автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.17, диссертация на тему: Методика и средства повышения помехоустойчивости приёмовычислителей спутниковых навигационных систем
Автореферат диссертации по теме "Методика и средства повышения помехоустойчивости приёмовычислителей спутниковых навигационных систем"
На правах рукописи
ОГНЕВ ВЛАДИМИР АНАТОЛЬЕВИЧ
МЕТОДИКА И СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ПРИЁМОВЫЧИСЛИТЕЛЕЙ СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Специальность 05.13.17 - Теоретические основы информатики
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Диссертационная работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана» на кафедре «Компьютерные системы и сети».
кандидат технических наук, доцент Иванов Сергей Ростиславович
доктор технических наук, профессор Макаров Валерий Фёдорович
кандидат технических наук, Пудловский Владимир Борисович
Защита состоится 23 июня 2011 г. в 16 час. 30 мин. В зале Учёного совета на заседании диссертационного совета Д 212.141.10 Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, 2-я Бауманская ул., д.5.
Ваши отзывы в двух экземпляра, заверенные печатью, просьба высылать по указанному адресу.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана.
Автореферат разослан 23 мая 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент
Общая характеристика работы
В настоящее время широкое распространение получила технология определения текущего времени и координат объектов по сигналам спутниковых навигационных систем (СНС). На сегодня существуют американская система GPS и российская -ГЛОНАСС, Европейский Союз планирует создать к 2015 году новую навигационную систему GALILEO.
В различных отраслях промышленности происходит активное внедрение аппаратуры, предназначенной для выполнения навигационных определений по сигналам этих систем - приёмовычислителей (ПВ). Например, приёмовычислители уже стали частью систем управления и диспетчеризации транспортных средств, а также используются для синхронизации телекоммуникационных сетей.
Между навигационными спутниками и приёмовычислителями имеются информационные коммуникации. В процессе работы приёмовычислители выделяют цифровую информацию (навигационные сообщения), передаваемую со спутников. Эти каналы связи характеризуются малым энергетическим поетнциалом. Так, в отчёте Специальной Комиссии Конгресса США (Defense Science Board Task Force on The Future of the Global Positioning System, October, 2005) приводятся данные о том, что наличие постановщика помех с эффективной излучаемой мощностью 10 Ватт, генерирующего в полосе полезного сигнала шумовую помеху, приводит к нарушению работы существующих ПВ (оснащённых ненаправленными приёмными антеннами с коэфициен-тами усиления 1.5-2 дБ) в радиусе до 50 километров.
Одним из направлений развития спутниковых навигационных систем является использование новых навигационных сигналов. Сейчас практически все приёмовычислители гражданского назначения используют при работе сигнал GPS L1 С/А и некоторые из них обрабатывают сигнал ГЛОНАСС L1 СТ. Эти сигналы были разработаны в 70х-80х годах 20-го века.
В 2012-2015 годах ожидается введение в эксплуатацию новых частично унифицированных гражданских сигналов GPS L1C и GALILEO El, имеющих увеличенную (по сравнению с существующими сигналами) базу. Ожидается, что использование этих сигналов позволит снизить среднеквадратическую ошибку определения координат с 7-10 до 3-4 м. Поскольку основные лепестки автокорреляционных функций новых сигналов имеют меньшую ширину, то это должно способствовать улучшению точности навигационных определений ПВ при работе в условиях наличия переотражённых сигналов.
Новые сигналы характеризуются повышенной скоростью передачи информации. Вместе с тем, известно, что при заданном способе передачи информации при фиксированном отношении "сигнал/шум" увеличение скорости передачи данных приводит к росту вероятности неправильного приёма информации, то есть к снижению помехоустойчивости, поэтому проблема надёжного выделения информации из новых сигналов является актуальной.
Вопросы построения приёмовычислителей, способных обрабатывать сигналы L1C и Е1, недостаточно исследованы, в силу того, что структура новых сигналов систем GALILEO и GPS была опубликована только в 2008 году.
Целью работы является разработка средств, обеспечивающих выделение приёмовычислителем цифровой информации из новых сигналов систем GALILEO и
GPS при низких отношениях "сигнал/шум", что обеспечит надёжность информационных коммуникаций между навигационными спутниками и приёмовычислителями.
Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи:
1) проведён анализ структуры существующих ПВ и выявлены факторы, влияющих на их помехоустойчивость;
2) проведён анализ методов повышения помехозащищённости приёмовычисли-телей СНС;
3) проанализированы свойства перспективных сигналов СНС;
4) построена математическая модель ПВ, использующего перспективные сигналы СНС;
5) разработана имитационная модель синтезированного ПВ для оценки его характеристик;
6) разработан макет ПВ для экспериментальной проверки правильности синтезированных алгоритмов обработки сигналов СНС.
Методы исследований. При решении перечисленных задач были использованы прикладные методы теории вероятностей и теории случайных процессов, методы теории оптимальной фильтрации, а также методы математического моделирования и теории надёжности.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что в ней для приёмовычислителей, ориентированных на обработку новых (GPS L1C и GALILEO El) сигналов СНС:
- предложено унифицированное математическое описание новых и существующих сигналов;
- синтезированы оптимальные (по критерию минимизации среднеквадратиче-ской ошибки) алгоритмы оценки информативных параметров, использующие как информационную, так и пилот-компоненту сигналов;
- предложены алгоритмы выделения данных для некогерентного режима работы ПВ;
- на базе разработанных алгоритмов создана математическая модель ПВ, с использованием которой получены оценки помехоустойчивости синтезированного приёмовычислителя.
На защиту выносятся:
1. Унифицированное математическое описание новых и существующих сигналов.
2. Математическая модель приёмовычислителя СНС.
3. Алгоритмы оценки информативных параметров сигналов.
4. Алгоритм выделения навигационных сообщений для некогерентного режима работы ПВ.
5. Результаты исследования помехоустойчивости следящих схем ПВ и различных алгоритмов выделения навигационных сообщений.
Практическая значимость работы состоит в том, что получены рекомендации по построению перспективного приёмовычислителя, позволяющие обеспечить выделение информации из перспективных сигналов, и создан программный комплекс, позволяющий проводить моделирование работы приёмовычислителей с целью оптимизации их параметров. Практическая ценность работы заключается в том, что создан инструментарий (в виде методики и средств) для проектирования приёмовычислителей. С использованием разработанной имитационной модели можно прогнозировать
характеристики приёмовычислителей до их непосредственной реализации в виде макетов.
Внедрение результатов. Основные результаты работы внедрены в Московском конструкторском бюро "Компас", что подтверждено соответствующим актом.
Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на конференциях "Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества", МГТУ ГА, 18-19 мая 2006 г., «Студенческая наука», МГТУ им. Н.Э. Баумана, ноябрь 2009, «Студенческая научная весна», МГТУ им. Н.Э. Баумана, апрель 2009, «Тенденции и гармонизация развития радионавигационного обеспечения», МАДИ, 26 ноября 2008 г.
Публикация результатов. Основные результаты опубликованы в 5 статьях (из них 3 - в изданиях из перечня ВАК) и 7 тезисах докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Основная часть диссертации содержит 164 страниц текста, 68 рисунков, 16 таблиц и библиографию из 61 наименований. Общий объем работы 166 страниц.
В первой главе проведён обзор литературы, проанализирована структура типового приёмовычислителя и выявлены факторы, влияющие на его помехоустойчивость. Разработано унифицированное математическое описание существующих (ГЛОНАСС LI СТ и GPS L1 С/А) и новых (GALILEO El и GPS L1C) сигналов, получены оценки помехоустойчивости ПВ, обрабатывающих новые сигналы СНС GALILEO и GPS.
Помехоустойчивость ПВ с классической архитектурой (рис. 1) определяется параметрами (базой) обрабатываемых сигналов СНС, ожидаемой динамикой потребителя, алгоритмом работы следящих схем приёмовычислителя, осуществляющих измерение радионавигационных параметров (псевдозадержка т, псевдочастота f, псевдофаза ф несущего колебания) сигналов НКА.
Рис. 1. Структурная схема приёмовычислителя с двухэтапной обработкой
Выделяют когерентный и некогерентный режимы работы ПВ. Векшр информативных параметров сигнала в некогерентном режиме Я = , а в когерентном
Я = . Соответственно, в некогерентном режиме работы ПВ функционируют схе-
мы слежения за частотой (ССЧ) и задержкой (ССЗ), а в когерентном - схемы слежения за фазой (ССФ) и задержкой (ССЗ) принимаемого сигнала НКА.
Наименьшей помехоустойчивостью обладает схема слежения за фазой (ССФ). Поскольку приводимые в литературе алгоритмы выделения битовой информации функционируют только при работе ССФ, то при воздействии помех (снижении отношения "сигнал/шум") в первую очередь нарушаются информационные коммуникации между НКА и ПВ. ССЧ более помехоустойчива, однако алгоритмы выделения навигационных сообщений в некогерентном режиме в литературе не приводятся .
Проведённый анализ литературы показал, что использование средств помехо-защиты приводит к усложнению ПВ и росту их массогабаритных показателей. Вместе с тем, помехоустойчивость ПВ может быть повышена за счёт обработки новых сигналов (GALILEO El, GPS L1C) CHC, обладающих повышенной мощностью, расширенной полосой спектра и улучшенной структурой. Прирост помехоустойчивости такого ПВ будет обусловлен принципом его действия и обеспечивается без использования внешних средств помехозащиты.
Структура "эталонного" приёмовычислителя для обработки сигналов L1C/E1 не определена в каких-либо руководящих документах.
В работах Ж.Авила-Родригеса, Дж.Бетса определены потенциальные характеристики оптимальных приёмовычислителей, использующих сигналы E1/L1C. Однако эти работы не содержат обоснования собственно структуры оптимального ПВ. Полученные результаты базируются на рассмотрении исключительно свойств новых сигналов.
В работах О. Джулиана исследованы вопросы построения оптимального ПВ, использующего сигнал Е1 системы GALILEO. В том числе, предложена структура такого ПВ. Однако синтез структуры ПВ выполнен с математической точки зрения не достаточно строго. В частности, дискриминаторы следящих систем приёмовычислителя выбраны по результатам имитационного моделирования - методом перебора известных формул, выведенных ранее для ПВ, работающих по существующим сигналам системы GPS. Вместе с тем, данная задача может быть строго решена методами теории оптимального оценивания с полным учётом структуры новых сигналов.
В работе К. Макабиа приводится структура оптимизированного (по требуемым для его реализации аппаратным ресурсам) приёмовычислителя, пригодного как для обработки сигнала El GALILEO, так и L1C GPS. Однако в ней отсутствует теоретическое обоснование такой структуры.
В публикациях российских авторов проблема построения оптимального приёмовычислителя для обработки перспективных сигналов El GALILEO и L1C GPS пока не затрагивалась. В работах М.С. Ярлыкова проанализированы лишь корреляционные и спектральные свойства новых сигналов. А.И.Перовым предложена общая методика синтеза следящих схем ПВ. После получения математической модели новых сигналов систем GALILEO и GPS эта методика применена в данной работе для построения оптимального приёмовычислителя.
Структура сигналов GPS L1C и GALILEO El определена в интерфейсных контрольных документах (ИКД). Однако эти описания не унифицированы. В частности, в ИКД для сигнала L1C содержится только словесное описание его структуры.
Для снижения трудоёмкости синтеза приёмовычислителя, обрабатывающего как существующие, так и новые сигналы, разработано единообразное математическое описание сигналов ГЛОНАСС LI CT/GPS LI C/A/GPS L1C/GALILEO Е1 следующего вида
(в табл. 1 представлены численные значения параметров, рассчитанные по данным из ИКД):
5(/) = J2TP (/ ■- г) + Sn(t - г)] х cos(2пfy+(4(0) = +J27P-[c, -GM(t-T)-G, (i-T)-f,