Содержание к диссертации
Введение
1. Методы улучшения характеристик канала передачи данных при комплексировании средств радиосвязи и радионавигации для решения задач навигации и посадки ВС и УВД с автоматическим зависимым наблюдением 15
1.1. Требования к каналам передачи данных в системах навигации, посадки и системах УВД с автоматическим зависимым наблюдением на основе спутниковой РНС 15
1.2. Уменьшение позиционных ошибок местоопределения ВС при автоматической передаче навигационных данных с борта ВС в центр УВД за счет совершенствования системы синхронизации связного канала 27
1.3. Улучшение характеристик канала передачи данных в комплексированных системах связи и навигации за счет использования навигационной поддержки 36
1.4. Выводы по главе 1 41
2. Имитационное моделирование помех в каналах передачи навигационных поправок в спутниковых системах навигации и посадки и навигационных данных в системах УВД с автоматическим зависимым наблюдениям 43
2.1. Анализ характеристик помех в каналах передачи данных дифференциальных подсистем спутниковых РНС и систем УВД с автоматическим зависимым наблюдением 43
2.2. Формирование модели атмосферных и индустриальных помех в авиационных каналах передачи данных, учитывающей эксплуатационные условия 48
2.3. Выводы по главе 2 65
3. Анализ эффективности помехоустойчивого кодирования в каналах передачи данных спутниковых систем навигации и посадки и систем УВД с автоматическим зависимым наблюдением в условиях квазиимпульсных помех при корреляционной обработке 66
3.1. Потенциальная эффективность систем передачи данных по каналам связи с негауссовыми квазиимпульсными помехами . 66
3.2. Анализ помехоустойчивости и эффективности блочных кодов 72
3.3. Анализ помехоустойчивости и эффективности сверточных кодов 84
3.4. Сравнительный анализ эффективности блочных исверточных кодов при передаче данных по каналу с квазиимпульсными помехами и корреляционной обработке . 89
3.5. Выводы по главе 3 91
4. Анализ эффективности помехоустойчивого кодирования в каналах передачи данных спутниковых систем навигации и посадки и систем УВД с автоматическим зависимым наблюдением в условиях квазиимпульсных помех при квазиоптимальной обработке 92
4.1. Анализ помехоустойчивости квазиоптимального алгоритма обработки в условиях действия квазиимпульсных помех 92
4.2. Анализ помехоустойчивости канала передачи данных при квазиоптимальной обработке и блочном кодировании 97
4.3. Анализ помехоустойчивости канала передачи данных при квазиоптимальной обработке и сверточном кодировании 101
4.4. Сравнительный анализ эффективности блочных и и сверточных кодов при передаче данных по каналу с квази импульсными помехами и квазиоптимальной обработке... 103
4.5. Выводы по главе 4 106
Заключение 108
Список использованных источников
- Уменьшение позиционных ошибок местоопределения ВС при автоматической передаче навигационных данных с борта ВС в центр УВД за счет совершенствования системы синхронизации связного канала
- Формирование модели атмосферных и индустриальных помех в авиационных каналах передачи данных, учитывающей эксплуатационные условия
- Анализ помехоустойчивости и эффективности блочных кодов
- Анализ помехоустойчивости канала передачи данных при квазиоптимальной обработке и блочном кодировании
Введение к работе
Актуальность работы. Повышение точности местоопределения воздушного судна (ВС) с помощью бортовых средств навигации, связанное, в первую очередь, с внедрением в практику самолетовождения спутниковых радионавигационных систем (СРЫС) типа ГЛОНАСС (РФ) и GPS (США), делает возможным и целесообразным расширение функциональных возможностей высокоточных средств навигации.
Преимущества спутниковых систем навигации достаточно глубоко проанализированы в ряде известных работ [1 - 5]. Основным их достоинством, как отмечалось, является повышенная точность определения вектора местоположения ВС, на порядок и более превышающая точности, реализуемые в РНС с наземным базированием опорных станций [6]. К тому же вектор состояния ВС, оцениваемый в СРНС, содержит в общем случае расширенный набор навигационных параметров (НП) и включает в себя четырехмерный вектор координат и сдвига бортовой шкалы времени (БШВ) ВС относительно шкалы времени системы (л:, у, z, Аґ) и четырех-
( Л
мерный вектор скорости их изменения л;, у, z, At . Такой набор НП полностью перекрывает требования разнообразных навигационных задач (НЗ), обеспечивая пользователей трехмерной маршрутной навигацией с привязкой к системе точного времени в любой точке Земного шара.
Тем не менее существует несколько НЗ, для решения которых традиционно используются узкоспециализированные системы. К ним, в частности, относятся задачи захода на посадку и посадки ВС, задачи ближней навигации, управления воздушным движением (УВД).
Между тем большая часть проблем навигации ВС и УВД может быть решена комплексно при использовании СРНС, в чем и состоит переход на спутниковую технологию в рамках реализации концепции создания интегрированного оборудования навигации, посадки, связи и наблюдения (CNS/ATM).
Расширение функций СРНС, предназначавшихся первоначально для обеспечения трассовой навигации, вызвало к жизни появление дифференциальных подсистем, включающих в себя помимо навигационного оборудования аппаратуру связи для передачи корректирующей информации, так называемых навигационных поправок. К ним относятся, в частности, широкозонные дифференциальные подсистемы (ШДПС) типа WAAS [7],
EGNOS [8] и MSAS [9], предназначенные для обеспечения уровней доступности, целостности и точности, соответствующих требованиям RNP [10, 11], то есть требуемым навигационным характеристикам (ТНХ), предъявляемым к основным системам обеспечения самолетовождения на всех этапах полета вплоть до захода на посадку по 1-й категории посадки ИКАО, для Северо-Атлантического, Европейского и Тихоокеанского зон Земного шара, соответственно.
Повышение уровней точности, доступности и целостности (с применением RAIM - автономного контроля целостности в аппаратуре потребителей (АП)) достигается увеличением числа навигационных космических аппаратов (КА) СРНС за счет использования связных геостационарных КА (ПСА) типа Инмарсат, на которых устанавливается ретранслятор навигационных сигналов СРНС, а также развертыванием сети широкозонных корректирующих (ШКС), главных (ГКС) станций и наземных станций передачи данных (НСПД), осуществляющих, соответственно, сбор данных о состоянии навигационного поля, их обработку и передачу корректирующей информации на ГКА и потребителям.
В РФ в настоящее время высокие требования к навигационному обеспечению ВС частично удовлетворяются с помощью наземного и бортового оборудования радиотехнических систем ближней навигации (РСБН, маяки VOR/ДМЕ), приводных радиостанций (ПРС), метровых и дециметровых систем типа ИЛС и ПРМГ. Соответствующее бортовое оборудование имеется на большинстве ВС. Эти системы, разработанные еще в 50-х годах, морально и физически устарели. Кроме того, существующая аэронавигационная система не полной мере удовлетворяет требованиям к регулярности полетов ВС, не полностью охватывает районы полетов (например, кроссполярные и трансполярные трассы), а также не учитывает новые тенденции развития навигационного обеспечения ВС в рамках концепции CNS/ATM.
Приказом ФАС РФ № 61 от 1998г. начато оборудование ВС бортовой аппаратурой СРНС ГЛОНАСС и GPS в качестве дополнительного средства применительно к полетам по маршруту. Однако наибольшие выгоды при использовании СРНС получаются в том случае, если они имеют статус основных средств на всех этапах полета ВС, включая заход на посадку и саму посадку, что может быть обеспечено с помощью дополнений СРНС - широкозонных и локальных дифференциальных подсистем (ШДПС и ЛДПС).
С учетом того, что ШДПС EGNOS и MSAS, развертывание которых предполагается в ближайшее время, покрывают большую часть территории РФ, а также с учетом значительного морального и физического износа существующих средств навигационного обеспечения полетов ВС, в первую очередь РСБН и ПРМГ, обсуждается вопрос о размещении на территории РФ ШКС, ГКС и НСПД интегрированной ШДПС EGNOS и MSAS [12].
Реализация этих предложений позволит существенно сократить расходы РФ на оборудование трасс и аэродромов для посадки по 1-й категории ИКАО, а также обеспечить у нас полеты зарубежных ВС, оборудованных перспективным спутниковым оборудованием.
Кроме того, это облегчит решение задачи автоматизации УВД путем внедрения перспективной технологии автоматического зависимого наблюдения (АЗН), при которой навигационные данные о местоположении ВС, полученные в СРНС и уточненные за счет дополнения ее ШДПС, передаются в систему УВД. При этом, если для передачи данных используется спутниковая система связи (ССС) типа Инмарсат, то при размещении Земной станции (ЗС) системы в зональном центре (ЗЦ) УВД дальнейшая передача данных в районные центры (РЦ) может осуществляться традиционными средствами с помощью ДКМВ и MB станций, оснащенных модемом. Заметим, что функции ЗС очевидно могут выполнять и НСПД, входящие в ШДПС.
Согласно анализу, проведенному в [12], если исключить расположение ШКС, ГКС и НСПД интегрированной ШДПС EGNOS и MSAS в труднодоступных районах Сибири и Крайнего Севера, то «неприкрытым» районом оказывается северо-восток РФ. Для обеспечения посадки ВС в этом районе (на широтах свыше 65-70) должны использоваться ЛДПС. Целесообразность испочьзозания ЛДПС,в остальных районах РФ обусловлена также необходимостью обеспечения категорированной посадки ВС (по 2-й, а в перспективе и 3-й категориям ИКАО).
Комплексирование средств радиосвязи и радионавигации для решения задач навигации и посадки ВС и УВД с автоматическим зависимым наблюдением требует исследования взаимного влияния комплексируемых систем. С одной стороны, при автоматической передаче навигационных данных по каналу связи конечное время синхронизации последнего приводит к возникновению позиционных ошибок местоопределения ВС за счет «старения» навигационных данных. Соответственно, возникает проблема
поиска путей уменьшения этих ошибок за счет совершенствования системы синхронизации связного канала.
С другой стороны, при комллексировании средств радиосвязи и радионавигации появляется возможность улучшения характеристик связного канала путем его навигационной поддержки, физическими предпосылками к чему являются наличие функционально связанных параметров связных и навигационных сигналов и информационная избыточность измерений.
Авиационные ЛДПС СРНС обеспечивают максимальную дальность действия от контрольно-корректирующей станции (ККС) до 50 км. Позиция ИКАО относительно формата сообщений и радиоканала для авиационных ЛДПС нашла отражение в стандарте SARPS по глобальным спутниковым навигационным системам (GNSS) 1999г., в котором учитывается стандарт ІІТСА/ДО-217 по минимальным характеристикам авиационных систем [13], подготовленный Радиотехнической комиссией по авиации США.
В соответствии с этим стандартом разработан ряд систем, предназначенных для обеспечения полетов ВС гражданской авиации [14 - 16]. Линия передачи данных (ЛПД) указанных систем использует MB диапазон частот (108 - 118 МГц). Формат сообщения ЛПД включает: служебную последовательность, информационный массив, корректирующую кодовую последовательность (FEC-Forward Error Correction) и вспомогательные символы.
Следует отметить, что MB диапазон частот существенно сильнее подвержен воздействию помех, нежели L-диапазон, в котором осуществляется передача навигационных сигналов СРНС ГЛОНАСС и GPS [3]. Это обусловлено тем, что индустриальные помехи, имеющие преимущественно импульсный характер и являющиеся одними из основных внешних помех радиоприему, имеют достаточно высокий уровень до частот порядка 1 ГГц в черте города и до частот порядка 300 МГц в пригороде [17, 18]. Если учесть, что аэропорты расположены преимущественно в пригороде, а также то, что имеет место тенденция приближения к ним основных транспортных магистралей (автомобильных и железнодорожных), являющихся одними из основных источников помех, то можно заключить, что на линии передачи данных ЛДПС СРНС индустриальные помехи должны оказывать существенное влияние. Еще более остро проблема помехозащищенности линий передачи данных стоит в системах УВД A3II, работающих в диапазонах, отведенных гражданской авиации для радиосвязи: 2-30 МГц
(ДКМВ), 118-135 МГц (MB). Это связано с тем, что в ДКМВ диапазоне помимо индустриальных помех существенное влияние на работу линий передачи оказывают атмосферные помехи [19, 20], имеющие, также как и индустриальные помехи, преимущественно импульсный характер. Из-за наличия гладкой («фоновой») компоненты указанные помехи относят к классу так называемых квазиимпульсных помех, входящих в более широкий класс негауссовьгх помех [21].
Актуальность исследования устойчивости авиационных каналов передачи данных к воздействию интенсивных атмосферных помех обусловлена возрастающими требованиями к регулярности полетов и, соответственно, имеющей место тенденцией к снижению норм метеоминимумов, поскольку уровень атмосферных помех напрямую связан с грозовой активностью атмосферы.
Таким образом, помехозащищенность каналов передачи навигационных поправок в спутниковых системах посадки и навигационных данных в системах УВД с АЗИ является наиболее «узким местом» указанных систем и в значительной мере определяет такие показатели надежности навигационного обеспечения ВС как доступность (готовность), мерой которой является вероятность работоспособности системы перед и в процессе выполнения той или иной задачи и непрерывность обслуживания, мерой которой является вероятность работоспособности системы в течение наиболее ответственных отрезков времени движения ВС (выполнения задачи) [3]. При этом в данном случае имеется ввиду нарушение работоспособности, связанное с помеховым воздействием на радиоканал, приводящее к сбоям в работе системы, своего рода восстанавливаемым отказам.
Анализ эффективности помехоустойчивого кодирования в каналах передачи данных с негауссовыми, в частности квазиимпульсными помехами, затруднен тем, что существующие методики ее оценки ориентированы на модель помехи в виде нормального (гауссова) шума [22,23].
Известен ряд моделей, описывающих помехи в MB и ДКМВ диапазонах [24, 25].
Общий недостаток этих моделей - невозможность получения двумерного совместного распределения амплитуды и фазы помехи в аналитическом виде, которое необходимо для оценки эффективности помехоустойчивых кодов при наличии коррелированных ошибок в каната, в частности пакетов ошибок, характерных для каналов с негауссовыми квазиимпульсными помехами типа атмосферных и индустриальных.
Другим препятствием для исследования характеристик помехоустойчивых кодов в цифровых каналах передачи данных с квазиимпульсными радиопомехами служит громоздкость традиционных процедур стохастического моделирования [26], предполагающих знание по крайней мере двумерного совместного распределения амплитуды и фазы помехи и использование метода Монте - Карло.
В связи с этим в настоящей работе предложена процедура имитационного моделирования негауссовых квазиимпульсных помех на основе распределений длительности выбросов помехи и интервалов между ними, полученных в рамках логарифмически нормальной модели [27]. Упомянутая процедура моделирования непосредственно не требует знания двумерного совместного распределения амплитуды и фазы помехи и обеспечивает хорошее совпадение с экспериментальными данными, причем затраты машинного времени при моделировании практически эквивалентны случаю гауссовых помех.
Методы модуляции, кодирования, разделения речи и данных, которые могут быть использованы при передаче цифровой информации по авиационным каналам связи чрезвычайно разнообразны. В [28, 29], дан обширный обзор литературы по этому вопросу. В настоящей работе при исследовании помехоустойчивых кодов рассматривался только один метод модуляции - двоичная ФМ, характеристики которого традиционно служит эталоном при сравнении различных процедур обработки.
Характеристики различных методов модуляции и помехоустойчивого кодирования для гауссова канала связи известны [30, 31]. Методы обработки цифровых сигналов при воздействии негауссовых квазиимпульсных помех тоже [32]. В то же время, эффективность использования различных помехоустойчивых кодов и процедур перемежения двоичных символов в сообщении для случая квазиимпульсных помех типа атмосферных и индустриальных исследованы недостаточно. Поэтому исследование вопросов применения помехоустойчивых кодов, определение границ их эффективного применения при наличии негауссовых квазиимпульсных радиопомех является актуальной задачей для разработки высокоэффективных систем обмена данными по авиационным цифровым каналам радиосвязи.
Для оценки эффективности применяемых методов модуляции и помехоустойчивого кодирования, а также создания и эксплуатации цифровых систем передачи данных по каналам с непреднамеренными квазиимпульсными помехами важное значение имеет знание потенциальной пропускной
способности, энергетической и частотной эффективности канала. Для га-уссового канала передачи информации эти характеристики были определены в работах [22, 23]. Методика, использованная в этих работах с небольшими изменениями может быть применена для численных расчетов указанных характеристик в рамках нормально-загрязненной модели [33] канала с квазиимпульсными помехами типа атмосферных и индустриальных. Полученные границы удельной пропускной способности канала, зависящие от степени импульсности и типа радиопомехи могут быть использованы для оценки эффективности помехоустойчивых кодов и процедур перемежения данных.
Помеховая обстановка, в которой приходится работать цифровым системам передачи данных на различных этапах полета (полеты по трассе, над неосвоенными и индустриально развитыми районами, полеты в сельской местности и маневрирование в зоне аэродрома), может сильно изменяться. Необходимо знать, как будут изменяться характеристики помехоустойчивости канала передачи данных с кодированием при изменении типа и импульсности помех при линейном и квазиоптимальном нелинейном приеме. Эти данные позволяют выбрать для определенного частотного диапазона подходящие методы кодирования, модуляции и обработки сигналов. Поэтому исследование характеристик помехоустойчивых кодов при линейном и нелинейном приеме в различной помеховой обстановке весьма актуально.
В работах [29, 30] показано, что в каналах с нестационарными гауссовыми и негауссовыми помехами при пакетировании ошибок, а также в каналах с межсимвольной интерференцией может оказаться полезной процедура переремежения данных на передающем конце и восстановления исходной последовательности данных на приемном (деперемежение). Поскольку для рассматриваемых каналов передачи данных с квазиимпульсными негауссовыми помехами характерен значительный процент выбросов, длительность которых превышает в два и более раз длительность одного канального символа [34], данные каналы можно отнести к каналам с пакетами ошибок, в связи с чем оценка эффективности различных процедур перемежения - деперемежения данных для них представляется актуальной.
Цель и задачи исследования. Целью работы является повышение достоверности передачи данных в спутниковых системах навигации и посадки и системах управления воздушным движением с автоматическим за-
висимым наблюдением в условиях действия интенсивных индустриальных и атмосферных помех.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
Определение требований к каналам передачи данных в системах навигации и посадки и управления воздушным движением с автоматическим зависимым наблюдением на основе спутниковой РНС.
Анализ возможности уменьшения позиционных ошибок местооп-ределения ВС при автоматической передаче навигационных данных с борта ВС в центр УВД за счет совершенствования системы синхронизации связного канала.
Анализ возможности улучшения характеристик канала передачи данных в комплексированных системах связи и навигации за счет навигационной поддержки системы синхронизации связного канала.
Теоретическое и экспериментальное обоснование выбора модели квазиимпульсных помех в авиационных каналах передачи данных MB и ДКМВ диапазонов и процедур их имитационного моделирования.
Оценка потенциальной пропускной способности, энергетической и частотной эффективности авиационных каналов передачи данных с негауссовыми квазиимпульсными помехами.
Анализ эффективности блочных и сверточных помехоустойчивых кодов и процедуры перемежения данных в условиях действия интенсивных индустриальных и атмосферных помех при корреляционной и квазиоптимальной обработке сигнала.
Методы исследований. В работе используются методы теории вероятностей, теории случайных процессов и статистических испытаний на ЭВМ.
Научная новизна работы. Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней впервые предложены методы улучшения характеристик канала передачи данных в комплексированных системах связи и навигации, основанные на совершенствовании системы синхронизации связного канала и его навигационной поддержке, а также с использованием аналитических моделей индустриальных и атмосферных помех и экспериментальных данных по ним методами имитационного моделирования произведен анализ эффективности использования помехоустойчивого кодирования для повышения достоверности передачи данных по MB и ДКМВ каналам в спутниковых системах навигации и посадки и системах
управления воздушным движением с автоматическим зависимым наблюдением.
В диссертации получены следующие основные научные результаты:
Предложен метод уменьшения позиционных ошибок местоопре-деления ВС при автоматической передаче навигационных данных с борта ВС в центр УВД за счет совершенствования системы синхронизации связного канала.
Синтезирован квазиоптимальный алгоритм совместной обработки дискретно-непрерывной информации системы передачи данных и сигналов с выхода приемоиндикатора спутниковой РНС и методами стохастического моделирования на ЭВМ произведен сравнительный анализ точностных и динамических характеристик комплексированной и некомплексирован-ной систем.
Дана оценка потенциальной частотной и энергетической эффективности канала передачи данных в спутниковых системах навигации и посадки и системах УВД с автоматическим зависимым наблюдением.
Предложена методика имитационного моделирования квазиимпульсных помех типа индустриальных и атмосферных с использованием-логарифмически нормальной модели огибающей импульсной составляющей квазиимпульсной помехи.
На основе предложенной методики моделирования квазиимпульсных помех дана оценка эффективности блочных и сверточных кодов, а также процедур перемежения данных в MB и ДКМВ каналах передачи данных в спутниковых системах навигации и посадки и системах УВД с автоматическим зависимым наблюдением при корреляционной и квазиоптимальной обработке сигнала.
На защиту выносятся:
Метод уменьшения позиционных ошибок местоопределения ВС при автоматической передаче навигационных данных с борта ВС в центр УВД за счет совершенствования системы синхронизации связного канала.
Алгоритм совместной обработки навигационной информации и информации, передаваемой по каналу передачи данных в комплексированной системе связи и навигации, предназначенной для обеспечения полетов воздушных судов.
Теоретическое и экспериментальное обоснование применимости при моделировании MB и ДКМВ каналов передачи данных имитационной модели квазиимпульсных помех типа индустриальных и атмосферных, ба-
зирующейся на аналитическом описании вероятностных характеристик выбросов огибающей помехи и экспериментальных данных о степени им-пульсности помехи.
Результаты оценки потенциальной энергетической и частотной эффективности MB и ДКМВ каналов передачи данных в системах навигации и посадки и системах УВД с автоматическим зависимым наблюдением на основе спутниковой РНС.
Результаты сравнительного анализа эффективности различных помехоустойчивых кодов и процедур перемежения данных и рекомендации по построению кодеков в MB и ДКМВ каналах передачи данных спутниковых систем навигации, посадки и УВД с автоматическим зависимым наблюдением в условиях действия интенсивных индустриальных и атмосферных помех.
Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют:
повысить достоверность передачи данных ло MB и ДКМВ каналам в спутниковых системах навигации и посадки и системах управления воздушным движением с автоматическим зависимым наблюдением;
улучшить точностные и динамические характеристики навигационного и связного каналов в комплексированных системах радионавигации и радиосвязи используемых для обеспечения навигации и посадки воздушных судов и управления воздушным движением;
повысить безопасность и регулярность полетов воздушных судов за счет уменьшения влияния индустриальных и атмосферных помех на качество функционирования систем навигации, посадки и управления воздушным движением.
Внедрение результатов. Основные результаты диссертационной работы внедрены в Московском конструкторсском бюро «Компас» и в МГТУ ГА, что подтверждено соответствующими актами.
Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались на Международной конференции Сибирского авиакосмического салона «САКС-2002» (г.Красноярск, Сибирская аэрокосмическая академия, 2002 г.) и на Международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества» (г.Москва, МГТУ ГА, 2003г.).
Публикация результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в 6 статьях и 4 тезисах докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения.
Основная часть диссертации содержит 118 страниц текста, 30 рисунков, 7 таблиц и библиографию из 82 наименования. Общий объем работы -121 страница.
Уменьшение позиционных ошибок местоопределения ВС при автоматической передаче навигационных данных с борта ВС в центр УВД за счет совершенствования системы синхронизации связного канала
Высокая точность местоопределения ВС с использованием СРНС типа GPS и ГЛОНАСС как отмечалось, делает технически возможным переход на перспективную технологию управления воздушным движением (УВД) с автоматическим зависимым наблюдением (АЗН), при которой навигационные данные, передаваемые по каналу связи в районный центр (РЦ) УВД, используются для осуществления управления воздушным движением в определенной области воздушного пространства.
Использование автоматической передачи навигационных данных с борта ВС в РЦ УВД позволяет повысить надежность навигационного обеспечения ВС и при традиционной технологии УВД. В этом случае использование указанного связного канала позволяет создать своего рода резервный контур УВД, повышающий надежность всей системы обеспечения полетов за счет более полного объема информации о воздушной обстановке, предоставляемой диспетчеру УВД при принятии решений.
Виды навигационных данных, которые могут быть переданы с борта ВС в РЦ при УВД с АЗН или использоваться диспетчером УВД, приведены в табл. 1.4. Здесь же приведены форматы соответствующих сообщений в десятичных и двоичных знаках.
Общий объем информационного сообщения о навигационных данных равен -(10 + 7+4) + (10 + 7 + 4)+10 + (7 + 7+4) + (7 + 7 + 4) + (7 + 10) = = 21 + 21 +30+18+18+17 =105дв.зн., Как видим, объем информационного сообщения относительно невелик и может быть передан с помощью одного стандартного сообщения, в котором согласно требований АРИНК-586 предусматривается объем информационного сообщения до 220 двоичных знаков.
Таким образом, требования по объему передаваемой информации к каналу связи, предназначенному для передачи навигационных данных при УВД с АЗН, практически совпадают с требованиями, предъявляемыми к каналу связи ЛДПС СРНС, предназначенной для решения задачи катего рированной посадки ВС. Соответственно, если принять цикл обновления данных в этих системах также одинаковым (Тобн, = 1 с), то в случае использования штатного среди ескоростного канала передачи данных со скоростями передачи &= 600 бит/сек или i9 = 1200 бит/сек необходим резерв передачи дополнительной информации QHae I Тобн. = 220 бит/сек. При использовании же отдельного канала возможна низкоскоростная передача данных со скоростью передачи &= 300 бит/сек.
Следует отметить, что к технологическим системам связи, к которым относятся рассматриваемые линии связи спутниковых систем навигации и посадки и систем УВД с АЗН, предъявляются повышенные требования к достоверности передачи данных, характеризуемые вероятностью ошибочного приема символа не выше Ре = 10"5, что может быть обеспечено лишь с использованием помехоустойчивого кодирования. Это, в свою очередь, требует определенной информационной избыточности и, соответственно, повышения скорости передачи данных. С учетом сказанного при использовании отдельного канала следует использовать среднсскоросгную передачу данных со скоростью передачи не ниже 3 = 600 бит/сек. ЛДПС СРНС имеют максимальную дальность действия от КС до 50 км. Поэтому в качестве связного канала целесообразно использование метрового (MB) канала, на что, в частности, указывается в [3]. Как отмечалось, этот диапазон достаточно сильно зашумлен индустриальными помехами. Вопросы эффективности помехоустойчивого кодирования в условиях действия этих помех будут рассмотрены ниже.
Что касается канала связи, предназначенного для передачи навигационных данных при УВД с АЗН, то в качестве него могут использоваться как традиционные метроволновые (MB) или декаметровые (ДКМВ) каналы, так и комбинированные - спутниковые (типа Инмарсат) на участке «ВС - КА - 3C»S если ЗС устанавливается в зональном центре (ЗЦ) УВД, и традиционные (MB или ДКМВ диапазонов) на участке, связывающем ЗЦ с РЦ УВД. При этом наиболее подвержены воздействию помех MB и ДКМВ линии связи. Причем, ДКМВ канал, использование которого предпочтительнее из-за возможности организации линии связи большой протяженности, зашумлен больше нежели MB канал, поскольку на него помимо индустриальных помех воздействуют также интенсивные атмосферные помехи. Вопросы эффективности помехоустойчивого кодирования в условиях действия этих помех также будут рассмотрены ниже.
Формирование модели атмосферных и индустриальных помех в авиационных каналах передачи данных, учитывающей эксплуатационные условия
Специфика поставленной задачи по анализу эффективности различных методов помехоустойчивого кодирования путем имитационного моделирования канала передачи данных не позволяет использовать одномерную модель помехи, поскольку в этом случае не будет оценена эффективность кодов при наличии коррелированных ошибок в канале, в частности пакетов ошибок, особенно характерных для каналов с негауссовыми ква-зиимпулъсными помехами типа атмосферных и индустриальных, что подтверждается рис. 2.6. и 2.10, где сплошными кривыми показаны экспериментальные распределения выбросов помехи для различных уровней относительно среднеквадратического отклонения (СКО) огибающей помехи. Из рисунков следует, что 5 , . 30% выбросов (в зависимости от уровня) превышают длительность одной посылки, равную 0,5 мс и соответствующую указанной на рисунках ширине полосы пропускания приемника В = 4 кГц. Причем, из рис. 2.8 и 2.12 следует, что наиболее вероятно пересечение выбросами тех уровней, для которых на рис. 2.6 и 2.10 получаются цифры близкие к 30%. Из этого следует, что около трети выбросов квазиимпульсных помех, прошедших входной фильтр приемника, имеют длительность, превышающую длительность одной посылки, а значит могут поражать, по крайней мере, два соседних канальных символа при цифровой передаче данных.
Таким образом, для моделирования цифрового канала передачи данных с кодированием необходимо знать не только распределение амплитуды, но и фазы помехи в два момента времени или совместное двумерное распределение квадратурных составляющих.
В литературе известны аналитические выражения двумерного распределения амплитуды для некоторых моделей квазиямпульсных помех , [24], [27], однако двумерных совместных распределений амплитуды и фазы для таких помех нами не обнаружено.
Чтобы обойти это препятствие при моделировании, были сделаны предположения о том, что, во-первых, помеха состоит из негауссовой импульсной и нормальной фоновой составляющих (что является стандартным приемом при описании квазиимпульсных помех [52], [53]) и, во-вторых, что в пределах выбросов помехи фаза остается постоянной и рав номерно распределенной. Это следует из того, что время появления очередного выброса помехи - случайная величина, а влияние на фазу других факторов, кроме самого выброса, мало вследствие значительного превышения выбросом уровня фона помехи.
Известные принципы стохастического моделирования негауссовых помех [54], предполагающие использование законов распределения амплитуды и фазы помехи, а также метода Монте-Карло, весьма громоздкого уже в двумерном случае, в данной ситуации оказываются неконструктивными, поскольку при их стандартном применении потребовалось бы иметь дело с двумерным совместным распределением амплитуды и фазы (т.е. четырехмерным), которое к тому же неизвестно.
В данной работе стохастическое моделирование квазиимпульсных радиопомех производится нетрадиционным способом - путем формирования реализации импульсной составляющей помехи на основе распределений длительности выбросов помехи W& и интервалов между ними Wi, полученных в рамках аналитической модели квазимпульсных радиопомех с последующим заполнением интервалов между выбросами нормальным коррелированным шумом.
В качестве аналитической модели, описывающей распределения выбросов импульсной составляющей квазиимпульсных радиопомех выбрана логарифмически нормальная модель [27] обеспечивающая хорошее совпадение с экспериментальными данными при описании характеристик выбросов атмосферных и индустриальных помех [55] в ДКМВ и MB диапазонах и легко, в отличие от модели [24], согласующаяся с экспериментальными данными через параметр Vj.
Построение имитационной модели квазиимпульсной помехи производилось в два этапа. На первом этапе проводилась обработка экспериментальных данных о распределениях длительности выбросов огибающей помехи Wd (х) и интервалов между ними И)(х), заимствованных из работ [20], [48], [49] для различных диапазонов длин волн и полос пропускания приемника, в целях отработки процедур формирования реализаций импульсной составляющей огибающей квазиимпульсной помехи по известным распределениям W x) и Wt(x) и экспериментального обоснования возможности аппроксимации выбросов огибающей помехи экспоненциальными импульсами (прямоугольными треугольниками в логарифмической системе координат).
Основанием для выбора экспоненциальной формы импульсов, аппроксимирующих выбросы огибающей помехи, является экспоненциальный вид импульсной и переходной характеристик одиночного колебательного контура, используемого в качестве входной избирательной цепи в болыдинстве приемников. Экспериментальным подтверждением того, что форма выбросов помехи после избирательной цепи близка к экспоненте служит исследования импульсной помехи, выполненные в [56],
Реализация импульсной составляющей помехи формируется в системе координат с логарифмической шкалой по оси ординат путем расстановки на оси времени выбросов огибающей помехи, имеющих вид прямоугольных треугольников по нескольким уровням, статистика пересечения которых {Wd (x)t Щ(х)) известна.
Расстановка производится, начиная с самого верхнего уровня и заканчивая уровнем ближайшим к фоновому, с интервалом 8 - 10 Дб Длительность формируемых реализаций составляла 200 ... 650 с и ограничивалась лишь объемом свободной памяти компьютера.
При моделировании импульсной составляющей длительность очередного выброса Дґ0 на текущем уровне EQ определялась с помощью метода Монте-Карло (при разбиении каждого распределения на 50 интервалов) на основании ранее аппроксимированного экспериментального распределения длительностей IV/x) выбросов на данном уровне. Затем производился пересчет этой длительности в длительность импульса Д/ на уровне фона Тф по формуле (рис. 2.4): At = Att + (Eu-a$/ICt (Z3) в которой время нормировано относительно величины 1/.В; где Б - полоса пропускания входного фильтра приемника, а Е$ и Оф- относительно СКО і/ = WE1]/! помехи тп /г Г. ; А - тангенс угла наклона гипотенузы к лежащему па оси времени основанию прямоугольного треугольника, аппроксимирующего выбросы амплитуды помехи. Координаты начала и конца импульса заносились в массив. Таким образом, для описания каждого выброса достаточно всего двух чисел, а для описания импульсной составляющей реализации помехи - двумерного массива длина которого равна числу выбросов огибающей помехи в формируемом временном интервале. Расстояние между выбросами на текущем уровне определялось на основании аппроксимированного распределения интервалов между выбросами огибающей помехи Wx) аналогично длительности выбросов.
Анализ помехоустойчивости и эффективности блочных кодов
Оба предположения согласно (3-9) приводят к увеличению Hj{x / s) и уменьшению С, /їй р относительно истинных значений, вследствие чего полученные в результате вычислений кривые являются нижними границами для предельной эффективности СПИ в негауссовых к вази импульсных помехах. Добавим, что первое предположение приближается к истине в каналах с глубоким псремежением, а второе при увеличении параметра V&
Среди большого разнообразия возможных блочных кодов при заданной скорости кода R для имитационного моделирования были отобраны коды, обеспечивающие при заданных R и длине кода п наибольшее гарантированное кодовое расстояние d.
Отбор кодов может производиться с использованием следующих границ для кодового расстояния [63].
Может использоваться граница Хсмминга, формулируемая в виде: 1=0 где і - краткость исправляемых ошибок, к = п R - число информационных символов кода. При использовании границы Хемминга для кода длиной п с краткостью исправляемых ошибок t = (dmi„ -1)/2 число проверочных символов не может быть меньше w - ft, а скорость кода, соответственно, должна быть не больше величины д 1 кьо_ (3.18) п
Граница Плоткина также является верхней границей для кодового расстояния при заданных пик. Граница Плоткина для двоичных кодов имеет вид / (л2")/(2 -1) (3.19) или n-k 2d-2-log2d. (3.20)
При использовании границы Плоткина для кода длиной п с кодовым расстоянием d скорость кода не может быть больше величины R Jd-2-log2d (321) п Согласно границы Гильберта при 2"- S4_, (3.22) существует (и, ft) - код с кодовым расстоянием, не меньшим rf,HC числом проверочных символов, не превышающим л - ft. Минимальное значение R, при котором выполняется неравенство (ЗЛ9)д может быть найдено по формуле ft-г VJ=Q П-log-L ХСІ-1 R (3.23) n где внешние скобки в числителе обозначают операцию выделения целой части числа.
Граница Хемминга обычно близка к оптимальной для высокоскоростных кодов, а граница Плоткина - для низкоскоростных кодов.
Учитывая? что для исследуемого канала передачи данных характерен эффект пакетирования ошибок, целесообразно было рассмотреть существующие коды, обладающие большим кодовым расстоянием и способные исправлять пакеты ошибок. Как видно из вышеприведенных формул, это не позволяет использовать коды с высокими скоростями, что усугубляется еще и тем, что длина кодов ограничивается сложностью реализации декодеров при средних и больших значениях п. Исходя из этого, выбор кодов для моделирования осуществлялся из кодов длиной я 100, когда еще не возникает потребности в громоздкой процедуре декодирования, требующей больших затрат машинного времени, и скоростью R = 0,4 ... 0,6.
При отборе кодов помимо n,d и R учитывалась и их структура. Выбирались коды, структура которых допускает возможность использования стандартных неалгебраических простых и эффективных декодеров:
а) порогового декодера с обратной связью, использующего одно -двухшаговыи алгоритм мажоритарного декодирования и позволяющего полностью реализовать корректирующие свойства кода при жестком решении в демодуляторе.
Другие алгоритмы декодирования, в частности, с мягким решением в демодуляторе, не использовались, т.к. они либо сложны, либо отсутствуют стандартные процедуры их использования и каждый код требует индивидуального подхода, либо структура кода, при которой они применимы, предполагает неоправданную избыточность (ниже границы Гильберта),
Отобранные коды, их параметры и характеристики приведены в табл. 3.1.
Кодирование с использованием отобранных циклических кодов осуществлялось по стандартной схеме на основе регистра сдвига длиной я - к с обратными связями, структура которых задается видом порождающего многочлена g№ = gn+jf +gMxrk-l+...+gMx + gi9 (3-24) где gh 1= 0, п -к- коэффициенты порождающего многочлена, определяющие наличие либо отсутствие обратной связи в /-и ячейке регистра сдвига кодера, обобщенная схема которого представлена на рис. 3.3. Если gt = 0 -связь отсутствует, если gi = 1 - связь имеется. Схема отражает процедуру формирования слов систематического кода. Младшие разряды кодового слова, идентичные входной последовательности данных при замкнутом переключателе А", сразу поступают в канал и одновременно с этим в регистр с обратными связями, после чего ключ размыкается и содержимое регистра сдвига поступает в капал. Декодирование первых трех кодов (табл. 3.1) осуществлялось с помощью декодера Меггита, функциональная схема которого представлена на рис. 3.4.
Анализ помехоустойчивости канала передачи данных при квазиоптимальной обработке и блочном кодировании
Известно [65], что оптимальность сверточного кода с фиксированными скоростью R и длиной кодового ограничения (ДКО) v определяется свободным кодовым расстоянием dj и минимальными полными информационными весами путей, вес которых близок к /,-. Свободное расстояние является мерой различия двух наиболее близких кодовых последовательностей бесконечной длины на выходе кодера. Оно может быть легко определено по модифицированной диаграмме состояний кода или по виду порождающей функции. Вычисление спектра весов более сложная задача, поэтому в данной работе при выборе наилучших кодов мы при равных значениях свободного расстояния кодов воспользуемся рекомендациями работы [66], где приведены коды, оптимальные для заданных значений d, и ДКО для каналов с белым гауссовым шумом. Характеристики этих кодов приведены в таблице 3-2. Как указано в работе [63], почти у всех этих кодов свободное расстояние достигает верхней границы, аналогичной границе Плоткина, что свидетельствует об их оптимальности.
Как видно из рис. 3.11, сверточное кодирование может быть выполнено для любого кода в рамках одной подпрограммы, параметры которой определяются коэффициентами порождающих многочленов.
Процедура декодирования указанных сверточных кодов индивидуальна для каждого из кодов, хотя и содержит отдельные универсальные подпрограммы. При написании программ декодирования нами использованы рекомендации по практической реализации декодеров, приведенные в [63]. Здесь мы лишь укажем, что подпрограммы декодеров для кодов, приведенных Б табл. 3.2, предусматривают возможность мягкого восьми-уровневого решения в демодуляторе и используют табличный метод вычисления метрик ребер: стандартные элементы «сложить - сравнить - выбрать» и метод «обмена между регистрами» при хранении и обновлении гипотетических информационных последовательностей. Глубина декодирования 10v выбрана в целях обеспечения полной реализации корректирующих свойств кодов.
Моделирование канала передачи данных в условиях действия атмосферных и индустриальных радиопомех при использовании корреляционного приемника, оптимального для случая гауссовых помех, и сверточного помехоустойчивого кодирования осуществлялось с помощью той же имитационной модели радиопомехи, что и для блочных кодов. Основным отличием моделирования исследуемого канала в данном случае явилось использование мягкого решения в демодуляторе, обусловившего большой выигрыш от кодирования даже для кодов с малым значением длины кодового ограничения. Квантование отсчетов па выходе демодулятора на восемь уровней производилось равномерно с расстояниями между порогами, равными 0,2 сгй. Оптимальное расстояние между порогами, как было установлено путем моделирования, зависит от импульсности помехи и с ростом значения параметра Vd уменьшается. Подробного исследования влияния равномерности и величины шага квантования демодулятора на помехоустойчивость приема не проводилось, однако в результате эксперимента на ЭВМ установлено, что при изменении значения параметра Vj в пределах 3 ... 6 dB для вышеуказанных характеристик квантования, вероятность ошибки для кода (7, 5) с перемежением данных минимальна (при изменении значения ООН в пределах 3 ... 15 dB), С учетом этого, указанные характеристики были признаны удовлетворительными и в дальнейшем не изменялись.
На рис. 3.12 представлены кривые помехоустойчивости приема ФМ сигналов в условиях действия индустриальных помех при использовании различных сверточных кодов, декодируемых по алгоритму Витерби с мягким решением в демодуляторе, и процедур перемежения символов данных глубиной 20 символов, а также без этих процедур.
Из рисунка видно, что с ростом ДКО кода и его свободного расстояния возрастает и помехоустойчивость. Причем, выгоднее применить более сложный код, чем увеличивать энергию сигнала. Так, например, использование вместо кода (7, 5) кода (17, 15) при использовании перемежения дает выигрыш 6,4 dB при вероятности ошибки Ре = 10 (кривые 3 и 5), использование кода (35, 23) вместо (17, 15) дает выигрыш не менее 9,4 dB при Ре = 10" (кривые 5 и 6).
По рисунку можно также оценить эффективность процедур перемежения данных и зависимость выигрыша, полученного за счет использования перемежения, от длины использованного кода и ОСШ. Кривые для случая отсутствия перемежения приведены крупным пунктиром для самого длинного и самого короткого кодов. Видно, что с ростом длины кода перемещение дает относительно меньший выигрыш в помехоустойчивости, что объясняется возрастающей способностью более длинного кода бороться с пакетами ошибок без их предварительного разбиения за счет перемежения. Другой эффект, который можно проследить по рисунку, состоит в том, что с ростом ОСШ кривые, соответствующие одному коду, при использовании перемежения и без него сближаются и идут параллельно, что объясняется более или менее постоянной долей пакетов ошибок, которые код неспособен исправлять без разбиения.
Важно отметить тот факт (имеющий место и для блочных кодов), что для каждого кода существует некоторое пороговое значение ОСШ, при превышении которого достигается положительный эффект от кодирования (для кривых 1 и 2 эта величина примерно равна 3 dB). При значении ОСШ меньше порогового вместо выигрыша в помехоустойчивости имеет место процесс размножения ошибок. При превышении порога выигрыш от коди рования быстро возрастает. Процедуры перемежения канальных символов позволяют снизить величину этого порога при приеме сигналов в условиях действия квазиимпульсных помех.
