Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние и направления дальнейшего развития спутниковых радионавигационных систем 17
1.1. Спутниковая радионавигационная система. Структура и основные принципы работы 17
1.2. СРНС ГЛОНАСС 20
1.3. СРНС NAVSTAR (GPS) 25
1.4. Galileo 28
1.5. BeiDou (Compass) 30
1.6. QZSS 32
1.7. IRNSS 33
1.8. Электромагнитная совместимость СРНС на текущем этапе развития 34
1.9. Частотные диапазоны С, S и Ku 36
1.9.1. Преимущества и недостатки продвижения СРНС в новые частотные диапазоны 36
1.9.2. Регламентные присвоения и требования по электромагнитной совместимости в новых диапазонах 38
1.9.3. Предлагаемые сервисы для новых частотных диапазонов 41
1.10. Выводы и предложения по модернизации пользовательского
радиоинтерфейса ГНСС ГЛОНАСС 43
2. Спектрально-эффективная модуляция в приложении к сигналам ГНСС ГЛОНАСС 45
2.1. Классические решения задачи оптимизации формы радиоимпульса 45
2.1.1. Минимизации побочных излучений 46
2.1.2. Концентрация энергии в заданной полосе частот 49
2.1.3. Анализ классических решений 51
2.2. Частотная модуляция с непрерывной фазой и полным откликом 52
2.2.1. Модуляция с минимальным частотным сдвигом 54
2.2.2. Сигналы с полиномиальным законом изменения частоты 56
2.2.3. Сигналы с синусоидальным законом изменения фазы 61
2.2.4. Результаты анализа спектральных характеристик МНФ с полным откликом 65
3. Частотная модуляция с непрерывной фазой и частичным откликом 66
3.1. Сведение МНФ с памятью к суперпозиции бинарно-манипулированных квадратур 66
3.2. Восстановление формы чипа по заданному закону угловой модуляции 70
3.3. Формирование дальномерного сигнала на основе МНФ с памятью 74
3.4. Разложение сигнала МНФ в базисе Уолша 75
3.5. Автокорреляционная функция и спектральная плотность мощности МНФ с памятью 79
3.6. Спектральная эффективность МНФ сигналов с памятью 82
3.6.1. МЧМ с памятью 82
3.6.2. Гауссовская минимальная частотная модуляция 85
3.7. Выводы по главе 87
4. Сравнение характеристик модуляционных форматов по предлагаемому перечню показателей 89
4.1. Потенциальная точность измерения запаздывания сигнала 90
4.2. Работоспособность в условиях многолучевого приема 95
4.2.1. Потенциальная точность оценки запаздывания в присутствии многолучевой помехи 95
4.2.2. Огибающие многолучевой ошибки при временном дискриминировании сигнальных чипов 100
4.3. Подавление внутрисистемных помех 105
4.4. Иммунитет к преднамеренным помехам 109
4.5. Влияние межсистемных помех 113
4.6. Электромагнитная совместимость и конкретизация параметров модуляционных форматов 115
4.7. Выводы по главе 121
Заключение 123
Библиографический список
- Электромагнитная совместимость СРНС на текущем этапе развития
- Частотная модуляция с непрерывной фазой и полным откликом
- Восстановление формы чипа по заданному закону угловой модуляции
- Потенциальная точность оценки запаздывания в присутствии многолучевой помехи
Введение к работе
Актуальность работы. Современные приложения радионавигации космического базирования чрезвычайно многообразны. В настоящее время гражданскому потребителю доступны две равноценные и взаимодополняющие глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС): GPS и ГЛОНАСС. На стадии тестирования находятся ГНСС Galileo, продвигаемая Европейским Сообществом, и китайская ГНСС BeiDou. Кроме того, Япония начала практическое развертывание региональной навигационной спутниковой системы (РНСС) QZSS (Quasi-Zenith Satellite System), которую можно считать функциональным дополнением GPS. Одновременно Индия планирует развертывание собственной РНСС IRNSS двойного применения.
Названные ГНСС и РНСС как действующие, так и планируемые к осуществлению занимают различные участки спектра в диапазоне L. Существенное наращивание числа систем, занимающих одни и те же полосы, неизбежно ведет к коллизиям, как между ними, так и со сторонними системами, в частности системами радиоастрономических наблюдений и с аэронавигационными службами. В свете указанной проблемы представляется оправданной заинтересованность в перемещении новых сигналов спутниковой навигации в менее загруженные частотные диапазоны.
Регламентом ITU радионавигационным линиям «космос–Земля» помимо упомянутого диапазона L выделены узкие спектральные полосы в диапазонах S, C и Ku. С учетом конфликта функционирующей версии ГНСС ГЛОНАСС с радиоастрономической службой в диапазоне L при проектировании новых радиоинтерфейсов требуется с особой тщательностью подойти к выбору модуляционных форматов навигационных систем с тем, чтобы уложиться в жесткие нормы ITU по проникновению стороннего излучения в смежные диапазоны. Тем самым набор приоритетных требований к сигналу дополняется ограничениями на компактность спектра
Традиционные для ГНСС навигационные сигналы (НС) с бинарной фазовой модуляцией обладают высоким уровнем внеполосного излучения и требуют введения режекции спектральных компонент в конфликтной частотной области, приводящей к паразитной амплитудной модуляции фильтрованного НС. Последнее вынуждает разработчиков устанавливать фильтрующие каскады после усилителя мощности, что приводит к ухудшению их массогабаритных характеристик и снижению полезной отдачи передатчика.
Радикальное решение указанной проблемы состоит в переходе от стандартной фазовой модуляции к спектрально-эффективным форматам, в частности, к модуляции с непрерывной фазой. В то же время решиться на подобный шаг можно лишь оценив возможные последствия от их применения.
Названные факторы обуславливают актуальность исследований по поиску подходящих спектрально-эффективных модуляционных форматов, всестороннему
анализу их характеристик и уточнению их параметров для конкретных частотных диапазонов.
Цели и задачи работы. Целью диссертационной работы является выработка предложений по оптимизации модуляционного формата навигационного сигнала ГНСС ГЛОНАСС с учетом ограничений на уровень внеполосных излучений. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе предстояло решить следующие задачи:
на основе обзора литературных источников, рассмотреть подходы к решению проблемы электромагнитной совместимости ГНСС L диапазона со сторонними системами;
систематизировать критерии выбора модуляционных форматов для новых частотных диапазонов;
проанализировать теоретические решения задачи оптимизации формы посылки по критериям минимума внеполосных излучений и максимума энергии сигнала в заданной полосе;
принять для дальнейшего рассмотрения конкретные формы спектрально-эффективной модуляции;
выполнить детальный теоретический и численный анализ характеристик НС, построенных на основе выбранных модуляционных форматов и сформулировать предложения по конкретизации их параметров.
Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач были использованы методы теории сигналов, теории вероятностей и математической статистики, гармонического анализа, численные методы и методы математического моделирования.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Для устранения имеющихся в навигационном сообществе разночтений в
интерпретации спектральных ограничений целесообразно опираться на определение
занимаемой полосы согласно статье 1.153 Регламента ITU.
2. Анализ конкретных видов частотной модуляции с непрерывной фазой (МНФ) и
полным откликом показал, что за счет усложнения закона угловой модуляции не удается
добиться дополнительного сужения регламентной полосы сигнала.
3. Спектрально-эффективные форматы с частичным откликом сводятся к
амплитудно-ограниченной суперпозиции фазоманипулированных квадратур. Применение
разложения в базисе Уолша позволяет локализовать полезные и комбинационные
составляющие сигнала.
4. В условиях фиксированного частотно-временного ресурса МНФ форматы
существенно выигрывают у ФМ форматов по точности измерения времени, иммунитету к
многолучевым эффектам, качеству фильтрации преднамеренных, внутрисистемных и
межсистемных помех.
5. Усложнение МЧМ за счет введения памяти (форматы с частичным откликом) или
нелинейного закона изменения фазы не сопровождаются дополнительными выигрышами
по перечисленным показателям.
Научная новизна работы. Диссертация посвящена улучшению электромагнитной совместимости сигналов спутниковых радионавигационных систем с кодовым разделением со службами, работающими в соседних диапазонах, за счет применения спектрально-эффективной модуляции. В частности, новыми являются следующие результаты:
Предложен модуляционный формат НС, построенный на основе оффсетной КФМ с синусоидальным чипом и памятью L = 2. Показано, что при амплитудном ограничении указанный формат относится к классу МНФ с памятью.
Получено разложение МНФ сигнала с памятью L = 2 в базисе Уолша, разделены полезные и комбинационные составляющие, проанализирована спектральная эффективность формата МЧМ с памятью.
Получено аналитическое выражение для численного расчета автокорреляционной функции МНФ сигнала с произвольными объемом памяти и законом изменения частоты.
В рамках жесткого спектрального регламента исследованы важнейшие характеристики НС со спектрально-эффективной модуляцией: потенциальная точность оценки радионавигационных параметров, устойчивость к многолучевой помехе при измерении времени прихода сигнала, иммунитет к преднамеренным помехам, качество фильтрации внутрисистемных и межсистемных помех, а также совместимость с радиоастрономическим диапазоном.
Практическая ценность работы. Основным практическим выходом работы является обоснование преимуществ спектрально-эффективных модуляционных форматов в плане таких тактических показателей ГНСС как потенциальная точность определения псевдодальности, устойчивость к многолучевым помехам, иммунитет к помехе множественного доступа и т.д. в условиях жестких требований к компактности спектров сигналов.
Внедрение результатов работы. Теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы в НИР, выполненных в рамках следующих грантов и федеральных целевых программ:
-
федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. «Разработка архитектуры радиоинтерфейса будущего сегмента ГЛОНАСС Ku диапазона» (соглашение № 14.В37.21.0432 от 01 сентября 2012 г.);
-
федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. «Алгоритмические методы исключения многолучевой погрешности из спутниковых радионавигационных измерений в рамках спектрально-эффективных форматов модуляции сигналов ГЛОНАСС/GPS» (государственный контракт № 14.740.11.1325 от 27 июня 2011 г.);
-
грант РФФИ: 12-07-31187 мол_а по теме «Двухлучевые модели многолучевости в ГНСС ГЛОНАСС и GPS в применении к спектрально-эффективным и BOC-сигналам»;
-
грант «Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» по программе «У.М.Н.И.К.» «Разработка предложений по оптимизации формы спектрально-эффективных сигналов с целью минимизации побочных излучений» (соглашение №105ГУ1/2013 от 07.10.2013).
-
«Разработка и исследование архитектуры, пользовательских интерфейсов и информационных технологий нового поколения радиоэлектронных комплексов и сетей сбора, передачи и обработки информации», шифр РС-109, 2011-2013 гг.
-
«Исследование методов моделирования и классификации сигналов радиотехнических систем», шифр РС-102, 2012-2013 гг.
Теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы при проведении НИР «Сигнал» в ОАО «Российский институт радионавигации и времени (РИРВ)» 2011-2012 гг.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на 66-68-й научных сессиях, посвященных Дню Радио (СПб, 2011, 2012, 2013); на V всероссийской научно-технической конференции «Радиолокация и связь» (Москва, 2011); на VIII-IX международных молодежных научно-технических конференциях «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций» (Севастополь, 2012, 2013); на научно-технической школе-семинаре «Инфокоммуникационные технологии в цифровом мире» (СПб, 2012); на 64-66-й конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (СПб, 2011, 2012, 2013).
Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 5 в центральных рецензируемых научных журналах, рекомендованных перечнем ВАК, и 8 в сборниках трудов научных конференций. Получено свидетельство о регистрации одной программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка и содержит 136 страниц машинописного текста, 24 рисунка, 21 таблицу. Библиографический список включает 107 наименований.
Электромагнитная совместимость СРНС на текущем этапе развития
Актуальность работы. Современные приложения радионавигации космического базирования чрезвычайно многообразны. В настоящее время гражданскому потребителю доступны две равноценные и взаимодополняющие глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС): GPS и ГЛО-НАСС. На стадии тестирования находятся ГНСС Galileo, продвигаемая Европейским Сообществом, и китайская ГНСС BeiDou. Кроме того, Япония начала практическое развертывание региональной навигационной спутниковой системы (РНСС) QZSS (Quasi-Zenith Satellite System), которую можно считать функциональным дополнением GPS. Одновременно Индия планирует развертывание собственной РНСС IRNSS двойного применения.
Названные ГНСС и РНСС как действующие, так и планируемые к осуществлению занимают различные участки спектра в диапазоне L. Существенное наращивание числа систем, занимающих одни и те же полосы, неизбежно ведет к коллизиям, как между ними, так и со сторонними системами, в частности системами радиоастрономических наблюдений и с аэронавигационными службами. В свете указанной проблемы представляется оправданной заинтересованность в перемещении новых сигналов спутниковой навигации в менее загруженные частотные диапазоны.
Регламентом ITU радионавигационным линиям «космос–Земля» помимо упомянутого диапазона L выделены узкие спектральные полосы в диапазонах S, C и Ku. С учетом конфликта функционирующей версии ГНСС ГЛОНАСС с радиоастрономической службой в диапазоне L при проектировании новых радиоинтерфейсов требуется с особой тщательностью подойти к выбору модуляционных форматов навигационных систем с тем, чтобы уложиться в жесткие нормы ITU по проникновению стороннего излучения в смежные диапазоны. Тем самым набор приоритетных требований к сигналу дополняется ограничениями на компактность спектра
Традиционные для ГНСС навигационные сигналы (НС) с бинарной фа 9 зовой модуляцией обладают высоким уровнем внеполосного излучения и требуют введения режекции спектральных компонент в конфликтной частотной области, приводящей к паразитной амплитудной модуляции фильтрованного НС. Последнее вынуждает разработчиков устанавливать фильтрующие каскады после усилителя мощности, что приводит к ухудшению их мас-согабаритных характеристик и снижению полезной отдачи передатчика.
Радикальное решение указанной проблемы состоит в переходе от стандартной фазовой модуляции к спектрально-эффективным форматам, в частности, к модуляции с непрерывной фазой. В то же время решиться на подобный шаг можно лишь оценив возможные последствия от их применения.
Названные факторы обуславливают актуальность исследований по поиску подходящих спектрально-эффективных модуляционных форматов, всестороннему анализу их характеристик и уточнению их параметров для конкретных частотных диапазонов.
Цели и задачи работы. Целью диссертационной работы является выработка предложений по оптимизации модуляционного формата навигационного сигнала ГНСС ГЛОНАСС с учетом ограничений на уровень внеполосных излучений. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе предстояло решить следующие задачи: на основе обзора литературных источников, рассмотреть подходы к решению проблемы электромагнитной совместимости ГНСС L диапазона со сторонними системами; систематизировать критерии выбора модуляционных форматов для новых частотных диапазонов; проанализировать теоретические решения задачи оптимизации формы посылки по критериям минимума внеполосных излучений и максимума энергии сигнала в заданной полосе; принять для дальнейшего рассмотрения конкретные формы спектрально-эффективной модуляции; выполнить детальный теоретический и численный анализ характеристик НС, построенных на основе выбранных модуляционных форматов и сформулировать предложения по конкретизации их параметров.
Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач были использованы методы теории сигналов, теории вероятностей и математической статистики, гармонического анализа, численные методы и методы математического моделирования.
Научная новизна работы. Диссертация посвящена улучшению электромагнитной совместимости сигналов СРНС с кодовым разделением со службами, работающими в соседних диапазонах, за счет применения спектрально-эффективной модуляции. В частности, новыми являются следующие результаты:
Предложен модуляционный формат НС, построенный на основе оф-фсетной КФМ с синусоидальным чипом и памятью L=2. Показано, что при амплитудном ограничении указанный формат относится к классу МНФ с памятью.
Получено разложение МНФ сигнала с памятью L=2 в базисе Уолша, разделены полезные и комбинационные составляющие, проанализирована спектральная эффективность формата МЧМ с памятью. Получено аналитическое выражение для численного расчета автокорреляционной функции МНФ сигнала с произвольным объемом памяти и законом изменения частоты.
Частотная модуляция с непрерывной фазой и полным откликом
В публикациях зарубежных исследователей [51 - 55, 57 - 58] настойчиво пропагандируется освоение диапазонов S и C. Описываемые в [53-55] приложения гипотетической ГНСС S диапазона построены на взаимодействии с системой мобильной спутниковой связи Globalstar, эксплуатирующей полосу частот 2483,5-2500 МГц на первичной основе во всех трех районах. Список предлагаемых навигационных сервисов содержит, в частности: - точное позиционирование и временную синхронизацию терминалов Glo-balstar без использования сигналов L1/E1 GPS или Galileo; - использование сигналов Globalstar для поддержки поиска сигналов других ГНСС в закрытых помещениях; - привлечение наземного сегмента ГНСС S-диапазона для определения орбитальных параметров спутников Globalstar; - использование линии «вниз» систем мобильной спутниковой связи для передачи навигационных данных на терминалы со встроенными приемными модулями ГНСС; - использование сигнала S-диапазона в комбинации с сигналами РНСС Beidou и IRNSS для позиционирования по нескольким созвездиям КА.
К указанным приложениям также можно добавить, что введение сигнала S-диапазона способно повысить точность коррекции ионосферной погрешности второго порядка за счет проведения трехчастотного определения псевдодальности. Однако перспективы использования данного диапазона для ГНСС неоднозначны из-за районных ограничений, отмеченных в предыдущем разделе.
В этом плане свобода проникновения в диапазон C ничем не скована. Преимуществам данного перехода посвящены публикации [51, 52, 55, 57]. В частности, в [52] предложены конкретные сервисы C-диапазона для ГНСС Galileo. В рассматриваемом участке спектра предполагается организовать две разновидности служб, первая из которых SPR-C (Service with Precision and Robustness) призвана обеспечить глобальное робастное покрытие с предоставлени ем профессиональным навигаторам поддержки в условиях деградации сигналов диапазона L, а вторая PRS-C (Public Regulated Service) задумана как ро-бастное дополнение к базовому сервису диапазонов E1 и E6 Galileo, покрывающее два пятна на земной поверхности диаметром 1500 км, местоположение которых может гибко меняться в соответствии с нуждами пользователей. Кадр таких навигационных сообщений должен содержать данные особой ценности, способные существенно понизить погрешность позиционирования и доступные только авторизованным пользователям. Также навигационные сигналы С-диапазона эксплуатируются РНСС CAPS (Chinese Area Positioning System) [58], что связано с близостью ресурса диапазона L к исчерпанию (см. 1.7).
Самая «верхняя» из выделенных для радионавигации полос диапазона Ku (14,3-14,4 ГГц) наименее пригодна для организации массовой спутниковой навигационной службы, предполагающей использование ненаправленных антенн на приемной стороне, из-за малой эффективной площади антенны с усилением 3 дБ. В силу этого и других фактов (см. 1.8.1) диапазон Ku в зарубежных публикациях исключен из списка реальных кандидатов для организации линий «вниз» систем спутниковой навигации [50]. В противоположность этому у Российской Федерации имеется намерение обратиться в регламентирующие инстанции с заявкой на размещение в диапазоне Ku сигналов спутников навигационного назначения. В настоящее время ведутся работы по созданию корабельного комплекса коррекции курсоуказания, основанного на пеленговании КА ГЛОНАСС-К [59]. На приемной стороне системы необходима остронаправленная антенна с усилением порядка 40 дБ. По требуемой точности пеленгования в сочетании со стремлением снизить габариты антенны потребителя наиболее подходящим диапазоном для организации такого сервиса среди разрешенных оказывается именно диапазон Ku. Таким образом, резервный навигационный канал, практически не подверженный ионосферной рефракции и мало чувствительный к сцинтилляциям (см. таблицу 1.4), а значит потенциально выигрывающий у каналов L-диапазона в точностном ресурсе, может быть организован за счет наделения угломерного сигнала в полосе Ku навигационными функциями. Описанная услуга адресована лицензированным пользователям, готовым идти на дополнительные затраты, связанные с усложнением пользовательской аппаратуры.
Данную главу можно условно разбить на две части. В первой были приведены общие сведения о современных СРНС, их структуре, принципах работы и направлениях модернизации их радиоинтерфейсов. Далее довольно подробно рассмотрен предмет диссертационной работы - проблема электромагнитной совместимости СРНС как функционирующих, так и планируемых к осуществлению. Отмечена заинтересованность современных СРНС в перемещении новых сигналов в менее загруженные частотные диапазоны.
Вторая часть главы посвящена анализу последствий указанного перемещения. В результате проведенного исследования, несмотря на имеющиеся недостатки, наиболее интересным для ГНСС ГЛОНАСС среди перспективных частотных диапазонов оказался диапазон Ku. Вследствие этого модернизацию пользовательского радиоинтерфейса ГНСС ГЛОНАСС следует осуществить с ориентацией на диапазоны Ku и L1.
Восстановление формы чипа по заданному закону угловой модуляции
В публикациях зарубежных исследователей [51 - 55, 57 - 58] настойчиво пропагандируется освоение диапазонов S и C. Описываемые в [53-55] приложения гипотетической ГНСС S диапазона построены на взаимодействии с системой мобильной спутниковой связи Globalstar, эксплуатирующей полосу частот 2483,5-2500 МГц на первичной основе во всех трех районах. Список предлагаемых навигационных сервисов содержит, в частности: - точное позиционирование и временную синхронизацию терминалов Glo-balstar без использования сигналов L1/E1 GPS или Galileo; - использование сигналов Globalstar для поддержки поиска сигналов других ГНСС в закрытых помещениях; - привлечение наземного сегмента ГНСС S-диапазона для определения орбитальных параметров спутников Globalstar; - использование линии «вниз» систем мобильной спутниковой связи для передачи навигационных данных на терминалы со встроенными приемными модулями ГНСС; - использование сигнала S-диапазона в комбинации с сигналами РНСС Beidou и IRNSS для позиционирования по нескольким созвездиям КА.
К указанным приложениям также можно добавить, что введение сигнала S-диапазона способно повысить точность коррекции ионосферной погрешности второго порядка за счет проведения трехчастотного определения псевдодальности. Однако перспективы использования данного диапазона для ГНСС неоднозначны из-за районных ограничений, отмеченных в предыдущем разделе.
В этом плане свобода проникновения в диапазон C ничем не скована. Преимуществам данного перехода посвящены публикации [51, 52, 55, 57]. В частности, в [52] предложены конкретные сервисы C-диапазона для ГНСС Galileo. В рассматриваемом участке спектра предполагается организовать две разновидности служб, первая из которых SPR-C (Service with Precision and Robustness) призвана обеспечить глобальное робастное покрытие с предоставлени ем профессиональным навигаторам поддержки в условиях деградации сигналов диапазона L, а вторая PRS-C (Public Regulated Service) задумана как ро-бастное дополнение к базовому сервису диапазонов E1 и E6 Galileo, покрывающее два пятна на земной поверхности диаметром 1500 км, местоположение которых может гибко меняться в соответствии с нуждами пользователей. Кадр таких навигационных сообщений должен содержать данные особой ценности, способные существенно понизить погрешность позиционирования и доступные только авторизованным пользователям. Также навигационные сигналы С-диапазона эксплуатируются РНСС CAPS (Chinese Area Positioning System) [58], что связано с близостью ресурса диапазона L к исчерпанию (см. 1.7).
Самая «верхняя» из выделенных для радионавигации полос диапазона Ku (14,3-14,4 ГГц) наименее пригодна для организации массовой спутниковой навигационной службы, предполагающей использование ненаправленных антенн на приемной стороне, из-за малой эффективной площади антенны с усилением 3 дБ. В силу этого и других фактов (см. 1.8.1) диапазон Ku в зарубежных публикациях исключен из списка реальных кандидатов для организации линий «вниз» систем спутниковой навигации [50]. В противоположность этому у Российской Федерации имеется намерение обратиться в регламентирующие инстанции с заявкой на размещение в диапазоне Ku сигналов спутников навигационного назначения. В настоящее время ведутся работы по созданию корабельного комплекса коррекции курсоуказания, основанного на пеленговании КА ГЛОНАСС-К [59]. На приемной стороне системы необходима остронаправленная антенна с усилением порядка 40 дБ. По требуемой точности пеленгования в сочетании со стремлением снизить габариты антенны потребителя наиболее подходящим диапазоном для организации такого сервиса среди разрешенных оказывается именно диапазон Ku. Таким образом, резервный навигационный канал, практически не подверженный ионосферной рефракции и мало чувствительный к сцинтилляциям (см. таблицу 1.4), а значит потенциально выигрывающий у каналов L-диапазона в точностном ресурсе, может быть организован за счет наделения угломерного сигнала в полосе Ku навигационными функциями. Описанная услуга адресована лицензированным пользователям, готовым идти на дополнительные затраты, связанные с усложнением пользовательской аппаратуры.
Данную главу можно условно разбить на две части. В первой были приведены общие сведения о современных СРНС, их структуре, принципах работы и направлениях модернизации их радиоинтерфейсов. Далее довольно подробно рассмотрен предмет диссертационной работы - проблема электромагнитной совместимости СРНС как функционирующих, так и планируемых к осуществлению. Отмечена заинтересованность современных СРНС в перемещении новых сигналов в менее загруженные частотные диапазоны.
Вторая часть главы посвящена анализу последствий указанного перемещения. В результате проведенного исследования, несмотря на имеющиеся недостатки, наиболее интересным для ГНСС ГЛОНАСС среди перспективных частотных диапазонов оказался диапазон Ku. Вследствие этого модернизацию пользовательского радиоинтерфейса ГНСС ГЛОНАСС следует осуществить с ориентацией на диапазоны Ku и L1.
Потенциальная точность оценки запаздывания в присутствии многолучевой помехи
Как показывает сравнение (4.18) и (4.19), в рамках фиксированного частотно-временного ресурса МЧМ выигрывает у ФМ в средней мощности ПМД около 10 дБ.
Для рассматриваемых видов МНФ аналитические выкладки громоздки, тогда как прямой расчет с построением массива (3.38), нахождением а2 из (2.2) и численным интегрированием в (4.17) достаточно прост.
Итоги численного анализа, сведенные в таблицу 4.3, явно свидетельствуют о преимуществе обычной МЧМ по отношению к альтернативным вариантам МНФ в уровне ПМД в условиях лимитированного частотно-временного ресурса. Подобная ситуация имеет место несмотря на то, что, скажем, ГМЧМ и МНФЧЛ, как видно из таблицы 4.1, обладают более узкой регламентной полосой, чем МЧМ. Физически это объясняется расширением АКФ сигнала, связанным с наличием памяти у форматов модуляции с частичным откликом. Растяжение главного лепестка АКФ фактически эквивалентно сокращению числа посылок, приходящихся на фиксированный временной интервал Г, пропорционально снижающему эффективность фильтрации ПМД в процессе вычисления статистики (4.12).
В этом свете вывод авторов работы [55] об ожидаемых выгодах от применения МНФ с памятью, в частности ГМЧМ, для синтеза спектрально-эффективных CDMA-сигнатур утрачивает убедительность.
Не дают положительного эффекта и усложнения МНФ с полным откликом в версиях МНФА и МНФП, хотя, в отличие от классической МЧМ, для них непрерывна не только мгновенная фаза, но и ее производная. За счет этого темп убывания их спектра на 20 дБ на декаду выше, что, однако, сопровождается не сужением, а, напротив, расширением регламентной полосы из-за одновременного расширения основного лепестка спектра. Как следствие, для удержания регламентной полосы в требуемых пределах пришлось бы увеличить длительность посылки, т. е., в конечном счете, опять же расширить АКФ, снизив качество подавления ПМД.
Иммунитет к преднамеренным помехам Как и ПМД, преднамеренная помеха, не являющаяся имитационной, т.е. репликой полезного сигнала, в приемнике декоррелируется ослабляясь примерно в N раз, где N - снова длина обрабатываемого сегмента дальномерно-го кода, зависящая от модуляционного формата. Так, удержание фиксированной регламентной полосы для спектрально-эффективного сигнала оказывается возможным при более коротких чипах, что означает увеличение N и улучшение фильтрации помехи.
Рассмотрим вначале приемник, не адаптируемый к помехе, т.е. обрабатывающий сигнал фильтром, согласованным с сигналом в расчете на белый шум. Наиболее опасным видом помехи в данной ситуации оказывается помеха, спектр мощности которой целиком сосредоточен на частоте максимума спектра сигнала [104], поэтому при синтезе сигнала с ориентацией на такой тип помехи, необходимо стремиться к тому, чтобы спектр сигнала был как можно ближе к равномерному. В рамках приведенного сценария полосное ограничение в приемном тракте играет абсолютно вторичную роль и может игнорироваться. В этом случае отношение сигнал-помеха q2j на выходе фильтра, согласованного с сигнальным отрезком длительности T (период дальномерного кода) энергия, спектральная плотность и частота максимума амплитудно-частотного спектра однопериодного сигнального сегмента; J1 и J2 - входная и выходная мощности преднамеренной помехи, соответственно. Для модуляционных форматов с полным откликом, представляющих собой последовательность неперекрывающихся чипов 0(0 длительности А выигрыш в отношении сигнал-помеха где Р - средняя мощность на выходе согласованного фильтра. Знаменатель (4.20) представляет собой максимум энергетического спектра обрабатываемого отрезка сигнала. Для рассматриваемых модуляционных форматов этот максимум располагается на нулевой частоте, являясь преобразованием Фурье от автокорреляции сигнала R{x) в точке fm=0 (см. 2.2 и 3.6). Поскольку АКФ дальномерного кода должна быть близка к идеальной R(x) - есть нормированная АКФ чипа Р0 (х), масштабированная множителем Е = PNA . Тогда 2
Приведенные результаты легко распространить на модуляционные форматы с памятью, заменив в выражении (4.21) величину А на 8, а под р0 (т) понимая найденную численно нормированную АКФ сигнала (3.38). Рассчитанные значения щ для всех рассмотренных модуляционных форматов приведены в таблице 4.4. Как можно видеть в рамках единого частотно-временного ресурса МНФ выигрывают у БФМ в плане иммунитета к сосредоточенной помехе от 8,4 дБ до 10 дБ (в случае МНФА и МЧМ, соответственно).
Похожие диссертации на Синтез спектрально-эффективных сигналов для навигационных интерфейсов нового поколения
