей к традиционным сигналам с двоичной фазовой модуляцией.

В интересах модернизации СРНС ГЛОНАСС в 2012 г. в Российской

Федерации принята федеральная целевая программа «Поддержание, развитие и

использование системы ГЛОНАСС на 2012 — 2020 годы», в соответствии с которой с перспективных космических аппаратов будут излучаться новые радиосигналы с кодовым разделением.

В частотных диапазонах L1 планируется излучение новых радиосигналов
открытого доступа (ОД) с кодовым разделением L1OC на несущей частоте
1600,995 МГц и L2OC на несущей частоте 1248,06 МГц. Отличительной
особенностью данных радиосигналов является то, что они являются
двухкомпонентными и включают пилотную L1OCp (L2OCp) и информационную
L1OCd (L2OCd) компоненты, объединение которых в единый сигнал
осуществляется путем побитного временного мультиплексирования.

Информационная компонента данного радиосигнала имеет стандартную бинарную фазовую модуляцию BPSK(1), а пилотная — модуляцию на поднесущих частотах (англ. Binary Offset Carrier (ВОС)) BOC(1,1). Сигналы санкционированного доступа также являются двухкомпонентными с модуляцией на поднесущих частотах BOC(5,2.5).

Новые сигналы потенциально улучшат потребительские качества аппаратуры потребителей системы ГЛОНАСС, однако потребуют новых подходов к их обработке. Одна из важных и сложных задач в аппаратуре спутниковой навигации – это поиск навигационных сигналов. На тему поиска сигналов с модуляцией на поднесущих проведено и опубликовано большое количество работ. В них обозначены общие принципы обработки и предложены эффективные алгоритмы поиска сигналов BOC(m,n), однако данные работы не рассматривают вопросы обработки комбинированных сигналов BOC+BPSK, BOC(m,n)+BOC(k,l) и других. Подобные вопросы актуальны для новых сигналов ГЛОНАСС.

В данной работе предлагается алгоритм для совместной обработки пилотной и информационной компонент сигнала ГЛОНАСС L1OC с модуляциями BOC(1,1) и BPSK(1), а также для совместной обработки сигналов ГЛОНАСС L1OC и L1SC по пилотным и информационным компонентам с модуляциями BOC(1,1), BPSK(1),

BOC(5,2.5). Рассмотрены вопросы аппаратурной реализации предложенного алгоритма.

Созданный алгоритма поиска перспективных сигналов ГЛОНАСС с модуляцией на поднесущих частотах позволит использовать данные сигналы в НАП, что, в соответствии с федеральной целевой программой «Поддержание, развитие и использование системы ГЛОНАСС на 2012 — 2020 годы», потенциально улучшит потребительские качества НАП, поэтому тема диссертационного исследования является перспективной и актуальной.

Целью работы является разработка алгоритмов поиска перспективных навигационных радиосигналов СРНС ГЛОНАСС с модуляцией на поднесущих частотах, обеспечивающих повышение эффективности работы навигационной аппаратуры потребителей.

Основные задачи, решаемые в работе:

1. Анализ существующих методов поиска сигналов с BOC модуляцией

2. Синтез алгоритмов совместного поиска сигнала L1OC по двум компонентам

3. Синтез алгоритмов совместного поиска сигналов L1OC и L1SC, имеющих различную структуру

4. Разработка имитационных моделей синтезированных алгоритмов и исследование их характеристик

5. Реализация синтезированных алгоритмов в аппаратуре потребителя

Методы исследования:

При решении поставленных задач использованы методы теории вероятности и математической статистики, статистической теории радиотехнических систем, вычислительной математики, программирования и написания кода на языках описания аппаратуры.

В качестве показателей эффективности разработанных алгоритмов при проведении исследований рассматривается чувствительность обнаружения при ограниченных аппаратурных ресурсах.

Методом имитационного моделирования в среде MatLab проведен сравнительный анализ алгоритмов поиска перспективных сигналов ГЛОНАСС с кодовым разделением и модуляцией на поднесущих частотах и анализ влияния особенностей аппаратурной реализации.

Новые научные результаты:

6. Методами статистической радиотехники синтезирован алгоритм совместного поиска двухкомпонентного сигнала ГЛОНАСС L1OC с разной структурой компонент.

7. Методами статистической радиотехники синтезирован алгоритм совместного поиска навигационных сигналов ГЛОНАСС L1SC и L1OC разной структуры, имеющих разный тип модуляции.

8. Получены статистические характеристики синтезированных алгоритмов поиска сигналов.

9. Проведен сравнительный анализ характеристик различных алгоритмов поиска перспективных сигналов ГЛОНАСС и приведены результаты сравнительного анализа.

Практическая ценность работы:

10. Реализация разработанных алгоритмов поиска перспективных сигналов ГЛОНАСС с кодовым разделением и модуляцией позволит улучшить характеристики чувствительности и помехоустойчивости навигационной аппаратуры.

11. Создана аппаратная реализация блока быстрого поиска для одного из предложенных алгоритмов, экспериментальные исследования которого подтвердили улучшение характеристик чувствительности и помехоустойчивости навигационной аппаратуры.

12. Сформулированные рекомендации по разрядности блока свертки входной реализации с опорным сигналом, обеспечивают сокращение вычислительных

затрат при реализации данного блока без ухудшения базовых характеристик поиска сигналов.

Реализация и внедрение:

Результаты исследований реализованы в 7 НИОКР, выполненных в «НИУ
«МЭИ» по заказу Министерства обороны Российской Федерации, а также
предприятий: АО «Научно производственное предприятие «Радиосвязь»; ОАО
«Объединенная ракетно-космическая корпорация»; АО «Научно-

производственная корпорация «Системы прецизионного приборостроения».

Разработанные в диссертации алгоритмы поиска перспективных

навигационных радиосигналов СРНС ГЛОНАСС с кодовым разделением и модуляцией на поднесущих частотах в навигационной аппаратуре потребителей внедрены в ОКР «Фарватер» (ОАО «Объединенная ракетно-космическая корпорация») и в учебный процесс «Национального исследовательского университета «МЭИ». Акты об использовании результатов прилагаются.

Положения, выносимые на защиту:

13. Применение синтезированного алгоритма совместного поиска двух компонент сигнала L1OC, имеющих различную структуру, позволяет получить выигрыш 1.2 дБ по чувствительности поиска по сравнению с поиском только пилот-сигнала L1OCp.

14. Применение синтезированного алгоритма совместного поиска двух сигналов открытого доступа L1OC и санкционированного доступа L1SC, имеющих различную структуру и темп модуляции, позволяет получить выигрыш по чувствительности 1.6 дБ по сравнению с поиском только сигнала L1SC.

15. Предложенная структура блока поиска на основе блока памяти предварительно накопленных отсчётов позволяет реализовывать синтезированные алгоритмы путём последовательной обработки каждой сигнальной компоненты.

4. Результаты моделирования и экспериментальной проверки синтезированных алгоритмов подтверждают реализуемость предложенных алгоритмов в аппаратуре спутниковой навигации.

Личный вклад автора:

16. Проведён обзор и сравнительный анализ известных методов поиска сигналов с модуляцией BOC. Исследовано влияние метода поиска на количество ресурсов аппаратурной реализации и характеристики чувствительности.

17. Проведён синтез алгоритма совместного поиска сигналов открытого доступа ГЛОНАСС L1OC с компонентами различной структуры.

18. Проведён синтез алгоритма совместного поиска сигналов ГЛОНАСС L1OC и L1SC с различным темпом и видом модуляции

19. Разработана имитационная модель на ЭВМ, позволяющая проводить статистическое моделирование разработанных и известных ранее алгоритмов поиска.

20. Проведён анализ характеристик чувствительности и помехоустойчивости синтезированных алгоритмов.

21. Разработана структура аппаратной реализации блока поиска; написано специальное программно-математическое обеспечение для ПЛИС, реализующее разработанные алгоритмы

Апробация работы

Основные результаты работы были доложены и обсуждены на следующих
научно-технических конференциях: 17-я, 18-я, 19-я, 20-я, 21-я Международные
конференции студентов и аспирантов «Радиотехника, электроника и энергетика»,
(2011 г., 2012 г., 2013 г., 2014 г. и 2015 г.); 25-й международной конференции ION
GNSS-2012 (США, Нэшвилл, 2012г); 10-й всероссийской НК

«Радионавигационные технологии» (Небуг, 2012г); 13-й всероссийской НК «Радионавигационные технологии» (Небуг, 2015г).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в числе которых 6 статей в научно-технических журналах, входящих в список изданий, рекомендуемых ВАК для публикации результатов диссертационных работ на соискание ученой степени кандидата наук, 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

Объем и структура работы

Синтез алгоритма совместного поиска сигналов ГЛОНАСС ЫОС и L1SC с различным темпом и видом модуляции

Такой вид АКФ характерен для некоррелированного процесса, поэтому дальномерный код еще называют псевдослучайной последовательностью (ПСП). Основными параметрами модулирующей функции GM(t) являются частота следования символов и период повторения. Частота следования символов определяет ширину спектра сигнала, а период повторения - диапазон однозначно определяемой псевдодальности. Выделяют некоторые виды последовательностей, которые обладают интересными свойствами, например АКФ М-последовательности, используемой в сигналах ГЛОНАСС имеет вид, представленный на рисунке 1.2 Рисунок 1.2 АКФ М-последователъности

Важным свойством АКФ М-последовательности является то, что уровень боковых лепестков р(т) = -1/L, (1.3) при г Ф 0, a L - число элементов в М-последовательности. На рисунке 1.2 изображена часть АКФ М-последовательности длиной 511 символов и уровень боковых лепестков равен /7 = 1/511 = 0.0019569. У других последовательностей уровень боковых лепестков хуже, характерное значение 1/ VL. Свойство (1.3) верно для АКФ М-последовательности. Для принимаемого сигнала это свойство проявляется только при нулевой расстройке его частоты относительно опорного сигнала. В реальных условиях работы НАЛ это свойство работать не будет [8, 14]. Кроме того, М-последовательности неприменимы в системах с кодовым разделением сигналов. Низкий уровень боковых лепестков наблюдается только у АКФ. Если рассмотреть взаимно-корреляционную функцию, то уровень боковых лепестков будет находиться на уровне р(т) = 1 / VL Спектральная плотность сигнала получается в результате преобразования Фурье от корреляционной функции сигнала и для кодовой последовательности ГЛОНАСС открытого доступа имеет вид (рис. 1.3):

BPSK сигналы активно используются в существующих СРНС, но они не лишены некоторых недостатков, таких как проблемы приема при многолучевом распространении, недостаточная помехоустойчивость, недостаточная потенциальная точность и низкая эффективность использования полосы. В рамки развития системы ГЛОНАСС включено использование новых перспективных сигналов с модуляций на поднесущих частотах, которые должны уменьшить обозначенные проблемы.

В соответствии со статистической теорией оценивания параметров сигнала - потенциальна точность оценивания задержки сигнала определяется эффективной шириной спектра сигнала: 7T = 1 / (J2qf3), (1.4)

Из приведенных соотношений видно, что более высокая точность оценивания задержки может быть получена для сигнала, у которого максимумы спектральной плотности сосредоточены на краях занимаемого частотного диапазона. Одним из способов, позволяющих достичь этого, является модуляция на поднесущих. В англоязычной литературе данный тип модуляции называется binary offset carrier (ВОС).

Функция модуляции Gsub(t) представляет собой меандровое колебание с частотой fsub и принимающая значения {-1,1}. Важной характеристикой сигналов ВОС является отношение частоты дальномерного кода к частоте поднесущего колебания fchip I fs, однако, принято вводить не отношение частот fchip I fs, а выражать частоту поднесущего колебания и частоту дальномерного кода через некоторую базовую частоту fc. В системе GPS /с = 1.023М1/ f I f =m fchip /fc=n Тогда сигнал записывается, как BOC(m,n). Спектральная плотность имеет вид, приведенный на рисунке 1.4

Появление двух разнесенных составляющих спектральной плотности увеличивает эффективную ширину спектра сигнала ВОС в сравнении с сигналом BPSK и позволяет использовать частотное пространство для других сигналов.

Помимо спектральной плотности у ВОС сигналов в сравнении с BPSK сигналами отличается и корреляционная функция (рис. 1.5) Рисунок 1.5 -АКФ в области главного пика сигнала ВОС(5,2.5)

В сравнении с сигналами BPSK у корреляционной функции сигналов ВОС основной максимум имеет большую крутизну наклона и имеется несколько побочных максимумов. С одной стороны эти отличия позволяют достигать большей потенциальной точности, но с другой - усложняет алгоритмы обработки сигнала.

Амплитуда сигнала может меняться в больших пределах. Она определяет отношение сигнал/шум. Обычно в задании требуется обеспечить работоспособность аппаратуры при некотором минимальном отношении сигнал/шум, и систему рассчитывают на минимальный уровень сигнала. При более высоком уровне все характеристики будут выше, поэтому рассмотрим значение амплитуды, равное минимальному. Начальная фаза рп. распределена равномерно на интервале [-л,л]. В общем виде задержка Tj И доплеровское смещение частоты /доп зависят от времени, но на интервалах наблюдения сигнала до ЮОмс эти параметры можно считать постоянными.

Диапазон доплеровского смещения частоты определяется в основном тремя факторами - радиальной составляющей движения спутника относительно потребителя, радиальной составляющей движения потребителя относительно спутника, а также смещения частоты опорного генератора НАЛ, которое создает ошибку в формировании опорного сигнала и для потребителя выглядит, как доплеровское смещение частоты навигационного сигнала. Диапазон смещения частоты для обозначенных факторов и малодинамичного объекта с кварцевым генератором в качестве эталона частоты составляет +10 кГц. Распределение полагаем равномерным.

Диапазон измерения задержки сигнала определяется используемым дальномерным кодом. В случае периодического кода с периодом Ткод -задержка может быть однозначна определена только в пределах периода кода, поэтому положим распределение задержки равномерным на интервале г є [0,T ].

Из теории оптимальной обработки сигналов следует, что необходимо искать максимум функции правдоподобия, усредненную по неинформативным параметрам. Усреднение по фазе и амплитуде сигнала производится аналитически. По частоте и задержке аналитически усреднить функцию правдоподобия невозможно, поэтому выполняется прямой поиск максимума. Частота и задержка разбиваются в диапазоне возможных значений на дискретные значения и образуют поле поиска (рис. 1.6).

Анализ статистических характеристик алгоритмов поиска

Сигналы ГЛОНАСС ЫОС и L20C содержат пилот и дату компоненты различной структуры - ВОС(1,1) и BPSK(l) соответственно. Синтезируем алгоритм поиска сигнала ГЛОНАСС ЫОС. На вход поступают наблюдения вида: y(t} = s(t + n(t}, (1-28) где n(t) - белый гауссовский шум с двусторонней спектральной плотностью N012, а сигнал s(t) имеет вид: s(t) = AGOCP(t}sign(sm(m-CDB(t))}cos(cot + p) + (1.29) +A-GOCD (t - r)cos(tftf + ер + nD), где A - амплитуда сигнала, Goc p ( ) - функция модуляции дальномерным кодом пилот-сигнала, сов - базовая частота поднесущей ВОС-модуляции, т -индекс частоты поднесущей модуляции, т - задержка сигнала, си - несущая частота сигнала, (р - фаза сигнала, GOC)( ) - функция модуляции дальномерным кодом канала данных, D - передаваемый символ данных навигационного сообщения.

Требуется оценить частоту со и задержку т сигнала на интервале наблюдения Г. В соответствии с теорией оптимальной обработки сигнала необходимо максимизировать функцию правдоподобия. p\YQT \a ,T, p,D) —» max (1.30) Запишем функцию правдоподобия для рассматриваемого сигнала (1.29). Обозначим выборку наблюдений на интервале t є [0;Г], как Y0T. В этом случае, функция правдоподобия имеет вид: f 1 т

В данном выражении входные наблюдения y(t) не зависят от значений параметров опорного сигнала, поэтому первый интеграл не влияет на максимизацию. Последний интеграл определяет энергию сигнала. Частота, задержка, фаза и передаваемый символ данных являются неэнергетическими параметрами, поэтому последний интеграл также не влияет на максимизацию. В результате получим, что необходимо максимизировать выражение: p(Y0T\cu,T,(p,D) = c-Qxpljy(t)s(t)dt

Модуляция сигнала BOC(m,n) поднесущим колебанием заключается в умножении на множитель sign(sin(ra- z s(y-r)M. Спектр сигнала с модуляцией BOC(m,n) определяется свёрткой спектров данного множителя и спектра дальномерного кода Gocp(V-r). Функцию модуляции поднесущей можно разложить в ряд: sign! sin(m-coB (t - г) M = С,- sin(m-coB (t - г м + С3- sin3 (m-coB (t - г м +... (1.34) Основная часть мощности данного сигнала заключается в первой гармонике и именно первая гармоника будет определять мощность главных лепестков сигнала с модуляцией BOC(m,n). Далее будем рассматривать только первую гармонику, т.е. sign (sin (тсов (t - r) M « Cj- sm(m-coB (t - r)), амплитуду пилотной компоненты переобозначим, как в результате чего функция правдоподобия примет вид: P(Y0T\CD,T,(P,D) =

Необходимо усреднить функцию правдоподобия (1.37) по всем неинформативным параметрам, среди которых неизвестны фазы рос и, (рОСр L, pocd. Далее примем допущение, что данные фазы независимы друг от друга. Получим усреднённую функцию правдоподобия:

В соответствии с методом максимального правдоподобия необходимо найти максимум выражения (1.42). Функция взятия логарифма является монотонно возрастающей, поэтому не влияет на определения максимума в алгоритме (1.30). Поэтому можно выполнить максимизацию следующим образом:

Рассмотрим функцию 1Ш0(х). График данной функции приведён на рис. 1.24. Пунктирная линия — функция 1п10(х), сплошная линия —х. Таким образом, выражение можно упростить, заменив 1п10(х) на операцию вычисления модуля. Выражение, являющееся аргументом функции Бесселя, всегда положительное, поэтому модуль вычислять необходимости нет. Рисунок 1.24 График функций 1п10(х) - пунктирная линия и х - сплошная линия

Учтём также, что добавление константы в (1.53) не влияет на операцию взятия максимума, а также то, что функция логарифма монотонно возрастающая и . В результате выражение упрощается:

Для упрощения аппаратной реализации данной схемы можно её преобразовать, заменив полностью параллельное выполнение операций на последовательно-параллельное. Выделив общую часть в структурной схеме на рис. 1.25, получим структуру универсального блока поиска (рис. 1.26) для работы с сигналами с BPSK/BOC модуляцией, а также с мультиплексированными сигналами BPSK+BOC, в частности перспективным сигналом ГЛОНАСС ЫОС (по информационной и пилотной компонентами).

Структурная схема алгоритма поиска мультиплексированных сигналов BPSK+BOC Полученная схема (рис. 1.26) схожа со схемой на рис. 1.19 с тем отличием, что добавлен элемент весовой перемножитель. Он необходим для нормирования уровня шума в каналах с BPSK и ВОС модуляцией. Запуская данную схему (рис. 1.26) трижды с различными значениями параметров сигналов и накапливая результат в общий накопитель, можно выполнить все операции из схемы на рис. 1.25 более простыми аппаратными средствами.

Сигнал ГЛОНАСС L1 состоит из 4-х компонент (1.24)—(1.27). Для совместного поиска сигналов ГЛОНАСС ЫОС и L1SC имеющих разную скорость следования символов дальномерного кода (рис. 1.27) (1.023МГц и 2.5x1.023МГц соответственно) необходим специальный алгоритм.

На вход поступают наблюдения вида: y{t) = s{t) + n{t), (1.56) где n(t) - белый гауссовский шум с двусторонней спектральной плотностью N012, а сигнал s(t) имеет вид: s(t) = AGoc p(t-r} 6 \ \ ос в (1.57) ( -r))}cos( « + p) + +A-G0C,D (г-r cos (Й» + . + ЖО0С) + sc,p V ( -r)))Sm(« + p) + +AGsc,D(r-r Sign(Sm(msc -r))b4« + + »Sc) где Л - амплитуда сигнала, Goc р ( ) - функция модуляции дальномерным кодом пилот-сигнала в открытой компоненте, сов - базовая частота поднесущей ВОС-модуляции, тос - индекс частоты поднесущей модуляции в открытой компоненте, т - задержка сигнала, си - несущая частота сигнала, (р - фаза сигнала, Goc D ( ) - функция модуляции дальномерным кодом канала данных в открытой компоненте, Doc - передаваемый символ данных навигационного сообщения в открытой компоненте. msc - индекс частоты поднесущей модуляции в закрытой компоненте Gscp( ) - функция модуляции дальномерным кодом пилот-сигнала в закрытой компоненте, Gsc D ( ) - функция модуляции дальномерным кодом канала данных в закрытой компоненте, Dsc -передаваемый символ данных навигационного сообщения в закрытой компоненте. Аналогично с синтезом алгоритма поиска в гл. 1.3 для сигналов различной структуры - максимизируется функция правдоподобия (1.30). На максимизацию функции (1.31) влияет только второй интеграл, поэтому получим, что необходимо максимизировать выражение

Моделирование алгоритма совместного поиска сигналов ГЛОНАСС LIOC HLISC с различным темпом и видом модуляции

Параллельно поиску проводится расчет порога обнаружения. Для этого формируется реализация содержащая только шум и проводится процедура поиска. Далее порог подбирается такой величины, чтобы вероятность ложной тревоги соответствовала требуемой. Для всех полученных характеристик вероятность ложной тревоги выставлялась на уровне 0.1

Построение и обновление получаемых характеристик обнаружения производится каждые 10 экспериментов. randPSPgen - скрипт, формирующий псевдо-ПСП с длительностями, соответствующими дальномерным кодам сигнала ГЛОНАСС L1. PSP_init - функция, формирующая модулирующую последовательность путем временного мультиплексирования дальномерных кодов пилотной и информационной компонент сигнала. Также формируется модуляция на поднесущих. Модуляция данными не воспроизводится с той оговоркой, что поиск сигнала по информационной компоненте с временем когерентного накопления меньше половины длительности информационного символа и количеством некогерентных сложений NN»1 минимизирует влияние модуляции сообщением. GloLl - функция формирования сигнала ГЛОНАСС L1 с требуемым набором компонент (компоненты открытого/санкционированного доступа; пилотная/информационная компоненты). Сигнал формируется на требуемой промежуточной частоте fi, частоте дискретизации Fd. Также формируется шум наблюдений с тем отношением сигнал-шум, который требуется для текущего эксперимента. Эмитируется требуемая задержка сигнала для исследования влияния рассогласования опорного сигнала с принимаемым по задеркже. classic_poisk - функция осуществляет поиск сигнала классическим методом BPSK_like_poisk - функция осуществляет поиск сигнала методом BPSK-like oc_sc_interp - функция интерполяции для реализации совместного поиска сигналов ГЛОНАСС L10C и L1SC. На вход поступает массив накопленных величин по сигналу L10C, указывается во сколько раз требуется увеличить длину массива путем интерполяции промежуточных значений для дальнейшего сложения с результатами накопления по сигналу L1SC. por_iter - функция расчета порога. На вход поступает массив максимумов накоплений по серии экспериментов поиска сигнала в реализации, содержащей только шум наблюдений. Итеративно рассчитывает порог так, чтобы вероятность ложной тревоги составила требуемую величину.

Проведем анализ статистических характеристик алгоритмов поиска для их сравнения с результатами моделирования. По приведенным структурным схемам для алгоритмов поиска ВОС-сигналов (рис. 1.12, рис. 1.15, рис. 1.18, рис. 1.19, рис. 1.21, рис. 1.22), а также по структурным схемам синтезированных алгоритмов для составных сигналов (рис. 1.25, рис. 1.26, рис. 1.29, рис. 1.30) видно, что на поиск максимума и сравнение с порогом идет величина, образующаяся из суммы квадратов корреляционных сумм где N - число каналов накопления. В разных методах это число разное, к примеру в методе BPSK-like N=2, в методе поиска сигнала ГЛОНАСС L10C+LlSC (pHC.) N=7. Распределение величин I и Q является нормальным [8, 21], причем при отсутствии сигнала в принимаемой реализации регулярная составляющая равна нулю M[l] = M[Q] = 0. (2.2) Известно [34], что распределение величины R (2.1) будет подчиняться закону хи-квадрат. Для случая отсутствия сигнала в принимаемой реализации у , т.е. при выполнении (2.2), распределение р0(у) будет центральным хи-квадрат, а для случая наличия сигнала - нецентральным хи-квадрат рх(у). ,У 0

Рассмотрим классический алгоритм поиска для сигналов с BPSK модуляцией. Структурная схема алгоритма приведена на рис. 1.12.

Проведено моделирование и сопоставление результатов с теоретическими расчетами. Результаты анализа вероятности правильного обнаружения в зависимости от отношения с/ш приведены на рис.2.3.

Вероятность ложной тревоги PF =0.1 задана на все поле поиска, при этом вероятность ложной тревоги на одну ячейку составляет8-10"5. Время накопления в корреляторах — 1 мс. Зависимость правильного обнаружения от отношения с/ш, полученная теоретически с использованием распределения хи-квадрат с 2-мя степенями свободы по алгоритму, описанному в гл. 2.2, названа «Теор.». Зависимость, полученная при моделировании, названа «Мод.». Из рис. 2.3 видно, что теоретически полученная характеристика согласуется с результатами моделирования. Алгоритм с поиском по фазе поднесущей

Проведено моделирование и сопоставление результатов с теоретическими расчетами. На рис.2.4 приведены зависимости вероятности правильного обнаружения сигнала с модуляцией ВОС(ІД) в зависимости от отношения с/ш. Вероятность ложной тревоги PF = 0.1 задана на все поле поиска. Зависимость правильного обнаружения от отношения с/ш, полученная теоретически с использованием распределения хи-квадрат с 2-мя степенями свободы по алгоритму, описанному в гл. 2.2, названа «Теор.». Зависимость, полученная при моделировании, названа «Мод.». Рисунок 2.4 - Вероятность верного обнаружения в зависимости от отношения с/ш

Реализация блока поиска на ПЛИС

Преобразуем зависимость, изображенную на рисунке 3.18, к виду, удобному для сравнения, т.е. зависимости чувствительности в дБ от числа разрядов вычислителя. Метод пересчета увеличения ресурсозатрат в эквивалентную потерю чувствительности приведен в разделе 1.8. Тогда зависимость на рис.3.18 преобразуется к виду (рис.3.19):

Проанализировав зависимости на рис.3.17 и рис.3.19 можно сделать вывод, что с одной стороны увеличение разрядности уменьшает ошибки вычислений и потери на арифметических вычислениях уменьшаются и характеристики приближаются к потенциально возможным. С другой стороны увеличение разрядности вычислений расходует те аппаратные ресурсы, с помощью которых можно реализовать дополнительное накопление сигнала с некогерентным сложением.

Получается противоречие между экономией ресурсов и уменьшением ошибок вычислений. Для поиска оптимума рассчитаем:

Зависимость нормирована таким образом, чтобы максимум был равен 0. Видно, что максимальная чувствительность поиска будет достигнута при использовании 2-х разрядов в вычислителе.

Создан логический проект на языке описания аппаратуры «Verilog» для ПЛИС по структуре, изображенной на рис.3.6. Для экспериментального образца НАЛ (раздел 4.1) для каждой из ПЛИС - Xilinx Spartan6 slxl50t и Xilinx Zynq-7000 XC7Z045 - создан проект конфигурации из логического проекта.

Для ПЛИС семейства Spartan получилось реализовать блок быстрого поиска с размером блока свертки размером 2048 элементов. Свободных ресурсов ПЛИС осталось менее 20% и реализация в рамках того же проекта корреляторов для систем слежения уже не представляется возможным.

Для ПЛИС семейства Zynq получилось реализовать блок быстрого поиска с размером блока свертки размером до 8192 элементов и свободными ресурсами 30%. При реализации блока свертки 2048 элементов - блок поиск занимает -20% ресурсов ПЛИС, а на оставшихся ресурсов реализуется 80-120 каналов слежения. Данная конфигурация блока поиска с реализованными каналами слежения позволило решить всю задачу цифровой обработки сигнала в НАЛ в рамках одной ПЛИС.

Показано, что синтезированные алгоритмы (рис. 1.26,1.30) могут быть реализованы в виде структуры, приведённой на рис. 3.6, включающей в себя преднакопитель, блок сдвига по частоте, память входных отсчётов, ядро свёртки, накопитель, блок поиска максимума, генератор ПСП и схему управления.

Наиболее сложной в реализации является ядро свёртки. В разделе 3.1 проведён анализ существующих подходов к построению данного ядра свёртки. В результате выбрана структура, приведённая на рис. 3.11.

Объём блока памяти (3.8), (3.9) является критической величиной для ПЛИС. Для этого проведён анализ разрядности представления сигнала, результаты которого приведены на рис. 3.20. Рекомендуется использовать 2 разряда представления сигнала на выходе предварительного накопителя.

Проведен анализ влияния способа реализации многовходового сумматора в блоке свертки. Сформирована структура многовходового сумматора (рис. 3.10) с частотой работы, не зависящей от числа входов. На ПЛИС Xilinx Spartan6 slxl50t и Xilinx Zynq-7000 XC7Z045 частота работы сумматора с количеством входных аргументов 2048-8192 составляет 80-120МГц (зависит от уровня оптимизации проекта в САПР).

Предложен алгоритм поиска непериодичных сигналов (рис.3.15) в рамках созданной структуры, приведенной на рисунке 3.6

В результате разработан блок быстрого поиска с размером блока свертки 2048 элементов и занимающий 20% ресурсов ПЛИС Xilinx Zynq-7000 XC7Z045. Производительность соответствует 200тыс. эквивалентных корреляторов для сигнала ГЛОНАСС L10F и ЮОтыс. эквивалентных корреляторов для сигнала GPS L1CA.

Для проведения экспериментальных исследований в учебно-исследовательском центре "Современные радиоэлектронные и телекоммуникационные технологии" Московского энергетического института создана аппаратная реализация навигационного приемника. Приемник решает задачу поиска в плате цифровой обработки, фотография которой приведена на Данная плата цифровой обработки в составе навигационного приемника осуществляет всю обработку сигнала с выхода радиочастотного блока после аналого-цифрового преобразования. Для обработки сигнала на плате доступны две ПЛИС: Xilinx Spartan6 slxl50t и Xilinx Zynq-7000 XC7Z045.

Данные ПЛИС позволяют реализовывать требуемые алгоритмы поиска навигационного сигнала путем создания соответствующего проекта прошивки ПЛИС на языке HDL (hardware description language - язык описания аппаратуры) verilog. Общая информация о логическом проекте приведена в разделе 3.4, а иллюстрации из САПР по созданию проекта приведены в приложении 2.