автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Алгоритмы обработки радиосигналов в системах позиционирования в условиях многолучевого распространения радиоволн

На правах рукописи

Зарецкий Станислав Витальевич

Алгоритмы обработки радиосигналов в системах позиционирования в условиях многолучевого распространения радиоволн

05.12.04 Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 7 ОКТ 2010

Москва-2010

004610156

Работа выполнена в Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (техническом университете) на кафедре основ радиосхемотехники

Научный руководитель:

Официальные оппоненты: профессор

Ведущая организация:

Кандидат технических наук, доцент Королёв Александр Николаевич

Доктор физико-математических наук,

Худак Юрий Иосифович

Кандидат технических наук, профессор Ступин Дмитрий Дмитриевич

ОАО «Межгосударственная акционерная корпорация «Вымпел»

Защита состоится 15 октября 2010г. в 15-00 на заседании диссертационного совета Д212.131.01 при Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (техническом университете) по адресу, г. Москва, проспект Вернадского, дом 78.

Отзывы направлять по адресу: 119454 г. Москва, проспект Вернадского, дом 78, диссертационный совет Д212.131.01.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (технического университета).

Автореферат разослан «/Г» ¿ЗДл» 2010г.

Учёный секретарь диссертационного совета Д212.131.01., д.т.н., проф.

Куликов Геннадий Валентинович

Актуальность темы

В последнее время активно развиваются технологии и связанные с ними услуги по определению местоположения людей и перемещаемых объектов. К таким услугам, например, относятся:

• навигация на незнакомой местности;

• получение справочной информации о расположении ближайших

объектов инфраструктуры (например, магазины и автозаправки);

• вызовы экстренных служб к месту происшествия;

• контроль за перемещением людей и техники на ограниченной территории и т.п.

Для решения этих задач необходимо, чтобы специализированная система определяла с требуемой точностью место, где находится абонент, т.е. решала задачу позиционирования.

На сегодняшний день подавляющее число задач позиционирования решается на основе использования приёмников спутниковых систем, в частности американской системы GPS и российской системы ГЛОНАСС. Эти системы, однако, не могут в полном объёме удовлетворить возросшие потребности в услугах позиционирования, поскольку имеют два существенных ограничения:

1. Приёмники этих систем не могут принимать сигналы со спутников внутри зданий, поскольку их сигналы практически не проходят сквозь такие препятствия, как стены и перекрытия;

2. Эти системы имеют низкую защищённость от преднамеренных радиопомех. В частности (по данным журнала Connect) передатчик, мощностью всего 4 Вт способен «заглушить» приёмники GPS в радиусе около 100 км.

Поэтому, в настоящее время в мире активно развиваются локальные (т.е. действующие на территории города или большого района) и сетевые системы позиционирования, в частности, на основе сотовых систем радиосвязи и передачи данных с передатчиком, находящимся у абонента. Более того, в некоторых странах операторы сетей связи по закону обязаны предоставлять информацию экстренным службам о местоположении абонентов в случае необходимости. Например, в США операторы связи обязаны сообщать службе 911 координаты абонентов с точностью 125м.

К основным методам определения координат в подобных системах относятся угломерный и разностно-дальномерный методы. В настоящее время системы, использующие подобные принципы работы, активно развиваются, и в лучших из них точность позиционирования на открытой местности составляет несколько метров. Однако на пути практической реализации таких систем стоит немало проблем, главной из которых является

многолучевое распространение радиосигнала в городских условиях. Данный эффект проявляется в том, что прямой сигнал от передатчика может сильно ослабляться зданиями и строениями как показано на рис. 1, а переотраженные сигналы большей мощности могут приходить на приёмник с других направлений с временными задержками.

Рис.1

Это может приводить к большим ошибкам определения местоположения объектов, вплоть до 500м, что неприемлемо для большинства практических применений, особенно связанных с безопасностью, где требуемая точность не должна быть хуже, чем 30м. Кроме того, система должна иметь высокую помехозащищённость по отношению к возможному действию организованных помех.

Проблема позиционирования в условиях многолучевости до настоящего времени не решена на должном уровне ввиду её сложности, хотя попытки её решения, по крайней мере, в постановочном теоретическом плане имели место в работах М.С. Ярлыкова и B.C. Черняка. В предлагаемой вниманию работе теоретически и экспериментально исследованы подходы к построению локальной системы позиционирования в условиях наличия многолучёвого распространения радиоволн, осуществлены синтез и анализ алгоритмов функционирования подобной системы, даны рекомендации по практической её реализации и повышению основных качественных показателей.

Цель работы заключается в разработке и реализации комплексного подхода к созданию новой радиотехнической системы позиционирования с повышенной помехозащищённостью и устойчивой к влиянию переотра-

жений сигнала в условиях городской застройки.

Основные задами, решаемые в рамках поставленной цели:

1. выбор структуры системы в целом;

2. выбор параметров зондирующих сигналов;

3. разработка методов обработки принимаемых сигналов;

На защиту выносится теоретическое и экспериментальное обоснование использования в локальной радиотехнической системе позиционирования локационного принципа построения системы, предложенных типов сигналов, а также алгоритмы приёма и обработки таких сигналов.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Пассивный метод местоопределения позволяет обеспечить высокую помехозащищенность системы от возможных преднамеренных помех.

2. Корректно созданная модель системы позиционирования и её сигналов позволила получить алгоритм и структуру обработки сигналов, показывающие, что наиболее информативными являются не только прямой сигнал, но и отражения от объектов с известными характеристиками. Однако реализация такой структуры достаточно сложна и потребовалась разработка более простых квазиоптимальных алгоритмов.

3. Использование библиотеки сигнатур (откликов фильтра на тестовый сигнал с его переотражениями от стационарных отражателей), дало возможность создать квазиоптимальную структуру и алгоритм вторичной обработки сигналов, по результирующим свойствам мало отличающиеся от оптимальных, но более простые в аппаратно-программной реализации. Реализация системы по этому принципу позволяет осуществить не только высокоточное измерение координат объекта, но и обеспечить высокую устойчивость функционирования в нештатной ситуации, например, выполнить задачу даже при наличии только одной приёмной позиции и при отсутствии прямого сигнала.

4. При невозможности использования сигнатурной обработки, приемлемую точность позиционирования можно получить, в частности, используя ФКМ сигналы с кодированием их динамически-перестраиваемыми ПСП с последующим усреднением откликов на выходе согласованного фильтра, либо применяя «расчистку» результирующего отклика от боковых лепестков в заданной области.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые для наземных локальных систем позиционирования, функционирующих в городских условиях, предложена и разработана ком-

плексная модель, учитывающая переотражения, а также осуществлен синтез системы, на основе которого разработана квазиоптимальная схема обработки принятых сигналов на основе использования сигнатур.

2. Предложен способ оптимизации формы сигнала с целью выделения слабого полезного сигнала на фоне сильного помехового сигнала, обусловленного отражениями от зданий.

3. Разработан эффективный алгоритм когерентной компенсации помехового сигнала для наземных систем.

4. Разработан эффективный алгоритм использования избыточных измерений угловых координат и информации о спектральных характеристиках принятых сигналов.

Практическая ценность проведенной работы заключается в разработке комплексного подхода и апробации ряда методов и системных решений, позволяющих существенно повысить точность определения местоположения перемещаемого объекта радиотехническими системами позиционирования в условиях многолучевого распространения сигнала.

Структура и объём работы. Диссертация изложена на 136 стр. машинописного текста и состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка литературы, содержащего 72 наименования.

Апробация работы:

Основные результаты работы докладывались автором на следующих конференциях:

1. Конференция "Радиолокация и связь на пороге третьего тысячелетия", Москва, апрель 2000г., ВВЦ. Система информационного обеспечения служб общественной безопасности.

2. Конференция «Высокие технологии оборонного комплекса», Москва, май 2000г., Экспоцентр. Системы позиционирования как средство обеспечения личной безопасности граждан. Тезисы докладов.

3. XI Международная научно-техническая конференция "Радиолокация, навигация и связь 2005" (КЬКС 2005), г. Воронеж, ВГУ, 12-14 апреля 2005г. Локальная система позиционирования, устойчивая к многолучевому распространению сигнала.

4. VI всероссийская отраслевая научно-техническая конференция «Проблемы создания лазерных систем», 1-3 октября 2008г. г. Радужный Владимирской обл., ФГУП ГосНИИЛЦ РФ «Радуга». «Радиотехническая система формирования целеуказаний лазерным средствам наведения».

5. 58-я научно-техническая конференция МИРЭА, май 2010. «Метод подавления боковых лепестков, основанный на обнулении задан-

ного участка корреляционной функции».

6. 59-я научно-техническая конференция МИРЭА, май 2010. «Синтез структуры и алгоритмов обработки сигналов в системе позиционирования в условиях многолучевого распространения радиоволн».

7. 59-я научно-техническая конференция МИРЭА, май 2010. «Квазиоптимальная обработка сигналов в системе позиционирования».

Внедрение основных результатов работы.

Полученные при выполнении диссертационной работы результаты нашли отражения в пяти отчётах по НИР и использованы в ОАО «НПК «НИИДАР», внедрены в учебно-научный процесс в МИРЭА, что подтверждается соответствующими актами.

По материалам диссертации опубликовано восемь печатных работ, из которых одна опубликована в журнале из перечня ВАК, две опубликованы в электронном журнале «Исследовано в России» (в соответствии с письмом ВАК от 26.05.98 №01-56-05-103 в адрес МФТИ признан научным изданием, допустимым для опубликования содержания диссертаций) а две являются патентами на полезную модель.

Краткое содержание диссертации:

Первый раздел диссертации посвящен описанию проблемы позиционирования в условиях городской застройки, содержат критический анализ сделанного в этой области и обосновывает постановку задачи.

Во втором разделе диссертационной работы приведены результаты статистического синтеза устройства приёма и обработки наземной системы позиционирования с учётом наличия переотражений и флуктуационных помех. При разработке модели принимаемой смеси сигналов и помех были учтены отражения от стационарных и подвижных объектов, с учетом их форм и размеров, структурной неоднородности, расположения в пространстве и некоторых других физических характеристик. Структурная схема расположения источника излучения, приёмника и объектов переотражения представлены на рис. 2.

Сигнал, излучаемый передатчиком объекта наблюдения на несущей

частоте бу0, может быть задан в комплексной форме в виде:

и(0 = С0Л(Ое;В<,)е;К'+"°) (1)

Комплексный сигнал, принимаемый от передатчика в направлении линии визирования (прямой сигнал) представляется следующим образом:

К/

-О1а{К1,К0)А(Г)етпсп','"''^), (2)

где 0.,,, - элемент объёма пространства, который переизлучает сигнал,

______к;

Н0,„(Л0,Л,,Л;) - диаграмма переизлученя, 1'= I --1 --.

Диаграмма излучения ,

Точка излучения

Рис.2

Отраженные от неподвижного отражателя £>„, и подвижного отражателя сигналы в точке приёма П](К1) соответственно равны:

а, г

= (4)

4. Г/~Л|

Принимаемая в точке ЯДЛ ) смесь прямого, отраженных сигналов и шума приёмника имеет вид:

Т0,Г) = идТа,о + % и0|И,+ ч„Т0.1) + п(1), (5)

где комплексный сигнал, соответствующий белому гауссовскому шуму.

В результате синтеза был получен алгоритм оптималыюй обработки принимаемого сигнала. В основу алгоритма положено следующее: Оптимальный однопозиционный приём (по критерию максимума плотности апостериорной вероятности) пространственно-временного сигнала определяет максимум корреляционного интеграла

(6)

ожидаемого и принятого сигнала (при вариации параметра Л0 - оценки точки излучения). По N1 позициям:

~~ 1

1 у=1

Где

(7)

Структурная схема устройства обработки, реализующая этот алгоритм представлена на рис. 3.

Как следует из (7), получение оптимальной оценки связано с формированием набора опорных сигналов, каждый из которых описывает переотражения от объектов, учтенных принятой моделью. При этом для каждой точки пространства следует формировать свой, индивидуальный набор таких переотражений. Оценкой являются координаты излучателя, обеспечивающие глобальный максимум функционалу, который определяется совокупно для всех приемных позиций. Полученные алгоритм и структура при условии их реализации могут обеспечить высокую точность местооп-

ределения источника излучения. При этом координаты источника могут быть определены при отсутствии прямого сигнала. Повышается, также, и живучесть системы позиционирования, поскольку за счёт наличия переотражателей обеспечивается возможность определения координат при выходе из строя отдельных позиций.

/

X

По всем потенциальным точкам излучение

Приёмная позиция 1

X

1—| Ш'.К.^и

По всем приёмным позициям

7}П

Щ.ЪА) *

По всем потенциальным точкам излученл;

Приёмная позиция q

t—I gp.jc.jp

■ОД*) —►

х <

I

Щ)

Рис.3 10

Недостатками алгоритма (7) и структурной схемы из рис. 3 является их сложность реализации, поскольку потребуется огромный объём вычислительных затрат, что не всегда может быть обеспечено. Поэтому для практического использования потребовалось разработать квазиоптимальные алгоритм и структуру обработки, которые могли бы значительно снизить требования к вычислительным и аппаратурным ресурсам системы, но использовали бы принципы построения и функционирования оптимальной системы. К ним следует отнести использование дополнительной полезной информации, имеющейся в переотра-жепиях. а так же совокупная обработка информации от всех приемников. Для решения этой задачи был предложен способ использования заранее создаваемой библиотеки сигнальных записей, получивших название сигнатур. Каждая такая запись содержит необходимую информацию о свойствах значимых переотражателей, выявленных для каждой точки пространства, в которой мог бы находиться излучатель сигнала. Наиболее конструктивный вид записи в библиотеке это матрица, элементы которой описывают необходимые свойства отражателя в количественной форме. Например, для пассивного (разностно-дальномерного гиперболического) принципа построения системы позиционирования элементами матрицы, в простейшем случае, являются пары чисел -временные задержки и весовые коэффициенты:

7) • • /И

При этом матрица описывает свойства совокупности некоторых выделенных точек отражения блестящих точек, являющейся моделью всех основных отражателей для данной точки пространства. Библиотека матриц составляется для каждой пары позиций и для интересующих нас точек наблюдения. Введенная таким образом библиотека сигнатур получится инвариантной к виду и типу используемых сигналов. Подобную библиотеку можно создать экспериментально (используя записи откликов оптимального фильтра на тестовые сигналы), или путем математического моделирования интересующей области пространства. Использование сигнатур позволяет построить набор предполагаемых откликов согласованного фильтра для конкретного радиосигнала, используя АКФ этого сигнала. Собственно обработкой сигнала является запись реального отклика согласованного фильтра при приёме этого сигнала и его сравнение с набором предполагаемых откликов. Максимальное сходство предполагаемого и реального отклика, определяемое одновременно по всем позициям дает оценку ме-

Го

стоположения объекта. Типичный вид отклика ФКМ сигнала с учетом переотражений представлен на рис. 4.

г" .' ,'< '..'О.' ; \ ' ■ \:1 '

' ■■■'.'■ 1 1

»• • ■' :".'"•.' " ."•. » .".. ' .. , V • 1 ■-.,•" '• 1 ■.. • ■''•.;:. ■-•■!. ' ' - 1

' • ¿1 ' ":-••■ . 1 ■'')■ 1 ' :/".'• У

■ 1 - '1 " ' - к ''Л''■ <■•''."•'■ »

'ШЖШШ V _ > - Л' - ' -1

» 1 1

"Я"п "" г ? УлГ - - - -~ -, чг ----т

2 3

Рис. 4

4 мкс

Соответствующая ему сигнатура представлена на этом рис 5.

мкс

Рис. 5

В работе показано, что при использовании такой квазиоптимальной обработки, оценка координат излучателя соответствует оптимальной оценке. Таким образом, вместо сложно-реализуемой оптимальной обработки, возможно использование относительно простой квазиоптимальной обработки, основанной на сравнении отклика согласованного фильтра (на-

строенного на сигнал без отражений) с предполагаемым откликом, хранящимися в базе данных для различных потенциальных точек излучения. Структурная схема, реализующая квазиоптимальную обработку, представлена на рис. 6.

Приемная позиция 1

Приёмная позиция ч

СФ

х

т

Сигнатура 1

ьш

По всем потенциальным точкам излучения

ЗЧ1Е

т

Сигнатура к

По всем приёмным позициям

СФ

т

Сигнатура 1

X г I.

По всем потенциальным точкам излучения

2

цлГ>

х <

ОД»)

т

Сигнатура к

Рис. 6

Раздел 3 диссертации посвящен анализу системы позиционирования при наличии многолучевого распространения радиосигналов. В результате проведенного анализа выявлено, что система позиционирования, построенная по принципу размещения приёмных позиций равномерно по

зоне ответственности обладает следующим свойствами:

1. Наилучшая точность определения координат объекта излучения (соизмеримая с точностью первичных параметров в разностно-дальномерной системе) достигается при нахождении объекта внутри треугольника, образованного приёмными базовыми станциями. Точность значительно ухудшается при выходе объекта за пределы треугольника.

2. Характерная задержка измерения времени распространения сигнала в городских условиях составляет 1 мкс, что затрудняет позиционирование с точностью до 30м традиционными методами (угломерным и разностно-дальномерным).

3. При прочих равных условиях в системе следует использовать сигнал с максимальной шириной спектра.

4. Система позиционирования, построенная по предложенному в работе принципу, имеет высокий уровень помехозащищённости. В частности, при прочих равных условиях, ее помехозащищенность на три порядка выше, чем системы позиционирования на основе GPS или ГЛОНАСС.

В разделе 4 диссертационной работы представлены алгоритмы и структура устройства обработки, в которых сигнатурная вторичная обработка отсутствует. Такая ситуация возможна, например, при отсутствии априорных данных о местных предметах. При использовании сложных сигналов, дающих приемлемые точности позиционирования, например в виде псевдослучайной последовательности, нередки случаи, когда на выходе фильтра отклик полезного сигнала маскируется боковыми лепестками отраженных сигналов, хотя уровень полезного сигнала существенно превышает уровень шума, при этом отражения от местных предметов уже полагаются не полезными, как это принималось при сигнатурной обработке, а мешающими измерениям.

Экспериментально обнаружено, что наиболее вероятные переотражения (в условиях города) имеют запаздывание не более 1 мкс„ что соответствует разности хода лучей в 300м. Следовательно, описанную проблему целесообразно решеть именно в этой ограниченной области задержек.

Одним из предлагаемых вариантов решения данной проблемы является использование ДП ПСП. Способ подавления боковых лепестков заключается в смене ПСП в каждом периоде передачи и приёма. Поскольку положение максимальных боковых лепестков на оси задержек определяется конкретным видом последовательности, при их изменении от периода к периоду максимальные боковые лепестки образуются каждый раз на новых местах и отфильтровываются при последующем межпериодном накоплении.

Следующий предлагаемый способ решения этой задачи заключается в обнулении боковых лепестков на заданном интервале. Структурная схема, реализующая предлагаемый способ представлена на рис. 7.

Рис. 7

Суть способа заключается в аналитическом определении комплексных коэффициентов при весовом суммировании откликов, смещённых по оси задержек.

Одним из преимуществ предлагаемой обработки является ее абсолютная независимость от типа задаваемой последовательности в классе бинарных последовательностей, т.е не надо накладывать никаких дополнительных ограничений и условий на характер используемой ПСП.

При избыточном количестве измерений, только некоторая, часто небольшая, часть откликов (в составе принятой пачки) фильтра, превысивших порог, может соответствовать прямому распространению радиосигнала, но какая именно из них - априорно неизвестно. На рис.8 показаны две такие ситуации:

_ . отраженный . , ,

прямой ¡' ■ .

сигнал ,. ,!'. 1 \

сигнал /I1, | I . { '

^ , И 1

порог 5> I | . I ! >11 I

_ _ Д] |Ли ____/ V и, Л 1А

-1-1 --1 —~—>

Рис.8

В первой полезный сигнал превысил порог и время его прихода было измерено без ошибки, а во второй прямой сигнал оказался ниже порога и измерение было произведено по помехе, что, неизбежно, приводит к ошибке позиционирования. Для устранения возможных ошибок предлагается способ обработки, суть которого состоит в синхронизации всей пачки принятых сигналов по хотя бы одному из импульсов, для которого превышение порога соответствует прямому, а не отраженному сигналу.

Раздел 5 диссертации посвящен моделированию на основе экспериментальных исследований характеристик распространения сигналов в городских условиях. Для учёта особенностей многолучевого распространения радиоволн при наличии переотражений от городских построек было проведено полунатурное моделирование непосредственно в одном из районов г. Долгопрудный Московской обл. Расстановка приёмных позиций на местности представлена на карте (рис. 9):

О

о

-Д.

Цогпр л рудный

О"

и „ '

о

Рис. 9

Результаты моделирования подтвердили правильность теоретических предпосылок и позволили получить количественные оценки точностных характеристик системы позиционирования. С помощью макета системы также была проверена реализуемость сигнатурной обработки. В качестве априорных данных о среде распространения сигнала была использована электронная карта местности.

Заключение

1. Работа посвящена разработке способов повышения точности определения местоположения объектов в локальной системе позиционирования в условиях интерференции и многолучевого распространения сигналов. В работе предложены и разработаны ¡шгоритмы обработки сигналов, отражённых

от наземных объектов наблюдения в условиях влияния отражений от местных предметов в городских условиях.

2. Был проведен статистический синтез устройства приёма и обработки наземной системы позиционирования с учётом наличия переотражений от местных предметов и флуктуационных помех. В процессе синтеза были разработаны модели смеси сигнала и помех, алгоритм оптимальной обработки принимаемого сигнала по критерию максимальной плотности апостериорной вероятности, а также структурная схема устройства обработки, реализующая этот алгоритм. Для практического использования была разработана квазиоптимальная структура сигнатурной обработки, которая позволяет значительно сократить вычислительные и аппаратурные ресурсы системы, но использует основные свойства сигналов, переотраженных от стационарных объектов.

3. Для случаев, когда нет априорных данных о среде распространения сигнала и сигнатурная обработка невозможна, предложена методика формирования сигнала с автокорреляционной функцией, позволяющей в несколько раз (до десяти) снизить уровень боковых лепестков ВКФ мешающего сигнала в зоне нахождения отклика полезного сигнала. Данный способ эффективен при большой базе сигнала \УТ~ 1000 и позволяет принимать полезный сигнал на фоне отражений если уровень прямого сигнала превышает уровень шума.

4. Предложен способ повышения точности позиционирования при помощи когерентной компенсациии помехового сигнала в процессе корреляционной обработки. Использование данного способа наиболее эффективно в случаях, когда невозможно оптимально выбрать автокорреляционную функцию сигнала (например, вследствие малой базы сигнала или вследствие использования заранее заданных сигналов, которые не подлежат изменению).

5. Совокупное использование предложенных способов позволяет повысить точность позиционирования на порядок (например, с 300м до 30м при полосе сигнала 10 МГц) в случаях, когда прямой сигнал выше уровня шума, но изначально маскирован боковыми лепестками коррелированной помехи, а использования алгоритмов, основанных на использовании сигнатур позволяет измерять координаты объекта даже при отсутствии полезного сигнала.

6. Полученные при выполнении диссертационной работы результаты использованы в ОАО «НТЖ «НИИДАР», внедрены в учебно-научный процесс в МИРЭА и могут найти практическое применение в разрабатываемых системах позиционирования объектов (в т.ч. созданных на основе СРБ/ГЛОНАСС) и при создании эффективной и надёжной системы индивидуальной безопасности.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Зарецкий C.B. Проблемы позиционирования в нефтегазовой отрасли // Нефтегазовые технологии. -2000. — № 1. — С. 51-55.

2. Зарецкий C.B. Использование сигнатур для повышения точности определения местоположения подвижных объектов в локальных системах позиционирования // Электронный журнал Исследовано в России: электронный журнал. - 2001. - 84, стр. 937-943 [Электронный ресурс]. URL: http://zhurnal.ape.velarn.ru/articles/2001/084.pdf (дата обращения: 12.04.2010).

3. Зарецкий C.B., Сельменев Е.А. Метод подавления боковых лепестков сигнала в виде бинарной фазоманипулированной последовательности. // Электронный журнал Исследовано в России: электронный журнал. - 2008. - 78,стр. 846-852 [Электронный ресурс]. URL: http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2008/078.pdf (дата обращения: 12.04.2010).

4. Зарецкий C.B. Способ выделения полезного сигнала на фоне боковых лепестков мешающих отражений II Наукоёмкие технологии. -2010. -№3.- С. 16-21.

5. А.Н. Королёв, А.Ф. Котов, C.B. Зарецкий. Синтез системы позиционирования при наличии многолучевого распространения радиосигналов. Депонированная рукопись. Депонирование в ВИНИТИ 09.12.09., №784-В2009.

6. А.Н. Королёв, А.Ф. Котов, C.B. Зарецкий. Квазиоптимальная структура устройства обработки сигналов для системы позиционирования при наличии многолучевого распространения радиосигналов. Депонированная рукопись. Депонирование в ВИНИТИ 09.12.09., №785-В2009.

Авторские решения, защищенные патентами:

1. Патент № 84996 РФ. Пассивная многопозиционная радиотехническая система/ Зарецкий C.B., Зарецкий В.И.; Заявка № 2008134198 от 31.10.2008; Приоритет 31.10.2008.

2. Патент №85676 РФ. Радиотехническая система определения местоположения излучающих наземных объектов в условиях многолучевого распространения радиосигнала/ Зарецкий C.B. Заявка №2008149015 от 12.12.2008; Приоритет 12.12.2008.

Подписано в печать 08.09.2010. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 0,93. Усл. кр.-отт. 3,72. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 эка Заказ 541

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)" 119454, Москва, пр. Вернадского, 78

Принятые сокращения.

Введение.:.

1. Состояние проблемы в настоящее время.

1.1. Обзор существующих и разрабатываемых систем позиционирования.

1.1.1. Системы позиционирования на основе спутниковых систем GPS и ГЛОНАСС.

1.1.2. Угломерные системы позиционирования.

1.1.3. Разностно-дальномерные системы позиционирования.

1.1.4. Комбинированные системы позиционирования.

1.1.5. Сравнительный анализ систем позиционирования.

2. Синтез помехозащищённой системы позиционирования при наличии многолучевого распространения радиосигналов.

2.1. Описание модели сигнала.'.

2.2. Алгоритм и структура оптимальной обработки.'.

2.3. Алгоритм и структура квазиоптимальной обработки.40

2.3. Анализ потенциальной точности местоопределения.

Выводы по разделу 2.48.

3. Анализ помехозащищённой системы позиционирования при наличии многолучевого распространения радиосигналов.

3.1. Влияние геометрического фактора на точность позиционирования.

3.2. Анализ многолучевого распространения радиосигналов в.условиях города

3.3. Оптимизация выбора структуры системы, использование упрощенных вспомогательных базовых станций.

3.4. Выбор сигналов для решения задачи позиционированя в условиях городской застройки.

3.5. Анализ помехозащищённости- разностно-дальномерной системы позиционирования.

Выводы по разделу 3.

4. Повышение точности позиционирования, в условиях городской застройки.

4.1. Применение сигналов с оптимальной автокорреляционной функцией.

4.2. Применение динамически-перестраиваемых псевдослучайных последовательностей.

4.3. Использование специальных видов обработки сигналов, получаемых на ириёмньк позициях.

4.3.1. Когерентная компенсация помеховых сигналов.

4.3.2. Способ подавления боковых лепестков, основанный на обнулении заданного участка корреляционной функции.

4.4.3. Оптимальное использование избыточной информации, получаемой с дополнительных приёмных позиций и данных, получаемых при повторных измерениях.

4.4.4. Использование доплеровского смещения частоты принятого сигнала в расчетах вектора скорости и повышения точности позиционирования.

5. Моделирование на основе экспериментальных исследований характеристик распространения сигналов в городских условиях.

5.1.Описание реализованного макета разностно-дальномерной системы позиционирования.

5.1.1. Системотехнические аспекты реализации макета.

5.1.2. Алгоритмы работы макета системы.

5.2. Экспериментальные исследования распространения радиосигнала в условиях городской застройки.

В последнее время активно развиваются технологии и связанные с ними услуги по определению местоположения людей и перемещаемых объектов. К таким услугам, например, относятся:

• навигация на незнакомой местности;

• получение справочной информации (расположение ближайших заправок, магазинов и т.д.);

• вызовы экстренных служб;

• диспетчеризация транспорта;

• контроль за перемещением людей и техники.

Для решения этих задач необходимо, чтобы специализированная система определяла с требуемой точностью место, где находится абонент, т.е. решала задачу позиционирования.

На сегодняшний день подавляющее число задач позиционирования решается на основе использования приёмников спутниковых систем GPS (США) и ГЛОНАСС (Россия). Эти системы не могут в полном объёме удовлетворить потребности в услугах позиционирования, поскольку они имеют два существенных ограничения:

Приёмники спутниковых систем не могут принимать сигналы со спутников внутри зданий, поскольку эти сигналы не проходят сквозь такие препятствия, как стены и перекрытия (даже с применением технологии A-GPS); Спутниковые системы имеют слабую помехозащищённость, особенно от преднамеренных радиопомех. В частности, передатчик, мощностью всего 4 Вт способен «заглушить» приёмники GPS в радиусе 100 км [2].

В настоящее время в мире активно развиваются локальные (т.е. действующие на территории города или большого района) и сетевые системы позиционирования, в частности, на основе сотовых систем радиосвязи [3;4;67]. Более того, в некоторых странах операторы сетей связи по закону обязаны предоставлять информацию о местоположении абонентов экстренным и другим службам в случае необходимости. В частности, в США операторы связи обязаны сообщать службе 911 координаты абонентов с точностью 125м.

Основные методы определения координат в локальных наземных системах позиционирования можно разделить на три главных группы (не считая метода позиционирования с точностью до соты Cell ID), а также их комбинации:

Рис. 1. Угломерный метод позиционирования Метод определения местоположения источника радиоизлучения, основанный на определении угла прихода сигнала на нескольких приёмных позициях (рис.1), в зарубежной литературе этот метод называется АОА (angle of arrival). Для определения направления прихода сигналов сотовых телефонов или радиостанций используются фазированные антенные решетки, устанавливаемые на базовых станциях сети или в других фиксированных пунктах. Поскольку диаграмма направленности приёмных антенн базовых станций имеет определённую ширину, то точность позиционирования ухудшается по мере удаления передатчика от базовой станции. Для пеленгации объекта на плоскости, его сигнал должен быть принят не менее чем двумя базовыми станциями одновременно.

Рис. 2. Разностно-далькомерный метод позиционирования Метод определения местоположения перемещаемого объекта, основанный на определении времени прихода сигнала на различные базовые станции. Поскольку точное время излучения радиосигнала обычно неизвестно, то используется вычисление разности времён прихода сигнала на различные базовые станции, после чего эти разности времён пересчитываются в разности расстояний (рис. 2). Поэтому этот метод называется разностно-дальномерньш (или TDOA- time difference of arrival). Для однозначного определения координат на плоскости этим методом, необходимо принимать сигнал от источника излучения не менее чем тремя базовыми станциями одновременно. При этом сигнал, излученный абонентом, должен иметь полосу, достаточную для обеспечения необходимой точности позиционирования. Например, точности позициоЕгирования 30м при единичном измерении соответствует полоса сигнала 10 МГц. В реальной системе полоса излучаемого сигнала может быть меньше, т.к. необходимую точность можно достичь путём усреднения результатов серии измерений. Тем не менее, данный метод плохо применим для традиционных узкополосных систем связи.

Метод определения местоположения перемещаемого объекта, основанный на измерении амплитуды принятого сигнала. В этом методе на базовой станции производится измерение амплитуды сигнала переданного абонентом. Поскольку эта амплитуда уменьшается по мере увеличения расстояния между передатчиком и приёмником, то, измеряя амплитуду, можно судить об удалённости абонента от базовой станции. Данный метод неплохо реализуется на открытой местности, где обеспечивается прямая видимость между передатчиком и приёмником. В городе условия распространения радиосигнала далеки от идеальных и данный метод становится малопригодным, но он успешно может быть применён в качестве источника избыточных данных в комбинации с другими методами.

В настоящее время системы, использующие описанные выше принципы работы, активно развиваются, и в лучших из них точность позиционирования на открытой местности достигает единиц метров. Однако на пути практической реализации таких систем стоит немало проблем, главной из которых является многолучевое распространение радиосигнала в условиях города. Ввиду того, что в городе, где условия распространения сигнала имеют сложный характер, сигнал, излученный передатчиком, вследствие переотражений от препятствий, может приходить на приёмник с совершенно иных, по сравнению с истинным, направлений (как показано на рис.3).

Рис 3. Многолучевое распространение радиосигнала в условиях города Кроме того, на приёмных позициях уровень переотраженных сигналов может бьггь намного выше, чем у прямого сигнала, ослабленного прохождением сквозь строения. После такого ослабления, прямой сигнал может даже быть ниже уровня шума и не восприниматься приёмником, в то время как переотраженные сигналы могут иметь достаточно высокий уровень для их обнаружения. Для иллюстрации на рис.4 приведен пример огибающей сигнала, принятого в городских условиях (полоса сигнала - 5 МГц, несущая частота - 915 МГц). Для сравнения на рис. 5 представлен аналогичный сигнал, принятый в условиях прямой видимости между передатчиком и приёмником.

1 2 3 4 же

Рис. 4. Огибаюшая сигнала, принятого в условиях многолучевого распространения

1 2 3 4 шс

Рис. 5. Огибающая сигнала, принятого в условиях прямой видимости Таким образом, основным источником ошибок определения местоположения перемещаемых объектов в городских условиях является многолучевое распространение радиосигналов, когда уровень прямого сигнала от абонента, принятый базовой станцией, бывает намного меньше уровня сигнала, переотражённого от различных объектов. Ошибки измерения координат до 500м [6;7;8], которые вызваны многолучевым распространением сигналов, оказываются неприемлемо большими для большинства практических применений, особенно связанных с безопасностью, где требуемая точность не должна быть хуже, чем 30м.

Проблема позиционирования в условиях многолучевоети до настоящего времени не решена на должном уровне ввиду её сложности, в частности, теоретический синтез системы с учётом переотражений пока не даёт нужных результатов, хотя попытки такого синтеза имели место [68;69]. В предлагаемой' вниманию работе подобный синтез проведен, получены оптимальные алгоритмы и структура обработки.

Цель работы заключается в разработке и реализации комплексного подхода к проектированию локальной радиотехнической системы позиционирования, устойчивой к воздействию пассивных помех, обусловленных переотражениями сигнала в условиях городской застройки. В рамках поставленной цели решаются следующие задачи:

• выбор структуры системы в целом;

• выбор параметров зондирующих сигналов;

• разработка методов обработки принимаемых сигналов;

Исследование проводится на примере локальной системы позиционирования, использующей разностно-дальномерный метод. В состав системы входят:

• абонентские устройства (АУ) в виде малогабаритных передатчиков импульсного широкополосного сигнала с индивидуальным кодом. Передатчики могут работать либо, постоянно, позволяя системе контролировать их перемещения, либо включаться абонентом в экстремальных ситуациях для вызова службы спасения к месту происшествия;

• не менее трёх приёмных базовых станций (БС), размещаемых по периферии контролируемого района города. Назначение БС - принимать сигналы АУ, оценивать их параметры (амплитуда, частота, время прихода, индивидуальный код абонента) и передавать по каналу связи в центр управления системы;

• Центр управления системы (ЦУС) на основании принятой с БС информации рассчитывает местоположение абонентов и передаёт эти данные соответствующим потребителям;

Выбор в качестве объекта исследования именно такой системы позиционирования обусловлен, в первую очередь, её большими потенциальными возможностями (точностью позиционирования и высокой помехозащищённостью) , широким спектром потребителей, а также наметившейся сегодня тенденции к практическому использованию в городах именно таких систем.

На защиту выносится теоретическое и экспериментальное обоснование использования в локальной радиотехнической системе позиционирования предложенных типов сигналов, а также алгоритмы приёма и, обработки таких сигналов. Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Использование для создания структуры системы локационного принципа определения координат (на основе пассивной многопозиционной радиолокации), позволяет обеспечить высокую помехозащищенность системы от возможных преднамеренных помех.

2. Корректно созданная модель системы позиционирования и её сигналов позволила получить алгоритм, и структуру обработки сигналов, показывающие, что наиболее информативными являются не только прямой сигнал, но и отражения от объектов с известными характеристиками. Однако реализация такой структуры достаточно сложна и- потребовалась разработка более простых квазиоптимальных алгоритмов.

3. Использование библиотеки сигнатур - откликов фильтра на тестовый сигнал (с его переотражениями от стационарных отражателей), дало< возможность создать квазиоптимальную структуру и алгоритм' вторичной обработки сигналов, по результирующим свойствам мало отличающиеся от оптимальных, но более простые в аппаратно-программной реализации. Реализация этой структуры позволяет обеспечить измерение координат объекта при» наличии только одной приёмной позиции и при отсутствии прямого сигнала.

4. При невозможности использования сигнатурной обработки, приемлемую точность позиционирования можно получить, в (Частности, используя ФКМ сигналы с кодированием их динамически-перестраиваемыми ПСП с последующим усреднением откликов на выходе согласованного фильтра, либо применяя «расчистку» результирующего отклика от боковых лепестков в заданной области.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые для наземных локальных систем позиционирования, функционирующих в городских условиях предложен способ оптимизации формы сигнала с целью его выделения на фоне сильных отражений от зданий.

2. Разработан эффективный алгоритм когерентной компенсации помехового сигнала для наземных систем.

3. Разработан эффективный алгоритм> использования избыточных измерений угловых координат и информации о спектральных характеристиках принятых сигналов.

4. Предложен и опробован способ определения местоположения объекта, основанный на использовании априорной информации об источниках переотражения и использовании сигнатур.

Практическая ценность проведенной работы заключается в разработке комплексного подхода и апробации ряда методов и системных решений, позволяющих существенно - повысить точность. определения местоположения перемещаемого объекта радиотехническими' системами, позиционирования* в условиях многолучевого- распространения сигнала. Среди направлений, практического использования результатов работы можно выделить несколько наиболее важных:

1. Повышение точности- определения местоположения абонентов сотовых сетей' радиосвязи в интересах службы- спасения. Используемые-сегодня методы опираются на штатный технический состав сотовой радиосвязи* и-не в состоянии обеспечить высокие характеристики- пеленгации> в-условиях плотной* городской! застройки: Применение предложенных, в диссертационной' работе методов- позволит, значительно- повысить точность определения местоположения терпящих бедствие: абонентов' и обеспечить повышение эффективности оказания медицинской помощи.

2. Повышение качества функционирования систем позиционирования" перемещаемых объектов; использующие спутниковые приёмники GPS и ГЛОНАСС. Использование предложенных способов обработки сигналов, при их реализации на приёмниках спутниковых сигналов (некоторые приёмники позволяют работать с «сырыми» данными) повысит точность позиционирования в городских условиях.

3. Повышение степени помехозащищённости системы, обусловленную отсутствием у абонентов приёмного устройства, которое могло бы преднамеренно подавляться активной помехой, а также высокую точность определения местоположения абонента, система может стать основой информационного обеспечения служб безопасности (например, службы 911) оперативными данными о местоположении абонентов, оказавшихся в экстремальных ситуациях.

4. Улучшение работы служб аэропортов, морских портов, мест добычи полезных ископаемых и другие объекты, где на ограниченной территории сосредоточено большое число сотрудников и транспортных средств, и где для эффективной работы диспетчерских служб важно иметь оперативную информацию о местоположении перемещаемых объектов.

5. Повышение надёжности функционирования систем посадки летательных аппаратов (самолёты, вертолёты) на местности, где требуется высокая точность измерения положения и одновременно предельно низкая вероятность ошибок, связанных с отражением радионавигационных сигналов от ближайших объектов.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

1. Использованием апробированного математического аппарата теории случайных процессов.

2. Совпадением теоретических результатов и результатов моделирования на ЭВМ процесса выделения полезного сигнала на фоне коррелированных помех.

3. Совпадением теоретических результатов, результатов моделирования с результатами экспериментальных исследований обработки эхо-сигналов, принятых в условиях городской застройки при макетировании радиотехнической локальной радиотехнической системы позиционирования на базе МФТИ в г. Долгопрудном Московской области, и макетирования распределённой радиолокационной системы в ОАО «НПК НИИДАР».

Апробация работы:

Основные результаты работы докладывались автором на следующих конференциях:

1. Конференция "Радиолокация и связь на пороге третьего тысячелетия", Москва, апрель 2000г., ВВЦ. Система информационного обеспечения служб общественной безопасности.

2. Конференция «Высокие технологии оборонного комплекса», Москва, май 2000г., Экспоцентр. Системы позиционирования как средство обеспечения личной безопасности граждан.

3. Конференция "Радиолокация, навигация, связь», апрель 2005 . г.Воронеж, ВГУ. Локальная система позиционирования, устойчивая к многолучевому распространению сигнала:

4. VI всероссийская отраслевая научно-техническая конференция «Проблемы создания лазерных систем», 1-3 октября 2008г. г. Радужный Владимирской обл., ФГУП ГосНИИЛЦ РФ «Радуга». Радиотехническая система формирования целеуказаний лазерным средствам наведения.

5.58-я научно-техническая конференция МИРЭА, май 2009. Метод подавления боковых лепестков, основанный на обнулении заданного участка корреляционной функции.

6.59-Я) научно-техническая конференция МИРЭА, май 2010. Квазиоптимальная обработка сигналов в системе позиционирования.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1.3арецкий С.В. Проблемы позиционирования в нефтегазовой отрасли //Нефтегазовые технологии. - 2000. - № 1.

2.3арецкий С.В. Использование сигнатур для повышения точности определения местоположения подвижных объектов в локальных системах позиционирования // Электронный журнал Исследовано в России: электронный журнал. — 2001. — 84; стр. 937-943 [Электронный ресурс]. URL: http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/084.pdf (дата обращения: 12.04.2010).

З.Зарецкий С.В., Сельменев Е.А. Метод подавления боковых лепестков сигнала в виде бинарной фазоманипулированной последовательности. // Электронный журнал Исследовано в России: электронный журнал. — 2008. — 78,стр. 846-852 [Электронный ресурс]. URL: http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2008/078.pdf (дата обращения: 12.04.2010).

4.А.Н. Королёв, А.Ф. Котов, С.В. Зарецкий. Синтез системы позиционирования при наличии многолучевого распространения радиосигналов. Депонированная рукопись. Депонирование в ВИНИТИ1' 09.12.09., Ж784-В2009.

5.А.Н. Королёв, А.Ф. Котов, С.В. Зарецкий. Квази-оптимальная структура устройства обработки сигналов для системы позиционирования при наличии многолучевого распространения радиосигналов. Депонированная рукопись. Депонирование в ВИНИТИ 09.12.09., №785-В2009.

6. Зарецкий С.В. Способ выделения полезного сигнала на фоне боковых лепестков мешающих отражений // Наукоёмкие технологии. — 2010. — № 3.

Авторские решения, защищенные патентами:

1. Патент № 84996 РФ. Пассивная многопозиционная радиотехническая система/ Зарецкий С.В., Зарецкий В.И.; Заявка № 2008134198 от 31.10.2008; I

Приоритет 31.10.2008:

2. Патент №85676 РФ: Радиотехническая система определенияместоположения излучающих наземных объектов в условиях .многолучевого распространения радиосигнала/ Зарецкий С.В. Заявка №2008149015 от 12.12.2008; Приоритет 12.12.2008.

Внедрение основных результатов работы. Полученные при выполнении диссертационной работы результаты нашли отражения в пяти отчётах по НИР и использованы в ОАО - «НГПС «НИИДАР», внедрены в учебно-научный процесс в МИРЭА, что подтверждается соответствующими актами.

По материалам диссертации опубликовано пять печатных работ, .одна из которых опубликована- в журнале из перечня ВАК, а две из которых опубликованы в электронном журнале «Исследовано в России» (в соответствии с письмом ВАК от 26.05.98-№01-56-05-103 в адрес МФТИ признан научным изданием, допустимым для опубликования содержания диссертаций); Поданы две заявкина полезную модель и получены два патента.

Объём и структура работы: Данная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.

В первой главе данной работы описывается текущее состояние проблемы позиционирования перемещаемых объектов в условиях многолучёвости, анализируются характеристики существующих и создаваемых систем позиционирования и проводится их сравнительный анализ. Рассматриваются системы, реализованные на основе глобальных спутниковых систем GPS и ГЛОНАСС, и делается заключение об их ограниченной пригодности для решения задач, связанных с безопасностью. Рассматриваются системы позиционирования, основанные на системах сотовой радиосвязи, в частности, использующие угломерный, разностно-дальномерный и комбинированный методы определения местоположения перемещаемого объекта. Даётся описание и рассматриваются особенности проблем, связанных с многолучевым распространением сигнала. Проведены оценки влияния» многолучевого распространения на основные характеристики1 систем позиционирования - на точностные параметры, разрешающую способность, однозначность измерений, дальность действия.

Во второй главе диссертационной работы приведены результаты статистического синтеза устройства приёма, и обработки наземной1 системы' позиционирования с учётом наличия переотражений от местных предметов и флуктуационных помех. В процессе синтеза были разработаны математические модели смеси сигнала и помех, алгоритм оптимальной, обработки принимаемого сигнала по критерию максимальной апостериорной вероятности, а также структурная схема устройства,обработки, реализующая этот алгоритм. Эта схема, несмотря на то, что является оптимальной, на практике очень сложно реализуема, поэтому для практического использования разработана квазиоптимальная структура обработки, которая может значительно сократить вычислительные и аппаратурные ресурсы системы, но использовала бы все свойства сигналов, переотраженных от стационарных объектов.

Глава 3 диссертации посвящёна' анализу помехозащищённой системы позиционирования при наличии многолучевого распространения радиосигналов. В результате проведенного анализа выявлено, что система позиционирования, построенная по принципу размещения приёмных позиций равномерно по территории её работы и размещения передатчика на перемещаемом объекте обладает следующим свойствами:

1. Наилучшая точность определения координат объекта (соизмеримая с точностью первичных параметров в разностно-дальномерной системе) достигается при нахождении объекта внутри треугольника, образованного приёмными базовыми станциями, а снаружи треугольника точность значительно ухудшается.

2. Характерная задержка измерения времени распространения сигнала в городских условиях составляет 1 мкс, что затрудняет позиционирование с точностью до 30м традиционными методами (угломерным и разностно-д ал ьномерным).

3. При прочих равных условиях в системе следует использовать сигнал с максимальной шириной полосы. '

4. Система позиционирования, построенная по такому принципу, имеет высокий уровень помехозащищённости за счёт того, что передатчик находится на подвижном объекте и для вывода системы из строя необходимо поставить помехи всем приёмным позициям, которые могут принимать сигнал от него, что практически сделать очень сложно, при том, что в такой системе возможно определение координат помехопостановщиков.

В разделе 4 диссертационной работы представлены алгоритмы и структура устройства обработки, в которых сигнатурная вторичная обработка отсутствует. Такая ситуация возможна при отсутствии некоторых априорных данных о местных предметах. Одним из предлагаемых вариантов решения данной проблемы является использование ДП ПСП. Способ подавления боковых лепестков заключается в смене ПСП в каждом периоде передачи и приёма. Следующий предлагаемый способ решения этой задачи заключается в обнулении боковых лепестков на заданном интервале. Предложенный способ т.н. расчистки позволяет обнулить, отклик фильтра в требуемой зоне, даже с учётом боковых лепестков АКФ исходного сигнала. Суть способа заключается в аналитическом определении комплексных коэффициентов при весовом суммировании откликов смещённых по оси задержек. При избыточном количестве измерений, только некоторая, часто небольшая, часть откликов (в составе принятой пачки) фильтра, превысивших порог, может соответствовать прямому распространению радиосигнала, но какая-именно из них — априорно неизвестно. Для- устранения, возможных ошибок предлагается способ обработки, описанный аналитически.

Раздел 5 диссертации посвящен моделированию на основе экспериментальных исследований характеристик распространения сигналов в городских условиях. Для учёта особенностей многолучевого распространения радиоволн при наличии переотражений от городских построек было проведено полунатурное моделирование непосредственно в одном из районов г.

Долгопрудный Московской обл. Результаты моделирования подтвердили правильность теоретических предпосылок и позволили получить количественные оценки точностных характеристик системы позиционирования.

Заключение.

Работа посвящена разработке способов повышения точности определения-местоположения объектов в локальной системе позиционирования в условиях интерференции и многолучевого распространения сигналов. Предложены и разработаны алгоритмы обработки сигналов, отражённых от наземных объектов наблюдения в условиях влияния отражений от местных предметов в городских условиях.

Был проведен статистический синтез устройства приёма и обработки наземной системы позиционирования с учётом наличия переотражений от местных предметов и флуктуационных помех. В процессе синтеза были разработаны модели смеси сигнала и помех, алгоритм оптимальной обработки принимаемого сигнала по критерию максимальной апостериорной вероятности, а также структурная схема устройства обработки, реализующая этот алгоритм. Эта схема, несмотря на то, что является оптимальной, на практике очень сложно-реализуема, поэтому для практического использования была разработана квазиоптимальная структура сигнатурной обработки, которая позволяет значительно сократить вычислительные и аппаратурные ресурсы системы, но использует все свойства сигналов,- переотраженных от стационарных объектов.

Для случаев, когда нет априорных данных о среде распространения сигнала и сигнатурная обработка невозможна, предложена- методика формирования-сигнала с автокорреляционной функцией, позволяющей в несколько раз (до десяти) снизить уровень боковых лепестков • ВКФ мешающего сигнала в зоне нахождения отклика полезного сигнала. Данный способ эффективен при большой базе сигнала WT~103 и позволяет принимать полезный сигнал на фоне отражений если уровень прямого сигнала превышает уровень шума.

Предложен способ повышения точности позиционирования при помощи когерентной компенсациии помехового сигнала в процессе корреляционной обработки. Использование данного способа наиболее эффективно в случаях, когда невозможно оптимально выбрать автокорреляционную функцию сигнала (например, вследствие малой базы сигнала или вследствие использования заранее заданных сигналов, которые не подлежат изменению).

Совокупное использование предложенных способов позволяет повысить точность позиционирования на порядок (например, с 300м до 30м при полосе сигнала 10 МГц) в случаях, когда прямой сигнал выше уровня шума, но изначально маскирован боковыми лепестками коррелированной помехи, а использования алгоритмов, основанных на использовании сигнатур позволяет измерять координаты объекта даже при отсутствии прямого сигнала.

Полученные при выполнении диссертационной работы результаты использованы в ОАО «НПК «НИИДАР», внедрены в учебно-научный процесс в МИРЭА и могут найти практическое применение в разрабатываемых системах позиционирования объектов (в т.ч. созданных на основе GPS/TJTOHACC) и при создании эффективной и надёжной системы индивидуальной безопасности.

1. Кондратьев B.C., Котов А.Ф., Марков JI.H. Многопозиционные радиотехнические системы. М.: Радио и связь, 2007. — С. 47.

2. Бобровский С. Военные известия // PC Week, 1998. № 16.

3. Дозморов А., Сталенков С. Автоматизированный радиоконтроль // Connect-мир связи, 1998. №1. С.53.

4. Глинских А. Новый этап развития систем позиционирования // Компьютер Информ, 2000. № 22.

5. Сколотнев И. Позиционирование мобильных телефонов // СевероЗападный Телеком, 2000. №3 (11).

6. Сох D.C. Delay dopier characteristic of multipath propagation at 910 MHz in suburban mobile radio environment. IEEE Trans. Antennas and Propagat. 1972. Vol 20. № 5. P. 625-635.

7. Fumio J., Susumi J. Analysis of multipath propagation structure in urban mobile radio environments. IEEE Trans. 1980. Vol AP-28. N 4. P. 531-537.

8. Г.А. Пономарёв, A.H. Куликов, Е.Д. Тельпуховский. Распространение УКВ в городе. Томск: МП «Раско», 1991. - С. 15-18.

9. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС. Под ред. В.И. Харасова, А.И. Петрова, В.А. Болдина. М.: ИПРЖР, 1998. -С.10

10. Бекетов С.В., Королев А.Н., Потапов А.В. Оценка местоположения источника импульсного сигнала неизвестной формы. М.: Радиотехника и электроника, 1973, т. 18, № 8.

11. US Patent 6,275,705 Location and tracking system

12. US Patent 6,094,168 Position determining system

13. US Patent 5,838,279 Navigation and tracking system for shielded spaces

14. В.С.Черняк. Многопозиционная радиолокация. M.: Радио и связь, 1993. - С.279-287.

15. В.Я.Аверьянов. Разнесенные радиолокационные станции и системы. — Минск: Наука и техника, 1978. С. 58.

16. Вакман Д.Е., Седлецкий P.M. Вопросы синтеза радиолокационных сигналов. М.: Сов. Радио, 1973.С.129.

17. Амиантов И.Н. Избранные вопросы статистической теории связи. М.: Сов. Радио, 1971.С. 45.

18. Вакман Д.Е. Сложные сигналы и принцип неопределённости в радиолокации. М.: Сов. Радио, 1965. С. 51, 187.

19. Радиэлектронные системы. Основы построения и теория. Справочник. Под ред. Я.Д.Ширмана. М: ЗАО «Максвис», 1998.

20. М. К. Varanasi, "Successive Cancellation in Fading Multipath CDMA Channels," Proc. IEEE Int Symp on Information Theory, Whistler, B.C. Canada, September 1995.

21. Король O.B., Кучеров И.С., Чурилин Д.Б. Повышение точности определения местоположения источников узкополосных радиоизлучений многопозиционной разностно-дальномерной системой // Радиотехника. -1998. № 5: С78-81.

22. Кононыхина Н.А., Федоров Ю.П. Эффективный алгоритм и программа определения местоположения объектов для систем многопозиционной радионавигации. М.: Теория и техника радиосвязи, 1997 № 1. С61-73.

23. US Patent 6,201,499. Time difference of arrival measurement system.

24. US Patent 6,188,354 Method and apparatus for determining the location of a remote station in a CDMA communication network.

25. US Patent 6,172,644 Emergency location method for a wireless location-system.

26. US Patent 6,108,555 Enchanced time difference localization system.

27. US Patent 6,097,336 Method for improving the accuracy of a wireless location system.

28. US Patent 5,982,324 Combining GPS with TOA/TDOA of cellular signals to locate terminal.

29. US Patent 6,212,391 Method for positioning gsm mobile station

30. В.П.Комолов , И.Т. Трофименко. Квантование фазы при обнаружении радиосигналов. «Советское радио» 1976. Стр.89.

31. H.C.So, P.C.Ching and Y.T.Chan, "A new algorithm for explicit adaptation of time delay," IEEE Trans. Signal Processing, vol.42, pp. 1816-1820, July 1994.

32. H.C.So and P.C.Ching, "Convergence dynamics of an adaptive time delay estimator in multipath channels," IEEE Trans. Aerospace and Electronic Systems, vol. 33, no.3, pp. 1071-1076, July 1997

33. US Patent 6,208,842 Method and apparatus for estimating a channel parameter.

34. Vishnu Vardhan Siripi. Investigation of an optimal utilization of Ultra-wide band measurements for position purposes. University essay from Karlstads university 2006;

35. US Patent 6,009,334 Method and system for determining position of mobile radio terminals

36. US Patent N 6,112,095. Signature matching for location determination in wireless communication systems.

37. US Patent N 6,104,344 Efficient storage and fast matching of wireless spatial signatures.

38. US Patent 6,064,339. Subspace signature matching for location ambiguity resolution in wireless communication systems

39. US Patent 6,101,390 Calibration table generation for wireless location determination

40. B.C. Ефименко, В.Н.Харисов. Оптимальные алгоритмы разделения пространственно-разнесенных источников излучения // Статистический синтез радиосистем, 1996. №1.

41. С.А. Сергеев. Алгоритм синхронизации с использованием пространственно-многоканального приёма в системах радиосвязи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты. // Статистический синтез радиосистем, 1997. №2.

42. Hanle E. Survey of bistatic and multistatic radar. "IEE Proc.", 1986, F 133, №7, 587-595

43. D'Addio E., Farina A. Overview of detection theory in multistatic radar. IEE Proc.", 1986, F 133, №7, 613-623

44. US Patent RE36,891. Location system adapted for use in multipath environments

45. Axelrad, P., Comp, C.J. and Macdoran, P.F. (1996) SNR-Based Multipath Error Correction for GPS Differential Phase, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. 32, pp. 650-660.

46. Axelrad, P., C.J. Comp, and P.F. MacDoran, (1994) Use of Signal-to-Noise Ratio for Multipath Error Correction in GPS Differential Phase Measurements. ION-GPS 94, Salt Lake City, 655-666, September

47. Axelrad, P., K. Gold, P. Madhani, and A. Reichert, (1999) Analysis of Orbit Errors Induced by Multipath for the ICESat Observatory. ION GPS-99, Nashville, 11 pages, September.

48. Braasch M S and G McGraw (1999). GNSS Multipath Mitigation Using Gated and High Resolution Correlator Concepts. Proceedings of the Institute of Navigation National Technical Meeting, San Diego, CA, January 25-27, 1999.

49. Breeuwer, E. (1991), Modeling and Measuring GPS Multipath Effects, Master's Thesis, Faculty of Electrical Engineering, Delft University of Technology, Delft, The Netherlands, January, 117 pp.

50. Garin, L., F. van Diggelen and J. Rousseau (1996), Strobe & Edge Correlator Multipath Mitigation for Code, Proceedings of ION GPS-96, Kansas City, September 17-20, pp. 657-664.

51. L. Ge, S. Han, & C. Rizos (2000). Multipath Mitigation of Continuous GPS Measurements Using an Adaptive Filter. GPS Solutions, Vol.4, No.2, 2000, 19-30

52. Genrich, J. and Bock, Y. (1992) Rapid Resolution of Crustal Motion at Short Ranges with the Global Positioning System, Journal of Geophysical Research, Vol. 97, No. B3, pp. 3261-3269

53. Georgiadou, Y. and A. Kleusberg (1988), On Carrier Signal Multipath Effects in Relative GPS Positioning, manuscripta geodatica, Springer-Verlag, 13, 3, pp. 172-179.

54. Hannah, M.B., Walker, R.A. and Kubik, K. (1998) Toward a Complete Virtual Multipath Analysis Tool, Proceedings of ION GPS-98, Nashville, Tennessee, USA, pp. 1055-1063.

55. Hart, J.D (1997) Nonparametric Smoothing and Lack-of-Fit Tests, Springer, New York, 287 pp.

56. Hartinger H, Brunner FK (1998) Signal Distortion in High Precision GPS Surveys. Survey Review 34: 531-541

57. Hartinger H, Brunner FK (1998) Experimental Detection of Deformations using GPS. In: Kahmen H, Bruckl E, Wunderlich T (eds) Geodesy for Geotechnical and Structural Engineering. Proc IAG Special Commission 4 Symposium Eisenstadt, pp 145-152

58. Jia, M., Tsakiri, M., and Stewart, M. (1999) Mitigating Multipath Errors Using Semi-parametric Models for High Precision Positioning, Geodesy Beyond 2000, IAG 121 (Schwarz, ed.), pp. 393-398.

59. Ю. А. Громаков, А. В. Северин, В. А. Шевцов. Технологии определения местоположения в GSM и UMTS. М.: Эко-Трендз, 2006.

60. Королёв А.Н., Котов А.Ф. Обработка сигналов в пассивных многопозиционных PJIC при наличии коррелированных помех // Радиотехника,2007. №9. С. 61.

61. М.С. Ярлыков, М.А. Миронов. Марковская теория оценивания случайных процессов. М.: Радио и связь, 1993.

62. Черняк B.C. Многопозиционная радиолокация. — М: «Радио и связь», 1993.

63. Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника, с77. Нью-Йорк, 1970. Перевод с англ. (в четырёх томах) под общ. Ред. К.Н. Трофимова. Том 1. Основы радиолокации. Под ред. Я.С. Ицхоки. М: Советское радио, 1976. 456 с.

64. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Радио и связь, 1982.

65. Ч. Кук, М. Бернфельд. Радиолокационные сигналы. Перевод с англ. Под ред. B.C. Кельзона. М., 1971.