автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Исследование и разработка алгоритмов приема и совместной обработки дискретно-непрерывных шумоподобных сигналов в абонентских терминалах спутниковых систем мобильной связи с кодовым разделением каналов и возможностью позиционирования

На правах рукописи

Ярлыкова Светлана Михайловна

Исследование и разработка алгоритмов приема и совместной обработки дискретно-непрерывных шумоподобных сигналов в абонентских терминалах спутниковых систем мобильной связи с кодовым разделением каналов и возможностью позиционирования

Специальность: 05.12.13 - «Системы связи, сети и устройства телекоммуникаций»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2005

Работа выполнена в лаборатории «Системно-сетевые вопросы мобильной связи» Центрального научно-исследовательского института связи

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Леонид Егорович Варакин

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Герман Олегович Бокк

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Юрий Арсеньевич Соловьев

Ведущая организация:

Научно-исследовательский институт радио (ФГУП НИИР)

Защита диссертации состоится « / » -Я 2005 г.

в ]£ часов на заседании диссертационного совета К219.001.03 Московского технического университета связи и информатики (МТУСИ) по адресу: 111024, Москва, ул. Авиамоторная, д. 8а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МТУСИ.

Автореферат разослан

л (С/тчй-

2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

Н.Е. Поборчая

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В системах мобильной связи (CMC) третьего поколения (3G) важная роль отводится спутниковым CMC, предназначенным для предоставления широкого спектра услуг (голосовые услуги, услуги мультимедиа, мобильный доступ в Интернет, услуги позиционирования и т.д.) подвижным пользователям (естественно, что и пользователям фиксированных систем связи) в заданной зоне действия и практически в реальном времени.

Особое место в теории и практике спутниковых CMC занимают системы, которые основаны на технологиях CDMA. WCDMA и им подобных, что обусловлено преимуществами шумоподобных сигналов (ШПС) и метода многостанционного доступа с кодовым разделением каналов (МДКР) по помехоустойчивости и скрытности связи, качеству функционирования систем в условиях многолучевости и др.

Потребности жизни, а также конкуренция вынуждают операторов спутниковых CMC настойчиво бороться за расширение номенклатуры предоставляемых услуг, среди которых важное место занимают услуги, связанные с позиционированием (например, спутниковая CMC Globalstar). В то же время качество позиционирования (прежде всего его точность) абонентских терминалов (AT) спутниковых CMC при использовании только собственных радиосигналов в большинстве случаев не удовлетворяет предъявляемым сегодня требованиям. Выход из сложившейся ситуации возможен путем привлечения (в той или иной мере) среднеорбитальных спутниковых радионавигационных систем (СРНС) типов ГЛОНАСС (Россия) или GPS (США) и создания на этой основе единых многофункциональных интегрированных AT (МИАТ), которые способны выполнять телекоммуникационные функции и функции позиционирования.

Для различных групп подвижных пользователей (воздушных, морских, наземных) многие факторы реальных условий функционирования (усложнение электромагнитной обстановки, наличие различных помех, многолучевость, вероятность затенения видимых космических аппаратов (КА), наличие перерывов в слежении за ними, особенности распространения радиоволн в городских районах, туннелях, горах) заметно снижают качество работы спутниковых CMC, приводя к тому, что они не удовлетворяют предъявляемым требованиям по точности, помехоустойчивости и т.д.

Чтобы парировать негативные воздействия особенностей применения и довести качество функционирования радиосвязи спутниковых CMC с кодовым разделением каналов до уровня современных требований, целесообразно выполнять AT в виде многоканальных приемо-обрабатывающих устройств с автономным контролем целостности (RAIM-технология), способных за счет использования информационной избыточности (концепция all-in veiw) изменять свою структуру (варьировать каналы приема и их количество) практически в реальном времени согласно текущим условиям.

В этой связи исследование и разработка алгоритмов приема и совместной обработки дискретно-непрерывных ШПС в AT спутниковых CMC с кодовым разделением каналов и

возможностью позиционирования, удовлетворяющих предъявляемым требованиям по качеству функционирования в реальных условиях применительно к различным группам подвижных пользователей, является актуальной научной задачей для развития спутниковых систем подвижной связи нового поколения.

Целью диссертации является повышение качества функционирования (точности, помехоустойчивости, целостности и т.д.) AT спутниковых CMC с кодовым разделением каналов и возможностью высокоточного позиционирования на основе объединения с СРНС путем оптимизации реконфигурируемых алгоритмов приема и комплексной первичной обработки ШПС при наличии информационной избыточности (дополнительные КА, наличие автономных измерителей скорости).

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Выбор и обоснование методов и критериев оптимизации алгоритмов приема и совместной обработки сигналов спутниковых CMC, СРНС и автономных измерителей скорости.

2. Разработка математических моделей (ММ) сигналов, помех, информационных и сопутствующих параметров.

3. Решение «собственно» задачи синтеза алгоритмов приема и совместной обработки дискретно-непрерывных ШПС в AT спутниковых CMC с кодовым разделением каналов и возможностью позиционирования (получение уравнений для оптимальных и субоптимальных оценок компонент векторного дискретно-непрерывного процесса (Д НП)).

4. Разработка и обоснование субоптимальных структурных схем МИАТ спутниковых CMC с кодовым разделением каналов и с возможностью высокоточного позиционирования на основе объединения с СРНС и автономными измерителями скорости.

5. Оценка качества функционирования (точности, помехоустойчивости и целостности) таких МИАТ и выработка практических рекомендаций по их применению.

Методы исследования. Для решения поставленных задач исследования были использованы положения теории марковских процессов и марковской теории оптимального оценивания случайных процессов, теории вероятностей и случайных процессов, теории сложных сигналов, методы математической статистики, автоматического управления и вычислительной математики.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны ММ принимаемых ШПС и помех на входе МИАТ (а также сигналов автономных измерителей скорости) для спутниковых CMC с кодовым разделением каналов и возможностью позиционирования. Такие ММ достаточно полно отражают реальные условия функционирования спутниковых CMC, СРНС и автономных измерителей скорости с учетом таких особенностей как: фазовая манипуляция ШПС, наличие дискретных информационного и энергетического параметров, запаздывание радиосигналов, относительное перемещение AT и КА, наличие эффекта Доплера, многолучевость, наблюдение сигналов инерциальной навигационной системы (ИНС) на фоне окрашенных (небелых) шумов и т.п.

2. Получены на базе марковской теории оптимального оценивания случайных процессов (применительно к некомплексной и комплексной оптимальной нелинейной обработке наблюдений) аналитические выражения:

- для апостериорных смешапных распределений (АСР) векторного ДНП, у

которого дискретная часть - двухкомпонентный вектор в виде цепей Маркова, а

непрерывная - многомерный диффузионный марковский процесс;

- для условных апостериорных вероятностей (АВ) дискретных компонент ДНП;

- для апостериорной плотности вероятности (АПВ) выборки непрерывных

компонент ДНП.

Полученные выражения позволяют в принципе всегда в соответствии с выбранным критерием получить общие соотношения для оптимальных оценок дискретных и непрерывных компонент таких ДНП.

3. Синтезированы оптимальные (субоптимальные) реконфигурируемые, помехоустойчивые (благодаря информационной избыточности и автономному контролю целостности (АКЦ)) алгоритмы с обратными связями по дискретным параметрам (для случаев некомплексной и комплексной обработки наблюдений) применительно к МИАТ спутниковых CMC с кодовым разделением каналов и с возможностью позиционирования. При этом предусматривается совместная обработка радиосигналов CMC, CPHC, а также автономных измерителей скорости.

4. Разработаны на основе синтезированных алгоритмов структурные схемы субоптимальной системы комплексной обработки информации (КОИ) в МИАТ спутниковой CMC с кодовым разделением каналов и возможностью позиционирования, которые реализуют потактовую двухэтапную обработку принимаемых ШПС от всех одновременно видимых в данный момент связных КА (СКА) и навигационных КА (НКА) (концепция all-in view) в случаях некомплексной и комплексной обработки наблюдений. Использование в предлагаемых алгоритмах и структурных схемах информационной избыточности и АКЦ является существенным фактором повышения точности и помехоустойчивости МИАТ, особенно в условиях, когда имеет место работа с ограниченными созвездиями СКА или НКА, большое значение геометрического фактора или сложная помеховая обстановка.

5. Разработаны:

- методика расчета вероятностей ошибочного приема двоичных дискретных параметров в зависимости от отношения сигнал/шум на входе приемника, от коэффициента глубины AM и от точности фильтрации фазы; .

-методика расчета потенциальных характеристик точности позиционирования МИАТ спутниковых CMC с кодовым разделением каналов для случаев некомплексной и комплексной обработки ШПС от всех одновременно видимых СКА и НКА при различных вариантах конфигурации созвездий и разных условиях функционирования.

6. Рассчитаны характеристики точности и помехоустойчивости субоптимальных МИАТ (вычислены вероятности ошибочного приема дискретных информационного и энергетического параметров и апостериорные дисперсии случайной фазы) и характеристики

точности позиционирования пользователей для различных условий функционирования (в зависимости от отношения сигнал/шум, количества одновременно видимых СКА и НКА и т.п.).

Практическая значимость работы. Полученные в диссертации результаты (алгоритмы, структурные схемы и количественные характеристики качества функционирования) позволяют осуществить практическую разработку многофункциональных интегрированных AT для нового поколения спутниковых CMC с кодовым разделением каналов и возможностью высокоточного позиционирования, которые как по номенклатуре услуг, так и по качеству их предоставления различным группам подвижных пользователей (воздушных, морских, наземных) удовлетворяют предъявляемым требованиям в реальных условиях применения.

Результаты диссертации могут быть также использованы при разработке технических требований к спутниковым CMC с кодовым разделением каналов.

Внедрение результатов работы

Основные теоретические и практические результаты, полученные в диссертации использованы в научно-производственной деятельности ЦНИИС и НИИР, а также в учебном процессе МТУСИ, что подтверждено соответствующими актами внедрения.

Личный вклад

Теоретические и практические исследования, проведенные расчеты с использованием ЭВМ, а также вывсды и рекомендации получены автором лично.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Российских и Международных конференциях по проблемам развития систем мобильной связи и обработке сигналов (6-я Международная конференция «Цифровая обработка сигналов и ее применение»; XII Международная конференция «Мобильный бизнес: проблемы и решения»; Первый Российский CDMA-450 конгресс-2004), а также на научно-технических конференциях ЦНИИС и МТУСИ в 2001-2004 гг.

Публикации результатов

Основные научные результаты диссертации опубликованы в научных изданиях в виде 7 статей (в том числе в журналах «Радиотехника и электроника» и «Радиотехника») и одной коллективной монографии.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа изложена на 193 страницах, содержит 32 рисунка, список литературы состоит из 95 наименований, Кроме того, содержит 8 приложений на 36 страницах.

Положения, выносимые на защиту;

1. Математические модели принимаемых ШПС спутниковых CMC с кодовым разделением каналов и возможностью позиционирования, а также информационных и сопутствующих параметров таких сигналов.

2. Аналитические выражения:

- для АСР марковских ДНП, у которых дискретная часть - двухкомпонентный вектор в виде цепей Маркова, а непрерывная - многомерный диффузионный марковский процесс;

- для условных АВ дискретных компонент векторных марковских ДНП;

- для АПВ непрерывных компонент таких ДНП

Выражения получены для случаев некомплексной и комплексной обработки наблюдений.

3. Оптимальные и субоптимальные реконфигурируемые помехоустойчивые (в частности, благодаря информационной избыточности и АКЦ) алгоритмы с обратными связями по дискретным параметрам для случаев некомплексной и комплексной нелинейной обработки наблюдаемых ШПС в МИАТ спутниковых CMC с кодовым разделением каналов и возможностью высокоточного позиционирования (при их объединении с СРНС и автономными измерителями скорости).

4. Структурные схемы субоптимальной системы КОИ в МИАТ спутниковых CMC с кодовым разделением каналов и возможностью высокоточного позиционирования, реализующие потактовую двухэтапную обработку принимаемых ШПС от всех одновременно видимых СКА и НКА (концепция all-in view) в случаях некомплексной и комплексной обработки наблюдений.

5. Методики расчета вероятностей ошибочного приема двоичных дискретных информационного и энергетического параметров и потенциальных характеристик точности позиционирования МИАТ спутниковых CMC с кодовым разделением каналов, а также результаты анализа точности и помехоустойчивости МИАТ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснован выбор темы диссертации, ее актуальность, новизна и практическая значимость; сформулированы цель и задачи исследования; указаны положения, выносимые на защиту; определены структура и объем диссертации, кратко изложено ее содержание.

В первой главе выполнен анализ состояния, особенностей функционирования и перспектив развития спутниковых CMC с кодовым разделением каналов и возможностью позиционирования. Изложены пути повышения качества предоставления услуг, связанных с позиционированием в спутниковых CMC на основе комплексирования их со среднеорбитальными СРНС типов ГЛОНАСС и GPS. Произведены выбор и обоснование методов оптимизации алгоритмов приема и совместной обработки сигналов спутниковых CMC, СРНС и автономных измерителей скорости. Отмечено, что заметное расширение состава услуг (голосовые услуги, услуги мультимедиа, интерактивного телевидения, мобильного доступа в Интернет, позиционирования и т.д.) предоставляемых спутниковыми CMC с кодовым разделением каналов различным группам подвижных пользователей (воздушных, морских, наземных и др.) предъявляет высокие требования к качеству функционирования систем, и прежде всего к таким характеристикам, как точность (достоверность), помехоустойчивость, оперативность (пропускная способность) и

надежность связи. При этом к спутниковым CMC третьего поколения (при функционировании в реальном времени) предъявляются, в частности, следующие требования: вероятность ошибочного приема символа максимальная задержка

< 400мс; передача голоса и данных со скоростью 64 кбит/с в прямом канале связи и 16 кбит/с в обратном. Выполнение услуг, связанных с позиционированием абонентов, которые возлагаются на спутниковые CMC, обуславливает необходимость включения в число основных требований, предъявляемых к системам связи, также требования по целостности (integrity) системы, что и отмечается в соответствующих нормативных документах по связи.

Проведенная оценка влияния условий функционирования на работу AT спутниковых CMC с кодовым разделением каналов показала, что многие факторы реальных особенностей функционирования (усложнение электромагнитной обстановки, наличие помех естественного и искусственного происхождения, многолучевость, вероятность затенения видимых КА, наличие перерывов в слежении за ними, рост числа активных абонентов, особенности распространения радиоволн в городских районах, туннелях, горах и др.) заметно снижают качество работы спутниковых CMC, приводя к тому, что они в ряде случаев не в полной мере удовлетворяют предъявляемым требованиям по основным указанным характеристикам.

Чтобы компенсировать негативные воздействия условий функционирования и довести качество радиосвязи до уровня современных требований, целесообразно выполнять AT спутниковых CMC с кодовым разделением каналов в виде многоканальных приемо-обрабатывающих устройств с АКЦ, способных за счет использования информационной избыточности (например, дополнительных КА сверх минимально необходимых) изменять свою структуру (каналы приема) в реальном времени согласно текущим условиям.

По принципу действия современные AT должны выполнять функции различения (обнаружения) принимаемых сигналов по энергетическому уровню, исключения слабых парциальных сигналов из обработки и последующего оценивания информационных и сопутствующих процессов.

Требуемое качество позиционирования AT спутниковых CMC во многих случаях не может быть обеспечено на основе приема и обработки только лишь их собственных радиосигналов, что вызывает необходимость интеграции спутниковых CMC и среднеорбитальных СРНС типов ГЛОНАСС и GPS и, в частности, требует разработки единого многофункционального интегрированного AT.

Глубина интеграции телекоммуникационного и навигационного оборудования в таком МИАТ в зависимости от его назначения, решаемых задач и предъявляемых требований различна: от простого комбинирования и до применения КОИ на вторичном и первичном уровнях.

Отмечено, что при создании МИАТ для динамичных потребителей (например, авиационных) следует предусматривать дополнительное комплексирование с автономными измерителями скорости (прежде всего ИНС).

Показано, что применительно к задаче синтеза реконфигурируемых помехоустойчивых МИАТ спутниковых CMC с кодовым разделением каналов наиболее предпочтительным является аппарат марковской теории оптимального оценивания дискретно-непрерывных случайных процессов, который позволяет корректно учесть реальные условия функционирования и разработать оптимальные (или близкие к ним) алгоритмы приема и совместной обработки ШПС спутниковых CMC и СРНС, а также сигналов автономных измерителей скорости.

Применительно к синтезу алгоритмов КОИ методы МТО (в частности, методы поэтапного решения уравнения Стратоновича и гауссовской аппроксимации АПВ) потребовали разработки соответствующих ММ наблюдаемых и оцениваемых ДНП. Поэтому в первой главе разработаны ММ принимаемых ШПС спутниковых CMC с кодовым разделением каналов и СРНС, а также выходных сигналов автономных измерителей скорости. Для того, чтобы в разрабатываемом МИАТ можно было реализовать алгоритм различения (обнаружения) принимаемых радиосигналов от всех видимых КА по энергетическому уровню, т.е. учитывать отказы тех или иных каналов обработки радиосигналов (КОРС), необходимо сформировать дискретную ММ амплитудных замираний ШПС на входе приемника.

Тогда вектор наблюдения можно представить в виде:

(¥iO = [S?(/),32W, te[t„t),

где - вектор принимаемых радиосигналов, искаженных помехами (в

частности, совокупность сигналов от всех одновременно видимых спутниковых CMC и СРНС на входе МИАТ); - вектор дополнительных наблюдений (в частности,

совокупность сигналов от автономных измерителей скорости, например, ИНС «т» - символ транспонирования.

Наблюдения на входе МИАТ от всех одновременно видимых СКА и НКА имеют вид:

Вн(0 = В«(0.....4иь('),-4нЛOf, О)

где £q>(0 и ¿¡Hb(t) - наблюдения от р-го СКА и b-го НКА, I и J - общее число всех одновременно видимых в данный момент времени СКА и НКА, индексы «с» и «н» означают «связной» и «навигационный».

Принимаемый радиосигнал от какого-либо одного СКА или НКА может быть записан

в виде

(4)

где - принимаемый полезный радиосигнал; - аддитивная флуктуационная помеха,

аппроксимируемая стационарным белым гауссовским шумом (БГШ) с известными

характеристиками: - интенсивность БГШ;

£»(') = «» (0+"*(')> 'еМ

индекс «g» равен: g = cp (p — \,I) при СКА gинЬ п = и НКА. Запись вектора

наблюдения в виде (1)... (3) является достаточно общей, и в различных областях применения спутниковых CMC те или иные субвекторы в наблюдении Е(/) могут отсутствовать (например, некомплексный или комплексный режимы функционирования).

Полезный ШПС Sg(t), принимаемый от g-го КА, является известной нелинейной функцией векторного ДНП (ûg(t),Ag(/),Xg(t)) и записывается в виде

*г(0 = *Д'Л(0Л(').Х(0], (5)

где - информационный дискретный параметр (ДП), с помощью которого в CMC

передается речь, данные и т.д.; Ag(t) - энергетический ДП, характеризующий амплитуду принимаемого сигнала; Х(Ц - вектор непрерывных параметров (НП), содержащий информацию о положении и динамике движения AT и КА, а также об условиях распространения радиоволн и стабильности несущей частоты. Ниже, где это возможно без ущерба для сути, индекс «g» опущен.

Вектор НП Х(Ц представляет собой многокомпонентный диффузионный марковский процесс, который для простоты предполагается гауссовским и описывается линейным векторно-матричным стохастическим дифференциальным уравнением:

!X(0 = A,(OX(/)+C(Î)Uw(0+G^ON,(0, X(Î0)=X0, (6)

где - вектор коэффициентов сноса НП - матрица

коэффициентов диффузии НП X(f); N^(0 - вектор стандартных БГШ. Априорная плотность вероятности НП Х(/) описывается уравнением Фоккера-Планка-Колмогорова

где p(t,X) - плотность вероятности процесса X(f); - оператор Фоккера-Планка-

Колмогорова.

Каждый из дискретных случайных процессов , образующих в

совокупности векторный ДП, описывается простой цепью Маркова на Ми L положений и может принимать одно из значений: соответственно. Дискретные

процессы полагаются взаимно независимыми. Возможные моменты перехода

параметров из одного состояния в другое являются дискретными и, в общем

случае, случайными, так как могут зависеть от случайного запаздывания сигнала:

где Г,(0 = Г,(/,Х(/)) - случайное запаздывание сигнала, Т - const - длительность тактового интервала (при расчетах Т - 20 мс); ii+1 +0 - начало (k +1) -го тактового интервала. Видно,

что в такой постановке дискретные компоненты #(/) и Л(?) векторного ДНП оказываются зависимыми от НП Х($.

ДП в(/) И Л(0 на всех тактовых полуинтервалах времени [11г ), где к = 0,1,2,.., остаются постоянными и могут быть описаны соответствующими априорными уравнениями вида:

Пусть дискретные случайные процессы И Л(/) характеризуются матрицей

одношаговых вероятностей перехода:

Ч('*) = [?,А)]>где д^к) = р\А((к + 0) = Л,|Л(/4 -0) = 4 /,;=и -диДП Л(0; (7) »('*) = МО], где = +0) = 9] \ 9{1к-0) = 5,}, = Ц7 - для ДП 0(/), (8)

и векторами вероятностей начального состояния соответственно:

Таким образом, в совокупности случайные процессы ве(1), Л^(?)и образуют

марковский векторный ДНП, представляющий собой смешанный вектор состояния , у которого дискретная часть является двухкомпонентным вектором ДП [08(Г),Лг(О]Т , а непрерывная часть характеризуется многокомпонентным вектором Х(1).

С учетом использования цифровой обработки в МИАТ дополнительные наблюдения 32(?) производятся в дискретные моменты времени, совпадающие с началом каждого тактового интервала и имеют вид

= 4 = 0,1,2..........(9)

Х4=Х(/4) - выборка НП Х(0, описываемого согласно (6); - известная матрица;

114 - вектор окрашенных (небелых) гауссовских шумов, который описывается

линейным векторно-матричным стохастическим разностным уравнением

и* +Ф1СГ(/1г>/ы)Х4_,+Г„(^,/м)Ки1; (10)

в котором - известные матрицы, - вектор формирующих

стандартных гауссовских случайных величин с независимыми значениями, нулевыми математическими ожиданиями и единичными дисперсиями (т.е. вектор стандартных дискретных Б ГШ).

В дискретные моменты времени НП Х(1) (6) описывается линейным векторно-матричным стохастическим разностным уравнением

X* »Фхг&Л-.^ + ГЖЛ-Л; (И)

где и Г^ - известные матрицы, N^=N^(/4) - вектор формирующих стандартных

дискретных БГШ.

Полагаем, что длительность тактового интервала Г достаточно мала, чтобы в (5) НП Х© на каждом тактовом полуинтервале [/ц»/^) можно было бы аппроксимировать квазислучайным процессом с требуемой для оценивания степенью точности:

Х(/)=Г(/,Х4), х[г„д, ¿=0,1,2,..., х„ = Х(0, (12)

где - детерминированная векторная функция (в частности, в ряде случаев

совпадающая с

Для решаемой задачи синтеза, когда предполагается использовать типовую динамическую ММ движения подвижного пользователя с привлечением гринвичской системы координат (СК) вектор НП Х(1) может быть представлен в виде:

ХТ(0=[Х1Г,У1,АТ,УСТ,Ф,(/),ЛПТ,Д\<И],

(13)

где ХАТ =[*,>,г]т - вектор координат МИАТ; V=[V„Vy,Vi]T; A=[ax,ay,aJT; Vce[Vo(,V{;y,VcJT - векторы проекций земной скорости, ускорения и постоянной составляющей земной скорости МИАТ (установленного, например, на самолете) на оси прямоугольной гринвичской СК соответственно; 0(f) = [Фс(0>®и (Of - вектор случайных фаз принимаемых радиосигналов спутниковых CMC и СРНС;

- вектор случайных фаз применительно к спутниковым CMC; - вектор случайных фаз применительно к СРНС;

- вектор уходов частоты принимаемых радиосигналов спутниковых CMC и СРНС; - вектор уходов

частоты применительно к спутниковым CMC;

вектор уходов частоты применительно СРНС; - вектор постоянных или

медленно меняющихся ошибок измерения ускорений с помощью автономных измерителей скорости (например, ИНС) в проекциях на оси гринвичской СК: Sd - сдвиг ШВ МИАТ относительно ШВ КА, выраженный в единицах дальности.

Связь вектора параметров радиосигналов (ПРС) Ys(/) от которого непосредственно зависят принимаемые полезные сигналы (5) с непрерывным вектором состояния X(t) описывается выражением согласно (5) и (13)

(14)

Y<(0 = Li{X(0},g = l,(/ + J),

где - известные векторные функции.

Применительно к спутниковым CMC с кодовым разделением каналов и возможностью высокоточного позиционирования принимаемый полезный ШПС от

какого-либо одного КА в соответствии с (5), (13) и (14) имеет вид:

где Yg(/) = \dg{t),dg{t),A(Og(t),<pg(t)f - вектор ПРС; Ag - номинальная амплитуда принимаемого полезного ШПС; у - коэффициент глубины амплитудной манипуляции (AM);

- модулирующая псевдослучайная последовательность (ПСП); - задержка

сигнала от g - го КА; dg(t) - псевдодальность по направлению «МИАТ-КА»; с - скорость света; - радиальная псевдоскорость; - средняя несущая частота

радиосигнала от g -го КА; —^-dg(t) - доплеровское приращение частоты; A(0g - медленный

уход несущей частоты радиосигнала за счет технической нестабильности; - случайная

фаза ШПС; X - угол фазовой манипуляции (ФМ) ( х~ Я при двоичной ФМ, при

четверичной ФМ); #g(0 и - ДП применительно к g-му КА, определяемые согласно

(7) и (8). В случае конкретных технических приложений для определенности принято: ^ср(') характеризует четырехпозиционную ФМ (CMC типа Gtobalstar), в„ь{() - двоичную ФМ (СРНС типа ГЛОНАСС), Лг(/) - аппроксимируется простой цепью Маркова на L положений, Ьщщ = 2 И /цих = (10 ... 15).

Сформированные ММ наблюдений, информационных и сопутствующих процессов достаточно полно отражают реальные особенности функционирования спутниковых CMC с кодовым разделением каналов и возможностью высокоточного позиционирования. Такие ММ позволяют корректно осуществить постановку задачи синтеза алгоритмов приема и комплексной первичной обработки информации в МИАТ.

Во второй главе сформулирована и решена задача синтеза оптимальных и субоптимальных реконфигурируемых (благодаря АКЦ) алгоритмов приема и некомплексной обработки радиосигналов спутниковых CMC с кодовым разделением каналов и с учетом возможного нарушения целостности.

В диссертации при решении задач синтеза в отличие от известных работ потребовалось, как это показано в главе 1, рассматривать такие принимаемые полезные радиосигналы спутниковых CMC (или СРНС), которые являются нелинейными функциями от векторных ДНП. Причем под векторными ДНП понимаются смешанные случайные процессы, у которых дискретная часть представляет собой двухкомпонентный векторный процесс (в известных работах, скалярный дискретный процесс), каждая компонента которого является цепью Маркова, а непрерывная часть X(t) традиционно образует векторный диффузионный марковский случайный процесс. Применительно к спутниковым CMC у подобных ДНП одна дискретная компонента обычно представляет собой

информационный параметр (например, фазу радиосигнала), предназначенный для

передачи речи, служебной информации и т.п., а другая - энергетический, который характеризует, например, амплитуду принимаемых сигналов.

Задачи оптимального оценивания, решенные в работе состоят в том, чтобы имея наблюдения (1)-(5), (9), (15), и располагая априорными сведениями о смешанном векторе состояния [0(?),A(/),XT(Of (6)-(8), (13), получить:

1 .Оптимальную оценку Х(/) вектора НП Х^), которая должна удовлетворять критерию минимума апостериорного риска при квадратичной функции потерь

(16)

где с(Х,Х)-квадратичная функция потерь, /^(/.X^/^XjB^) - АПВ вектора НП Х(?) ;

- реализация вектора наблюдения на полуинтервале оценка вектора НП X(f); X(i) - оптимальная оценка вектора НП Х(^.

2. Оптимальные оценки A(t) И 0(1) ДП Л(/) И в(/), которые должны удовлетворять критерию минимума апостериорного риска при простой функции потерь, что эквивалентно

критерию максимума АВ процессов

= (17)

(18)

где PVf,(t)-P{t,K=Xl [В! ) И Pm(l)=P(t,0 = 9l\El) - АВ состояний процессов Л(/) и

т

Заметим, что в главе 2 синтезированы алгоритмы некомплексной обработки радиосигналов, т.е. в случае, когда вектор наблюдения и определяется

соотношением (2); в то время как в главе 3 и при других отличиях по постановке задачи решена задача синтеза алгоритмов комплексной обработки радиосигналов, в таком случае вектор наблюдения S(i) характеризуется выражениями (1)... (3) и (9).

Фундаментальную роль при решении задач оптимального оценивания марковских ДНП играет их совместная АПВ или, что эквивалентно, соответствующие АСР, знание которых позволяет получить общие выражения для оптимальных оценок всех компонент ДНП согласно выбранным критериям.

Применительно к марковскому векторному процессу ДНП уравнение Стратоновича для АСР , соответствующее состояниям

(г = \,М ) И Л(/) = X] (/ = 1,Х)для всех/6[it,ft+|), к = 0,1,2,..., имеет вид

Х(Г) = Х(Г): тш{|с(Х,Х)р,,(/,Х)<ж},

где

S(t,Л,<?,Х) - вектор полезных сигналов согласно (5) и (15); Bs - невырожденная матрица согласно (1) и (4).

Для разложения АСР используем следующее представление

(21)

где - АПВ вектора НП

Х(/); ?й„(/|Х)=/^«>Л=Я;|Е;(,Х) и ^(/|Х,у)=?^(Г,6) = ,9,|2;вХ,Л = Я,)- условные АВ дискретных компонент

Полученное аналитическое выражение для условной АВ имеет вид

(22)

4 U

где

j=\,L,te[tt,tiH), к = 0,1, 2..., |XJ).

Выражение для условной АВ Рцр,^ | X,/) находится по существу аналогично (22) и записывается в виде

(23)

где

Условная АВ Р&р,^ |Х) рассчитывается на основании (22) и (23) в соответствии с уравнением Смолуховского. Для вычисления квазиоптимальных оценок ДП используя гауссовскую аппроксимацию АПВ вектора НП Х@) в случае приближения 1-го порядка имеем:

'.„»•М!*'). (24)

(25) 13

где X (7) - квазиоптимальная оценка Х(/) . С учетом (24) и (25) квазиоптимальные оценки в (/) И Л (/) на основании (22) и (23) определяются согласно (17) и (18).

Заметим, что в диссертации для обозначения квазиоптимальных или субоптимальных оценок вместо символа «А» используется «*».

Квазиоптимальная оценка вектора НП Х'(/) в гауссовском приближении 1-го порядка определяется уравнением:

(26)

где X (Г) = А/^Х^)} - апостериорное математическое ожидание вектора НП Х(1), представляющее собой его квазиоптимальную оценку;

- матрица апостериорных одномерных центральных моментов второго порядка ошибок оценивания.

Матрица К(Г) с учетом (6) в гауссовском приближении первого порядка является решением векторно-матричного дифференциального уравнения

(27)

В выражениях (26), (27) и далее в работе производная от скалярной функции по вектору-столбцу, как обычно, понимается как вектор-строка, а функция имеет вид

А- ¥.

(28)

^л('Д)=I х>VI

Таким образом, основу полученных методами МТО алгоритмов квазиоптимального оценивания векторногоДНП составляют:

1) Выражения (22) и (23), в соответствии с которыми вычисляются условные АВ

ЯРт(ЦХ,Л, и затем при учете (24) и (25) формируются согласно (17) и (18)

квазиоптимальные оценки ДП

2) Векторно-матричные дифференциальные уравнения (26) и (27), предназначенные для формирования квазиоптимальной оценки НП X (/)

Обе группы алгоритмов охвачены соответствующими перекрестными и обратными связями (в частности, обратными связями по дискретным параметрам , что

отражает факт совместной квазиоптимальной обработки дискретных и непрерывных параметров, обеспечивающей высокую точность и помехоустойчивость синтезированного устройства, функционирующего в условиях широкополосных флуктуационных помех.

Структурная схема устройства квазиоптимальной обработки принимаемых дискретно-непрерывных радиосигналов, разработанная в соответствии с указанными алгоритмами, по

существу представляет собой многомерный нелинейный фильтр, в составе которого можно выделить две составные части:

1) устройство формирования квазиоптимальных оценок ДП в'(1) И Л*({);

2) устройство формирования квазиоптимальной оценки НП X (().

Основу устройства формирования оценок ДП в (<) И Л (f) составляют корреляционные приемники и схемы принятия решений. Устройство формирования НП X'(t) содержит многомерные дискриминаторы и соответствующие сглаживающие фильтры.

Важной особенностью синтезированной схемы является наличие перекрестных и обратных связей между составными частями, которые позволяют улучшить качество и надежность связи по сравнению с другими устройствами, что особенно значимо в нештатных условиях функционирования: при малых отношениях сигнал/шум, в условиях пропаданий радиосигналов, при наличии срывов слежения за фазовыми или временными параметрами.

Синтезированные алгоритмы приема и обработки радиосигналов, а также структурная схема соответствующего устройства конкретизированы и детально проанализированы в случае двоичных дискретно-непрерывных радиосигналов с совместной AM и ФМ при 100% и 50 % глубине AM. Внедрение в практику подобных синтезированных алгоритмов и построенных на их основе AT создает возможность удовлетворить предъявляемые к спутниковым CMC с кодовым разделением каналов требования как по составу услуг, так и по качеству их предоставления соответствующим группам пользователей.

В третьей главе представлено решение методами МТО задачи синтеза алгоритмов комплексной оптимальной (и субоптимальной) дискретной нелинейной обработки векторных дискретно-непрерывных ШПС в МИАТ спутниковых CMC с кодовым разделением каналов и с возможностью высокоточного позиционирования.

На основе метода поэтапного решения уравнения Стратововича получены аналитические соотношения для АПВ и АСР векторного марковского ДНП при комплексной оптимальной нелинейной обработке наблюдений и 2,(1), определяемые согласно (1) и (9). При этом потребовалась на каждом тактовом полуинтервале к — 0,1,2,..., аппроксимация вектора НП ХВД квазислучайным

процессом с требуемой для оценивания степенью точности (12), а также дискретизация (9) наблюдения 32(f)

Такое представление позволило осуществить потактовое поэтапное (в два этапа) решение уравнения Стратоновича и получить конструктивные субоптимальные алгоритмы приема и комплексной дискретной нелинейной обработки в МИАТ дискретно-непрерывных ШПС спутниковых CMC с кодовым разделением каналов и СРНС типов ГЛОНАСС и GPS, a также сигналов от автономных измерителей скорости в случае высокодинамичных пользователей.

Для субоптимальной дискретной оценки выборки вектора НП на

первом этапе комплексной обработки (этап обработки всех одновременно видимых ШПС от

I СКА и J НКА) для к-го тактового полуинтервала ['¿»'¿.и), ¿ = 0,1,2,..., разностное векторно-матричное уравнение имеет вид

(29)

усредненный по ДП ОЦ) И Л(/) ЛФП применительно к сигналу от g-го KA

Ф;лв(г,х;)=(Ц)т]

К

йх-

(30)

(31)

первая производная от усредненного по ДП 0(1) и Л(/) ЛФП применительно к сигналу от g-го КА;

(32)

- матрица Якоби, представляющая собой производную вектора-столбца =Lg(X^) по

вектору-столбцу Х^ ; индекс ^ = ср(р = 1,1) при СКА или ¿ = иЬ (^ = 1,./) при НКА.

Входящие в (29)... (32) вектор ПРС и функция Ревц(/,^) определяются согласно (15) и (28). Причем парциальная функция

(33)

С учетом (30)...(32) матрица Щ^/^) одномерных центральных моментов 2-го порядка вектора ошибок оценивания на первом этапе комплексной обработки для ^го тактового полуинтервала определяется разностным векторно-

матричным уравнением вида

ке, Ф^^Х)]-1, (34)

где

(35)

- вторая производная усредненного по ДП #(/) И Л(/) ЛФП применительно к сигналу от g-гоКА.

-|Т

Заметим, что в (35) выражение вида

К

представляет собой дифференциальный

оператор, воздействующий на расположенную справа от него функцию. Все соотношения для вычисления субоптимальных оценок ДП Г4+1 -0), где р = 1,1, и -0), где

6 = 1,./, остаются тем же, что и в главе 2, и определяются выражениями (17) , (18) и (22)...(25).

На втором этапе обработки в моменты времени (¿^, что соответствует поступлению Е2(^+|) , разностное уравнение для субоптимальной дискретной оценки выборки НП Х(1) на к-ом такте согласно (11) при условии, что АПВ Р^Оы'^к) аппроксимирована гауссовской кривой, имеет вид

где

(36)

Входящая в (36) матрица оптимальных коэффициентов передачи системы

комплексной вторичной обработки (СКВО) в соответствии с (9) и (10) определяется

соотношением:

(37)

х Ряв Иы,1к ) + ФЕ, , Ж((4 11Ы )Ф1* Сы Л)Г'.

где

Разностное уравнение для матрицы ) апостериорных одномерных центральных моментов вектора ошибок оценивания на втором этапе обработки записывается в виде

&ХХ ('*,!> '»)]-

-Щ'ы)Р>еСы+ 0ыА11ЫСм А)]Т•

(38)

Входящие в (36)...(38) в качестве начальных значений оценка X и матрица

К(/41вычисляются на первом этапе обработки.

Кроме того, на втором этапе обработки на к-аи такте производится формирование начальных значений условных АВ ДП для первого этапа обработки

применительно к следующему ((к+1)-ому) такту, т.е. вычисляются значения

Р^Ы +01 х;41) и Р*р,(1ы +0|Х;+1,;).

Структурная схема системы субоптимальной комплексной нелинейной обработки дискретно-непрерывных ШПС (1), (2) (3) и (9) в МИАТ спутниковой CMC с кодовым разделением каналов и возможностью высокоточного позиционирования представлена на рис.1. Основа построения системы определяется алгоритмами (29), (34), (36), (37) и (38) для формирования субоптимальной дискретной оценки выборки НП Xirl, а также (17), (18), (22) и (23) для вычисления субоптимальных оценок ДП

В составе синтезированной системы КОИ в МИАТ можно выделить три части:

- телекоммуникационый сегмент, выходные сигналы которого

представляют собой субоптимальные оценки информационных ДП, предназначенных для передачи речи, служебной информации и т.п.;

- навигационный сегмент, выходные сигналы которого &нь(1щ~")» г®е ^ = представляет собой субоптимальные оценки информационных ДП, предназначенных для передачи служебной информации (эфемерид НКА, альманаха НКА и т.п.);

- блок обработки данных (БОД), выходными сигналами которого являются субоптимальные оценки Х^,, содержащие информацию о позиционировании МИАТ и сопутствующих параметрах.

Кроме того, в телекоммуникационном и навигационном сегментах формируются субоптимальные оценки энергетических ДП которые

предназначены для осуществления АКЦ в МИАТ и поступают на устройства выбора рабочего созвездия СКА и НКА, где в соответствии с тем или иным алгоритмом при учете геометрического фактора (GDOP), вырабатываются управляющие воздействия для выбора и коммутации используемых КОРС применительно к текущим условиям применения МИАТ.

Структура телекоммуникационного и навигационного сегментов во многом одинакова, что обусловлено общностью применяемых ШПС. Основу каждого сегмента составляет совокупность параллельных каналов обработки радиосигналов (КОРС), в которых осуществляется первичная обработка радиосигналов, и устройства прямого преобразования координат (L^j)T-

Количество параллельных КОРС в телекоммуникационном и навигационном сегментах соответственно равно / и J, что обусловлено максимально возможным числом одновременно принимаемых сигналов СКА 4^(0 и НКА 4hs(') . Устройства, выполняющие

операции , необходимы для формирования сигналов ошибки

и в системе координат, связанной с вектором состояния X(t).

Каждый КОРС функционирует с использованием своей СК, связанной с парциальным вектором ПРС, и содержит устройство формирования дискретного параметра (УФДП) и модуль многомерных дискриминаторов (ММД), структура и принцип действия которых описаны в главе 2.

Блок обработки данных включает в свой состав: модуль формирования первичной оценки (МФПО) X'(/t |/tt,), устройство комплексной вторичной оценки (УКВО) и модуль

Рис.4. Структурная схема системы субоптимальной КОИ в МИAT

обратного преобразования координат (МОПК). На основе Xt+1 в МОПК вырабатываются субоптимальные оценки всех векторов ПРС Уодц+ц, Где р = 1,/, И Y^^, где b = ï,J, которые затем подаются на соответствующие входы многомерных дискриминаторов для выработки опорных сигналов в каждом КОРС.

Достоинство синтезированной системы субоптимальной комплексной нелинейной обработки ШПС в МИАТ состоит в том, что в ней каждый КОРС телекоммуникационного и навигационного сегментов функционирует в своей СК, связанной с парциальным вектором ПРС, а между различными КОРС отсутствуют перекрестные структурные связи. При всем этом преимущества от комплексирования на уровне первичной обработки радиосигналов сохраняются, так как формирование парциального опорного сигнала в каждом КОРС осуществляется на основе оценок , являющихся результатом комплексной

обработки информации применительно ко всем каналам от всех видимых СКА и НКА, а также при учете выходных данных ИНС 32(/)

Использование в МИАТ синтезированной системы КОИ, обеспечивающей автономный контроль целостности, применительно к сигналам спутниковых CMC и СРНС, позволяет реализовать с высоким качеством весь ряд услуг, связанных с высокоточным позиционированием, и, в частности, дает возможность определять координаты пользователя как в штатном режиме работы, так и в аномальных условиях функционирования CMC и СРНС. В последнем случае для определения текущих координат пользователя могут быть использованы линии положения как от спутниковой CMC, так и от СРНС. Это является важным фактором повышения качества позиционирования МИАТ (и вообще его принципиальной возможности) в условиях, когда имеет место работа с ограниченным созвездием КА, либо большое значение геометрического фактора (GDOP) КА, либо сложная помеховая обстановка для используемых систем. Кроме того, сопряжение в МИАТ телекоммуникационного и навигационного сегментов с ИНС в соответствии с предложенными алгоритмами КОИ позволяет рационально сочетать высокую точность определения координат пользователя с помощью СРНС с высокой точностью хранения этих данных на сравнительно небольших интервалах времени с помощью ИНС (например, при временных пропаданиях радиосигналов).

В четвертой главе с использованием ЭВМ произведен анализ точности, помехоустойчивости и целостности МИАТ, разработанных на основе синтезированных субоптимальных алгоритмов, для спутниковых CMC с кодовым разделением каналов и возможностью высокоточного позиционирования.

Количественной мерой точности и помехоустойчивости субоптимальных приемников дискретно-непрерывных радиосигналов (5) и (15) применительно к непрерывным и дискретным параметрам служат апостериорные дисперсии ошибок фильтрации компонент вектора НП Х(1) (или его выборки) и вероятности Pt> ошибочного приема информационных ДП . Вероятность ошибочного приема энергетического ДП характеризует

целостность системы.

При этом основными характеристиками определяющими помехоустойчивость МИАТ, являются зависимость установившихся значений указанных показателей от отношения

сигнал/шум

(или соответственно

), где Т - длительность

информационной посылки, Хя - длительность элементарного импульса ПСП применительно к принимаемому ШПС (15). При расчетах было принято: Т = 20 мс, Ти=\ мкс. Для проведения исследований были разработаны: • методика расчета вероятностей ошибочного приема двоичных ДП в зависимости от отношения сигнал/шум, от коэффициента глубины AM и от точности фильтрации случайной фазы; - методика расчета потенциальных характеристик точности позиционирования МИАТ спутниковых CMC с кодовым разделением каналов для случаев некомплексной и комплексной обработки ШПС от всех одновременно видимых СКА и НКА при различных вариантах конфигурации созвездий и разных условиях функционирования. Некоторые результаты расчета вероятностей ошибочного приема информационного и энергетического двоичных ДП представлены на рис.2 и 3.

На рис.2 изображены графики зависимостей вероятности Р€в при 50% ЛМ от отношения сигнал/шум q. Кривые 1,2, 3 и 4 на рис.2 соответствуют значениям 1; ОД

0,1 и 0,01, где йг ■■

ы.т

- дисперсия набега случайной фазы за длительность

информационной посылки Т. Кривая 5 на рис.2 для сравнения определяет вероятность ошибочного приема ДП при П^ = I в случае приема только ФМ сигналов (в отсутствие паразитной ЛМ). На рис.3 содержатся графики зависимости вероятности Р^ при 100% ЛМ от отношения сигнал/шум которые представляют собой количественную меру

целостности системы. Кривые 1,2,3 и 4 на рис.3 представлены для установившихся значений

апостериорной дисперсии случайной фазы 1

0.1

от

110 '

1 10

110 ■

V .2 «у/ . з

к

5 Л А 1 а

•А

= 1,5; 1; 0,5 рад2 и 0 соответственно.

Р.,

Ц5 0.1

0,01

<7

1, 10" 1,10" 1,-1[Г 1,10"* ио-'

1,-Ю4

^ \ \\ , 1

\ \'\ V' 2

\ \ * \ 'Л

1 1 \ V3

>

\ \

101

ню,

ш

1 10 100

Рис.2. Вероятность Р1в ошибочного приема Рис.З. Вероятность Рл ошибочного приема двоичного символа в{() при 50% ЛМ двоичного символа Л(7) при 100% ЛМ

Анализ полученных результатов по оценке точности и помехоустойчивости оптимальных приемников двоичных дискретно-непрерывных ФМ-АМ радиосигналов (15) показал, что наличие амплитудных замираний у принимаемых сигналов существенно снижает качество приема информационных символов и ухудшает точность

функционирования системы синхронизации оптимального приемника.

Так наличие амплитудных замираний, соответствующих 50% АМ (по сравнению с их отсутствием), например при q = 10 приводит к росту вероятности Рее ошибочного приема информационного символа в 10...15 раз (см. рис.2). При амплитудных замираниях соответствующих 100% АМ значение вероятности не удается получить меньше, чем 0,25.

Для борьбы с амплитудными замираниями построение АТ в виде многоканальных реконфигурируемых приемо-обрабатывающих устройств с АКЦ, способных выполнять функции различения принимаемых сигналов по энергетическому уровню и исключения сильно замирающих (слабых) сигналов из последующей обработки представляется весьма привлекательным и перспективным.

В таких случаях или в отсутствие амплитудных замираний синтезированные оптимальные приемники по точности и помехоустойчивости удовлетворяют требованиям. Так, в частности, для таких условий функционирования при q = 10...25 вероятность Рее

ошибочного приема информационного символа 0(7) лежит в пределах 10-3...10-7.

Вероятности ошибочного приема информационного и энергетического

двоичных символов становятся меньше при увеличении точности фильтрации случайной фазы . Поэтому, в частности, целесообразно уменьшать интенсивность «фазового» шума лД/), используя в передатчиках СМС задающие генераторы более высокой стабильности. Так, например, при 100% АМ для q = 100 изменение апостериорной дисперсии от 1,5 рад2 до 0,5 рад2 приводит к уменьшению вероятности ошибочного приема двоичного символа Л(<) от 10-2 до 10-6.

Для синтезированных оптимальных приемников установлено отсутствие влияния ФМ на вероятность ошибочного приема ДП применительно к двоичным дискретно-

непрерывным ФМ-АМ радиосигналам (15). Указанный факт объясняется тем, что в оптимальном приемнике имеется перекрестная структурная связь в виде функции (усилитель с ограничителем) от канала ФМ к каналу АМ, которая (на уровне принятых упрощений и приближений) полностью «снимает» фазовую манипуляцию сигнала на 180°.

Многопозиционные системы связи являются более помехоустойчивыми, чем соответствующие двоичные, обеспечивая при заданной вероятности ошибочного приема дискретного информационного параметра значимый выигрыш по мощности сигнала

или соответственно по скорости передачи информации.

Некоторые результаты расчета потенциальных характеристик точности позиционирования МИАТ и его помехоустойчивости, выполненного на основе численного решения разностных векторно-матричных уравнений (34), (37) и (38) для типовых значений параметров, применительно к различным вариантам приема ШПС от разного количества СКА и НКА, а также при наличии сигналов от автономных измерителей скорости изображены в виде графиков на рис.4... 7.

На рис.4 и 5 представлены графики зависимостей СКО ошибки оценивания координаты МИАТ Ох и скорости изменения этой координаты <JV от времени при различных отношениях сигнал/шум: кривая 1 • q, =1(Г3, кривая 2 - qt = 10"4 (усложненная помеховая обстановка), кривая 3 - ¡¡,~ 10"5 (сложная помеховая обстановка). При этом для навигационных определений использовалось созвездие, состоящее из двух СКА системы Globalstar и двух НКА СРНС ГЛОНАСС/GPS. Предполагалось, что в качестве дополнительного наблюдения рассматривались сигналы Ej^), характеризующие земную скорость подвижного объекта по данным ИНС.

Рис.6 и 7 характеризуют помехоустойчивость МИАТ в режиме позиционирования. Они содержат графики зависимостей установившегося значения СКО ошибки оценивания координаты МИАТ СТ1)а| и скорости изменения координаты от отношения сигнал/шум при различном количестве одновременно видимых СКА и НКА G = I+J.

Из рассмотрения зависимостей на рис.4...7 следует, что изменение отношения сигнал/шум от приводит к существенному росту ошибок и

затягиванию длительности переходных процессов в 3...5 раз по координате и скорости ее

II ) VI V.. I IV.. I I I I /I . I II 1ч. I) I <1^ I I IV I II . V^ I III IV 11)11 1)1 I I II )| I HIV.. I I II /I V l\V ) V II I I II V IV 114 V II I V..I I I I 1)111 II I /I u xyf-JH II

(Тс,, при таком усложнении помеховой обстановки возрастают от 0,7 м и 0,04 м/с примерно до 7 м и 0,24 м/с соответственно.

Анализ характеристик, представленных на рис.4...7, позволяет сделать вывод о том, что не только в штатных режимах работы спутниковой CMC, но и при аномальных условиях функционирования (малые отношения сигнал/шум, кратковременные пропадания сигналов КА, большое значение геометрического фактора и т.д.) оптимальная комплексная обработка ШПС спутниковой CMC, СРНС и сигналов от датчиков скорости (когда это необходимо) с учетом имеющейся в этом случае информационной избыточности дает возможность реализовать показатели точности позиционирования и помехоустойчивости синтезированной системы КОИ, которые удовлетворяют предъявляемым требованиям для различных групп подвижных пользователей. При таком построении МИАТ удается уменьшить вероятность срыва слежения за параметрами радиосигналов в сложной помеховой обстановке, сократить время поиска радиосигналов при повторном вхождении следящих измерителей в режим слежения после возможных срывов и тем самым повысить качество функционирования спутниковой CMC с кодовым разделением каналов и с возможностью позиционирования.

На основании проделанной оценки вычислительной сложности синтезированных алгоритмов можно заключить, что с точки зрения вычислительных затрат они являются вполне реализуемыми. Тем не менее, с ростом общего числа СКА и НКА, используемых для решения задачи позиционирования, вычислительная сложность таких алгоритмов заметно растет. Например, при увеличении О от 4 до 20 необходимое число операций умножения N на такте растет от 4250 до 15850 (~ в 4 раза), все же оставаясь в рамках практической реализуемости.

Рис 4. Зависимость СКО ошибки оценивания координаты МИАТ от времени при разном отношения сигнал/шум

Рнс.5. Зависимость СКО ошибки оценивания скорости изменении координаты ау от времени при разном отношении сигнал/шум

.XV 2

/3

---

1.00Е-05

1,006-«

1.00Е-03

, м/с

0,4 0,3 0.2

г *

{2

, 3 г /

/'* * * - я

1.00Е-05

1,006-04

1.00Е-03

Рис.6. Зависимость установившегося значения СКО ошибки оценивания координаты МИАТ ах от отношения сигнал/шум

Рис. 7. Зависимость установившегося значения СКО ошибка оценивания скорости изменения координаты Ор^ от отношения сигнал/шум

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе; в приложениях помещена информация по техническим параметрам систем, а также вспомогательные и промежуточные математические выкладки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой научно-квалификационную работу, в которой на базе марковской теории оптимального оценивания случайных процессов содержится решение задачи синтеза оптимальных (субоптимальных) реконфигурируемых помехоустойчивых алгоритмов с обратными связями по дискретным параметрам для комплексной нелинейной обработки дискретно-непрерывных ШПС и определения координат МИАТ спутниковых CMC с кодовым разделением каналов (при их объединении с СРНС и автономными измерителями скорости), что имеет существенное значение для разработки и внедрения спутниковых CMC третьего поколения.

Основные результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Показано, что перспективным направлением создания и внедрения в практику нового поколения спутниковых CMC с кодовым разделением каналов, удовлетворяющих требованиям по составу услуг (в том числе высокоточного позиционирования) и обеспечивающих их предоставление с показателями не хуже, чем в современных цифровых сетях стационарной связи, является разработка в соответствии с концепцией all-in view многофункциональных интегрированных AT на основе оптимизации реконфигурируемых алгоритмов приема и совместной обработки ШПС в подобных спутниковых CMC при их комплексировании со среднеорбитальными СРНС, а также при необходимости с автономными измерителями скорости. Такие МИАТ с автономным контролем целостности по принципу действия должны выполнять функции различения (обнаружения) принимаемых радиосигналов от всех одновременно видимых КА по энергетическому уровню; исключения слабых сигналов от соответствующих КА из дальнейшей обработки, реконфигурируя свою структуру в реальном времени, и последующего субоптимального оценивания информационных и сопутствующих параметров.

2. Установлено, что требуемое качество позиционирования AT спутниковых CMC (точность, помехоустойчивость, целостность) во многих случаях не может быть обеспечено на основе приема и обработки только лишь их собственных радиосигналов. Повышение качества позиционирования до требуемого на сегодняшний день уровня может быть достигнуто путем интеграции спутниковых CMC и среднеорбитальных СРНС. Глубина интеграции телекоммуникационного и навигационного сегментов г таком МИАТ в зависимости от его назначения, группы подвижных пользователей (воздушные, морские, наземные и т.д.), решаемых задач (маршрутизация движения, потребность в электронной карте и т.п.) и предъявляемых требований различна: от простого комбинирования и до применения КОИ на вторичном и первичном уровнях. Наибольшего выигрыша в качестве позиционирования МИАТ удается достичь при комплексировании в его составе связного и навигационного оборудования на уровне первичной обработки информации.

3. В качестве математического аппарата, использованного при синтезе для оптимизации алгоритмов приема и совместной обработки радиосигналов, выбраны методы марковской теории оптимального оценивания случайных процессов, в частности, методы поэтапного решения уравнения Стратоновича и гауссовской аппроксимации АПВ

оцениваемых процессов, которые позволяют корректно учесть реальные условия функционирования в МИАТ спутниковых CMC с кодовым разделением каналов и в то же время получить субоптимальные алгоритмы приемлемой вычислительной сложности, которые достаточно просто реализуемы на практике.

4. Разработаны математические модели дискретно-непрерывных ШПС и помех на входе МИАТ, информационных и сопутствующих параметров, которые позволяют с требуемой детальностью осуществить постановку задачи синтеза алгоритмов КОИ спутниковых CMC с кодовым разделением каналов, при этом учитывая такие особенности функционирования систем как: фазовая манипуляция ШПС, наличие дискретных информационного и энергетического параметров, относительное перемещение пользователя и КА, запаздывание радиосигналов, наличие эффекта Доплера и широкополосных флуктуационных помех, многолучевость и т.п.

5. Получены на базе марковской теории оптимального оценивания случайных процессов применительно к случаям некомплексной и комплексной обработки наблюдений аналитические выражения:

- для АПВ и АСР векторного марковского ДНП, у которого дискретная часть -двухкомпонентный вектор в виде цепей Маркова, а непрерывная - многомерный диффузионный марковский процесс;

- для условных АВ дискретных компонент векторного марковского ДНП;

- для АПВ непрерывных компонент (или их выборки) векторного марковского ДНП, которые в принципе позволяют всегда в соответствии с выбранным критерием найти общие выражения для оптимальных оценок компонент ДНП.

6. Синтезированы на основе методов марковской теории оптимального оценивания применительно к некомплексной и комплексной обработке наблюдений оптимальные и субоптимальные реконфигурируемые помехоустойчивые (в частности, благодаря АКЦ) алгоритмы с обратными связями по дискретным параметрам и возможностью высокоточного позиционирования, предназначенные для приема ШПС в многофункциональных интегрированных AT спутниковых CMC с кодовым разделением каналов (при их объединении с СРНС, а при необходимости с автономными датчиками скорости).

7. Разработаны в соответствии с синтезированными алгоритмами структурные схемы субоптимальных систем КОИ в МИАТ спутниковых CMC с кодовым разделением каналов. Такие системы КОИ осуществляют потактовую двухэтапную обработку принимаемых ШПС от всех одновременно видимых в данный момент СКА и НКА (концепция all-in view). Реализуемое в МИАТ комплексирование на уровне первичной обработки радиосигналов позволяет производить оценивание дискретных и непрерывных параметров в условиях возможных пропаданий радиосигналов, срывов слежения за ПРС и при малых отношениях сигнал/шум, а также сократить время начального поиска радиосигналов на основе дополнительного наблюдения, например, от ИНС. При функционировании МИАТ с использованием АКЦ в аномальных режимах для определения текущих координат

подвижного пользователя могут быть совместно использованы линии положения как спутниковых CMC, так и СРНС.

8. Разработаны:

1) методика расчета вероятностей ошибочного приема двоичных дискретных параметров в зависимости от отношения сигнал/шум на входе оптимального приемника, от коэффициента глубины AM и от точности фильтрации случайной фазы;

2) методика расчета потенциальных характеристик точности позиционирования (СКО координат пользователя и их производных) МИАТ спутниковых CMC с кодовым разделением каналов в зависимости от различного количества одновременно видимых СКА и НКА, от конфигурации созвездий и от отношения сигнал/шум в каждом канале приема МИАТ.

9. На основе анализа результатов по оценке точности и помехоустойчивости синтезированной системы КОИ получено, что использование в МИАТ реконфигурируемых алгоритмов с АКЦ, а также комплексирование CMC, СРНС и автономных измерителей скорости на уровне первичной обработки радиосигналов с учетом имеющейся при этом информационной избыточности (концепция all-in view), позволяют существенно улучшить характеристики точности и помехоустойчивости системы по сравнению с традиционными. Так, например, наличие паразитных амплитудных замираний, соответствующих 50% AM (по сравнению с их отсутствием), при q =10 приводит к росту вероятности ошибочного приема информационного символа в 10... 15 раз.

Точность позиционирования МИАТ (прежде всего в аномальных условиях и при сильных помехах) оказывается весьма высокой. Например, при qs, = 10-3 (типовой вариант применения системы) установившееся значение СКО ошибок оценивания координат МИАТ составляет 0,7 м и 0,5 м, а составляющих относительной скорости движения 0,04 м/с и 0,02 м/с для 4 и 8 видимых КА соответственно. При усложнении помеховой обстановки (q, уменьшается от 10'3 до 10'5) установившиеся значения СКО ошибок оценивания координат и скорости перемещения МИАТ возрастают соответственно до 7 м и 0,25 м/с для G = 4 и до 5 м и 0,2 м/с для G = 8.

Использование в МИАТ для высокодинамичных объектов, например, самолетов, дополнительной информации от автономных измерителей скорости (в частности, ИНС) является весьма желательным, так как заметная доля выигрыша в точности и помехоустойчивости при формировании оценок скорости движения обеспечивается именно за счет этих измерителей. Кроме того, наличие автономного сигнала скорости сокращает длительность переходных процессов в системе КОИ, что означает уменьшение вероятности срыва слежения за задержкой ШПС и сокращение времени поиска при повторном вхождении системы в синхронизм.

10. Путем сопоставления характеристик многофункциональных интегрированных AT, разработанных на основе синтезированных алгоритмов приема и обработки радиосигналов, с характеристиками существующих образцов AT спутниковой CMC типа Globalstar (например, AT типов: Ericsson R290, Telit Sat550 и Qualcomm GSP1600) [8,9,69] установлено, что

точность тех и других в штатных (нормальных) условиях применения принципиально друг от друга не отличается. Однако в целом качество функционирования (помехоустойчивость, целостность) у синтезированных МИАТ за счет комплексирования и возможностей адаптации к текущим условиям применения заметно выше, чем у существующих, что существенно проявляется в аномальных условиях, т.е. при усложнении электромагнитной обстановки, наличии помех естественного и искусственного происхождения, многолучевости, росте вероятности затенения видимых КА, наличии перерывов в слежении за ними, проявлении особенностей распространения радиоволн в городских районах, туннелях, горах, границах суша-вода и т.д., когда разработанные МИАТ имеют возможность продолжать функционирование с требуемыми показателями, а существующие АТ не адаптируются и обычно оказываются неработоспособными.

Особенно заметны преимущества по точности, помехоустойчивости, целостности синтезированных МИАТ по сравнению с существующими АТ в сфере предоставляемых услуг, связанных с высокоточным позиционированием для различных групп (воздушных, морских, наземных) подвижных пользователей спутниковой СМС с кодовым разделением каналов.

Опубликованные работы

1. Ярлыкова СМ. Математические модели принимаемых шумоподобных сигналов в спутниковых системах мобильной связи с кодовым разделением каналов. - М.: Радиотехника, 2002, № 12.

2. Каледин В.В., Ярлыкова СМ. Перспективы развития систем мобильной связи четвертого поколения. - М.: Труды ЦНИИС, 2003, № 1.

3. Ярлыкова СМ. Квазиоптимальные алгоритмы оценивания векторного дискретно-непрерывного марковского случайного процесса - М.: Радиотехника, 2003, № 7.

4. Ярлыкова СМ. Апостериорные смешанные распределения и оптимальные оценки векторного дискретно-непрерывного марковского случайного процесса. - М.: Радиотехника и электроника, 2003, т.48, №11.

5. Ярлыкова С.М. Оптимальный прием двоичных дискретно-непрерывных ФМ-АМ радиосигналов спутниковых систем связи. - М.: Радиотехника, 2004, № 1.

6. Ярлыков М.С., Ярлыкова СМ. Оптимальные алгоритмы комплексной нелинейной обработки векторных дискретно-непрерывных сигналов. - Радиотехника, 2004, № 7.

7. Ярлыков М.С., Ярлыкова СМ. Анализ точности оптимальных приемников двоичных дискретно-непрерывных фазо- и амплитудно-манипулированных радиосигналов. -М.: Радиотехника и электроника, 2004, т.49, № 8.

8. Ярлыкова СМ. и др. Марковская теория оценивания в радиотехнике/ Под ред. М.С Ярлыкова-М.: Изд-во «Радиотехника», 2004, стр.44-59,466-503.

Принято к исполнению 01/03/2005 Исполнено 02/03/2005

Заказ № 634 Тираж: 100 экз.,

ООО «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 Москва, Балаклавский пр-т, 20-2-93 (095) 747-64-70 (095)318-40-68 www.autoreferat.ru

05. /3

300

Список сокращений.

Введение.

Глава 1. Анализ состояния, особенностей функционирования и перспектив развития спутниковых систем мобильной связи с кодовым разделением каналов и возможностью позиционирования.

1.1 Анализ влияния реальных условий функционирования на особенности построения и применения спутниковых систем мобильной связи с кодовым разделением каналов.

1.2 Анализ путей повышения качества предоставления услуг, связанных с позиционированием, в спутниковых системах мобильной связи на основе комплексирования их со среднеорбитальными спутниковыми радионавигационными системами.

1.3 Выбор и обоснование методов оптимизации алгоритмов приема и совместной обработки сигналов спутниковых систем мобильной связи, спутниковых радионавигационных систем и автономных измерителей скорости.

1.4 Математические модели сигналов и помех спутниковых систем мобильной связи с кодовым разделением каналов.

1.5 Математические модели информационных и сопутствующих процессов.

1.5.1. Математические модели информационных и сопутствующих параметров непрерывных компонент дискретно-непрерывного вектора состояния.

1.5.2. Математические модели дискретных компонент дискретно-непрерывного вектора состояния

Выводы по главе 1.

Глава 2. Синтез оптимальных и субоптимальных алгоритмов приема и обработки дискретно-непрерывных радиосигналов в абонентских терминалах спутниковых систем мобильной связи с кодовым разделением каналов.

2.1. Апостериорные плотности вероятности и апостериорные смешанные распределения векторного дискретно-непрерывного марковского случайного процесса.

2.2. Оптимальные алгоритмы оценивания векторного дискретно-непрерывного марковского случайного процесса.

2.3. Квазиоптимальные алгоритмы оценивания векторного дискретно-непрерывного марковского случайного процесса.

2.4. Субоптимальные алгоритмы приема и совместной обработки двоичных дискретно-непрерывных радиосигналов.

2.4.1. Субоптимальный прием и совместная обработка дискретно-непрерывных двоичных AM и ФМ радиосигналов при полной глубине AM

2.4.2. Субоптимальный прием и совместная обработка двоичных дискретно-непрерывных радиосигналов при 50% глубине AM.

Выводы по главе

Глава 3. Комплексная оптимальная нелинейная обработка векторных дискретно-непрерывных шумоподобных сигналов в многофункциональных интегрированных абонентских терминалах спутниковых систем мобильной связи с кодовым

разделением каналов и возможностью позиционирования.

3.1 Апостериорные плотности вероятности и апостериорные смешанные распределения векторного дискретно-непрерывного марковского случайного процесса при комплексной оптимальной нелинейной обработке ШПС

3.1.1 Первый этап обработки.

3.1.2 Второй этап обработки.

3.2. Оптимальные алгоритмы комплексной нелинейной обработки ттгпл 107 векторных дискретно-непрерывных ШПС.

3.2.1. Первый этап обработки.

3.2.2. Второй этап обработки

3.3. Квазиоптимальные алгоритмы комплексной нелинейной обработки векторных дискретно-непрерывных ШПС.

3.3.1. Первый этап обработки.

3.3.2. Второй этап обработки

3.3.3. Структурная схема системы квазиоптимальной комплексной нелинейной обработки векторных дискретно-непрерывных сигналов

3.4 Субоптимальные алгоритмы комплексной нелинейной обработки дискретно-непрерывных ШПС в МИАТ спутниковых CMC с кодовым

разделением каналов и возможностью позиционирования.

Выводы по главе

Глава 4. Анализ точности и помехоустойчивости субоптимальных алгоритмов приема и совместной обработки дискретно-непрерывных шумоподобных сигналов в многофункциональных интегрированных абонентских терминалах спутниковых систем мобильной связи с кодовым

разделением каналов и с возможностью позиционирования.

4.1. Апостериорная дисперсия ошибки оценивания случайной фазы в оптимальных приемниках двоичных дискретно-непрерывных радиосигналов.

4.2. Методика расчета вероятностей ошибочного приема двоичных символов и основные аналитические соотношения.

4.2.1. Условная вероятность ошибочного приема двоичного энергетического символа при 0(t) =

4.2.2. Условная вероятность ошибочного приема двоичного энергетического символа при 0(f) — Эг

4.2.3. Условная вероятность ошибочного приема двоичного информационного символа при Л(/) = \

4.2.4. Условная вероятность ошибочного приема двоичного информационного символа при Л(0 = ^

4.3. Результаты расчета вероятностей ошибочного приема двоичных символов.

4.3.1 Вероятность ошибочного приема двоичного информационного символа

4.3.2. Вероятность ошибочного приема двоичного энергетического символа

4.4 Точность и помехоустойчивость оптимальных приемников дискретнонепрерывных многопозиционных радиосигналов

4.5. Анализ точности позиционирования МИАТ

Выводы по главе 4.

Важная роль в системах мобильной связи (CMC) третьего поколения (3G) отводится спутниковым CMC, предназначенным для предоставления широкого спектра услуг (голосовые услуги, услуги мультимедиа, мобильный доступ к сети Интернет, услуги позиционирования и т.д.) подвижным пользователям (естественно, что и пользователям фиксированных систем связи) в заданной зоне действия и практически в реальном времени. Различные группы подвижных пользователей (воздушных, морских, наземных и т.п.) предъявляют высокие требования к качеству функционирования спутниковых CMC и, прежде всего к таким характеристикам как точность (достоверность), помехоустойчивость, оперативность (пропускная способность) и надежность связи [1, 3, 9, 10, 12, 13]. Особое место в теории и практике спутниковых CMC занимают системы, которые основаны на технологиях CDMA, WCDMA и им подобных, что обусловлено преимуществами шумоподобных сигналов (111ПС) и метода многостанционного доступа с кодовым разделением каналов (МДКР) по помехоустойчивости и скрытности связи, качеству функционирования систем в условиях многолучевости и др.

Потребности жизни, а также конкуренция вынуждают операторов спутниковых CMC настойчиво бороться за расширение номенклатуры предоставляемых услуг, среди которых важное место занимают услуги, связанные с определением местоположения пользователей (например, система Globalstar) [10, 14, 29, 31]. В то же время качество позиционирования (прежде всего его точность) абонентских терминалов (AT) спутниковых CMC при использовании только собственных радиосигналов в большинстве случаев не удовлетворяет предъявляемым на сегодняшний день требованиям. Выход из сложившейся ситуации возможен путем привлечения (в той или иной мере) среднеорбитальных спутниковых радионавигационных систем (СРНС) типов ГЛОНАСС (Россия) или GPS (США) [8, 10,14,15, 29] и создания на этой основе единых многофункциональных интегрированных AT (МИАТ), которые способны выполнять телекоммуникационные функции и функции позиционирования [10,29,72].

Для различных групп подвижных пользователей многие факторы реальных условий функционирования (усложнение электромагнитной обстановки, наличие помех естественного и искусственного происхождения, многолучевость, рост числа активных абонентов, вероятность затенения видимых космических аппаратов (КА), наличие перерывов в слежении за ними, особенности распространения радиоволн в городских районах, туннелях, горах, на границах суша-вода и т.д.) заметно снижают качество работы спутниковых CMC, приводя к тому, что они не удовлетворяют предъявляемым требованиям по точности, помехоустойчивости и т.д. [16,24,26].

Для того чтобы парировать негативные воздействия особенностей применения и довести качество функционирования радиосвязи спутниковых CMC с кодовым разделением каналов до уровня современных требований, целесообразно выполнять AT в виде многоканальных приемо-обрабатывающих устройств с автономным контролем целостности (RAIM-технология), способных за счет использования информационной избыточности (например, дополнительных КА сверх минимально необходимых) изменять свою структуру (варьировать каналы приема и их количество) практически в реальном времени согласно текущим условиям.

По принципу действия современные AT должны выполнять следующие функции: различения (в простейшем случае — обнаружения) принимаемых полезных радиосигналов по энергетическому уровню применительно к каждому каналу, исключения слабых (непригодных) парциальных сигналов из обработки и лишь последующего оценивания информационных и сопутствующих процессов.

В связи с вышеизложенным исследование и разработка алгоритмов приема и совместной обработки дискретно-непрерывных ШПС в AT спутниковых CMC с кодовым разделением каналов и возможностью позиционирования, удовлетворяющих предъявляемым требованиям по качеству функционирования в реальных условиях применительно к различным группам подвижных пользователей, является актуальной задачей для развития спутниковых систем подвижной связи нового поколения.

Цель диссертации заключается в повышении качества функционирования (точности, помехоустойчивости, целостности) AT спутниковых CMC с кодовым разделением каналов и возможностью высокоточного позиционирования на основе объединения с СРНС путем оптимизации реконфигурируемых алгоритмов приема и комплексной первичной обработки ШПС при наличии информационной избыточности (дополнительные КА, наличие автономных измерителей скорости).

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: - выбор и обоснование методов и критериев оптимизации алгоритмов приема и совместной обработки сигналов спутниковых CMC, СРНС и автономных измерителей скорости;

- разработка математических моделей (ММ) сигналов, помех, информационных и сопутствующих параметров;

- решение «собственно» задачи синтеза алгоритмов приема и совместной обработки дискретно-непрерывных ШПС в AT спутниковых CMC с кодовым разделением каналов и возможностью позиционирования (получение уравнений для оптимальных и субоптимальных оценок компонент векторного дискретно-непрерывного процесса (ДНП));

- разработка и обоснование субоптимальных структурных схем МИАТ спутниковых CMC с кодовым разделением каналов и с возможностью высокоточного позиционирования на основе объединения с СРНС и автономными измерителями скорости;

- оценка качества функционирования (точности, помехоустойчивости и целостности) МИАТ и выработка практических рекомендаций по их применению.

Для решения поставленных задач исследования были использованы положения теории марковских процессов и марковской теории оптимального оценивания случайных процессов, теории вероятностей и случайных процессов, теории сложных сигналов, методы математической статистики, автоматического управления и вычислительной математики.

Научная новизна

1. Разработаны математические модели принимаемых ШПС и помех на входе МИАТ (а также сигналов автономных измерителей скорости) для спутниковых CMC с кодовым разделением каналов и возможностью позиционирования. Такие ММ достаточно полно отражают реальные условия функционирования спутниковых CMC, СРНС и автономных измерителей скорости с учетом таких особенностей как: фазовая манипуляция ШПС, наличие дискретных информационного и энергетического параметров, запаздывание радиосигналов, относительное перемещение AT и КА, наличие эффекта Доплера, многолучевость, наблюдение сигналов инерциальной навигационной системы (ИНС) на фоне окрашенных (небелых) шумов и т.п.

2. Получены на базе марковской теории оптимального оценивания случайных процессов (применительно к некомплексной и комплексной оптимальной нелинейной обработке наблюдений) аналитические выражения:

- для апостериорных смешанных распределений (АСР) векторного ДНП, у которого дискретная часть - двухкомпонентный вектор в виде цепей Маркова, а непрерывная - многомерный диффузионный марковский процесс;

- для условных апостериорных вероятностей (АВ) дискретных компонент ДНП;

- для апостериорной плотности вероятности (АПВ) выборки непрерывных компонент ДНП.

Полученные выражения позволяют в принципе всегда в соответствии с выбранным критерием получить общие соотношения для оптимальных оценок дискретных и непрерывных компонент таких ДНП.

3. Синтезированы оптимальные (субоптимальные) реконфигурируемые, помехоустойчивые (в частности, благодаря информационной избыточности и автономному контролю целостности (АКЦ)) алгоритмы с обратными связями по дискретным параметрам (для случаев некомплексной и комплексной обработки наблюдений) применительно к МИАТ спутниковых CMC с кодовым разделением каналов и с возможностью позиционирования СРНС, а также сигналов от автономных измерителей скорости. При этом предусматривается совместная обработка радиосигналов CMC.

4. Разработаны на основе синтезированных алгоритмов структурные схемы субоптимальной системы КОИ в МИАТ спутниковой CMC с кодовым разделением каналов и возможностью позиционирования, которые реализуют потакговую двухэтапную обработку принимаемых ШПС от всех одновременно видимых в данный момент СКА и НКА (концепция all-in view) в случаях некомплексной и комплексной обработки наблюдений. Использование в предлагаемых алгоритмах и структурных схемах информационной избыточности и АКЦ является существенным фактором повышения точности и помехоустойчивости МИАТ, особенно в условиях, когда имеет место работа с ограниченными созвездиями СКА или НКА, большое значение геометрического фактора или сложная помеховая обстановка.

5. Разработаны: методика расчета вероятностей ошибочного приема двоичных дискретных параметров в зависимости от отношения сигнал/шум на входе приемника, от коэффициента глубины AM и от точности фильтрации фазы;

- методика расчета потенциальных характеристик точности позиционирования МИАТ спутниковых CMC с кодовым разделением каналов для случаев некомплексной и комплексной обработки ШПС от всех одновременно видимых СКА и НКА при различных вариантах конфигурации созвездий и разных условиях функционирования.

6. Рассчитаны характеристики точности и помехоустойчивости субоптимальных МИАТ (вычислены вероятности ошибочного приема дискретных информационного и энергетического параметров и апостериорные дисперсии случайной фазы) и характеристики точности позиционирования пользователей для различных условий функционирования (в зависимости от отношения сигнал/шум, количества одновременно видимых СКА и НКА и т.п.).

Практическая значимость работы

Полученные в диссертации результаты (алгоритмы, структурные схемы и количественные характеристики) позволяют осуществить практическую разработку многофункциональных интегрированных AT для спутниковых CMC с кодовым разделением каналов (при их объединении с СРНС) нового поколения, которые как по номенклатуре услуг (в том числе и позиционирования), так и по качеству их предоставления различным группам подвижных пользователей (воздушных, морских, наземных и т.д.) удовлетворяют предъявляемым требованиям в реальных условиях применения.

Результаты диссертационной работы могут быть также использованы при разработке технических требований к спутниковым CMC с кодовым разделением каналов.

Внедрение результатов работы.

Основные теоретические и практические результаты, полученные в диссертации использованы в научно-производственной деятельности ЦНИИС и НИИР, а также в учебном процессе МТУСИ, что подтверждено соответствующими актами внедрения.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на на 6-й Международной конференции DSPA-2004 «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (Москва, 31 марта-2 апреля 2004 г.); на XII Международной конференции «Мобильный бизнес: проблемы и решения» (г. Жуан-ле-Пен, Франция, 18-25 мая 2003 г.), Первом Российском конгрессе CDMA-450 (г. Москва, 1-2 декабря 2004 г.) а также на научно-технических конференциях ЦНИИС и МТУСИ в 2001-2004 гг.

Публикации результатов.

Основные научные результаты диссертации опубликованы в научных изданиях в виде 7 статей (в том числе в журналах «Радиотехника и электроника» и «Радиотехника» [54, 65, 74, 82, 88, 91] и одной коллективной монографии [90], стр. 4459, 466-503.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа изложена на 193 страницах, содержит 32 рисунка, список литературы состоит из 95 наименований. Кроме того, содержит 8 приложений на 36 страницах.

Основные результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Показано, что в настоящее время перспективным направлением создания и внедрения в практику нового поколения спутниковых CMC с кодовым разделением каналов, удовлетворяющих требованиям по составу услуг (в том числе высокоточного позиционирования) и обеспечивающих их предоставление с показателями не хуже, чем в современных цифровых сетях стационарной связи, является разработка в соответствии с концепцией all-in view многофункциональных интегрированных AT на основе оптимизации реконфигурируемых алгоритмов приема и совместной обработки ШПС в подобных спутниковых CMC при их комплексировании (в той или иной степени) со среднеорбитальными СРНС, а также при необходимости с автономными измерителями скорости. Такие МИАТ с автономным контролем целостности по принципу действия должны выполнять функции различения (обнаружения) принимаемых радиосигналов от всех одновременно видимых КА по энергетическому уровню; исключения слабых сигналов из дальнейшей обработки, реконфигурируя свою структуру в реальном времени, и последующего субоптимального оценивания информационных и сопутствующих параметров.

2. Установлено, что требуемое качество позиционирования AT спутниковых CMC (точность, помехоустойчивость, целостность, достоверность, оперативность и т.д.) во многих случаях не может бьггь обеспечено на основе приема и обработки только лишь их собственных радиосигналов. Повышение качества позиционирования до требуемого на сегодняшний день уровня может быть достигнуто путем интеграции спутниковых CMC и среднеорбитальных СРНС. Глубина интеграции телекоммуникационного и навигационного сегментов в таком МИАТ в зависимости от его назначения, группы подвижных пользователей (воздушные, морские, наземные и т.д.), решаемых задач (маршрутизация движения, потребность в электронной карте и т.п.) и предъявляемых требований различна: от простого комбинирования и до применения КОИ на вторичном и первичном уровнях. Наибольшего выигрыша в качестве позиционирования МИАТ удается достичь при комплексировании в его составе связного и навигационного оборудования на уровне первичной обработки информации.

3. В качестве математического аппарата использованного при синтезе для оптимизации алгоритмов приема и совместной обработки радиосигналов выбраны методы марковской теории оптимального оценивания случайных процессов, в частности, методы поэтапного решения уравнения Стратоновича и гауссовской аппроксимации АПВ оцениваемых процессов, которые позволяют корректно учесть реальные условия функционирования в МИАТ спутниковых CMC с кодовым разделением каналов и в то же время получить субоптимальные алгоритмы приемлемой вычислительной сложности, которые достаточно просто реализуемы на практике.

4. Разработаны математические модели дискретно-непрерывных ШПС и помех на входе МИАТ, информационных и сопутствующих параметров, которые позволяют с требуемой детальностью осуществить постановку задачи синтеза алгоритмов КОИ спутниковых CMC с кодовым разделением каналов, при этом учитывая такие особенности функционирования систем как: фазовая манипуляция ШПС, наличие дискретных информационного и энергетического параметров, относительное перемещение пользователя и КА, запаздывание радиосигналов, наличие эффекта Доплера и широкополосных флуктуационных помех, многолучевость и т.п.

5. Получены на базе марковской теории оптимального оценивания случайных процессов применительно к случаям некомплексной и комплексной обработки наблюдений аналитические выражения: для АПВ и АСР векторного марковского ДНП, у которого дискретная часть - двухкомпонентный вектор в виде цепей Маркова, а непрерывная -многомерный диффузионный марковский процесс; для условных АВ дискретных компонент векторного марковского ДНП; для АПВ непрерывных компонент (или их выборки) векторного марковского ДНП.

Полученные выражения в принципе позволяют всегда в соответствии с выбранным критерием найти общие выражения для оптимальных оценок компонент векторного марковского ДНП.

6. Синтезированы на основе методов марковской теории оптимального оценивания применительно к некомплексной и комплексной обработке наблюдений оптимальные и субоптимальные реконфигурируемые помехоустойчивые (в частности, благодаря АКЦ) алгоритмы с обратными связями по дискретным параметрам и с возможностью высокоточного позиционирования, предназначенные для приема ШПС в многофункциональных интегрированных AT спутниковых CMC с кодовым разделением каналов (при их объединении с СРНС, а при необходимости с автономными датчиками скорости).

7. Разработаны в соответствии с синтезированными алгоритмами структурные схемы субоптимальных систем КОИ в МИАТ спутниковых CMC с кодовым разделением каналов. Такие системы КОИ осуществляют потактовую двухэтапную обработку принимаемых ШПС от всех одновременно видимых в данный момент СКА и НКА (концепция all-in view). Реализуемое в МИАТ комплексирование на уровне первичной обработки радиосигналов позволяет производить оценивание дискретных и непрерывных параметров в условиях возможных пропаданий радиосигналов, срывов слежения за ПРС и при малых отношениях сигнал/шум, а также сократить время начального поиска радиосигналов на основе дополнительного наблюдения, например, от ИНС. При функционировании МИАТ с использованием АКЦ в аномальных режимах для определения текущих координат подвижного пользователя могут быть совместно использованы линии положения как спутниковых CMC, так и СРНС.

8. Разработаны:

1) методика расчета вероятностей ошибочного приема двоичных дискретных параметров в зависимости от отношения сигнал/шум на входе оптимального приемника, от коэффициента глубины AM и от точности фильтрации случайной фазы;

2) методика расчета потенциальных характеристик точности позиционирования (СКО координат пользователя и их производных) МИАТ спутниковых CMC с кодовым разделением каналов в зависимости от различного количества одновременно видимых СКА и НКА, от конфигурации созвездий и от отношения сигнал/шум в каждом канале приема МИАТ.

9. На основе анализа результатов по оценке точности и помехоустойчивости синтезированной системы КОИ получено, что и использование в МИАТ реконфигурируемых алгоритмов с АКЦ, а также комплексирование CMC, СРНС и автономных измерителей скорости на уровне первичной обработки радиосигналов с учетом имеющейся при этом информационной избыточности (концепция all-in view) позволяют существенно улучшить характеристики точности и помехоустойчивости системы по сравнению с традиционными. Так, например, наличие паразитных амплитудных замираний, соответствующих 50% AM (по сравнению с их отсутствием), при q = 10 приводит к росту вероятности ошибочного приема информационного символа в 10. 15 раз.

Точность позиционирования МИАТ (прежде всего в аномальных условиях и при сильных помехах) оказывается весьма высокой. Например, при q3 = 10~3 типовой вариант применения системы) установившееся значение СКО ошибок оценивания координат МИАТ составляет 0,7 м и 0,5 м, а составляющих относительной скорости движения 0,04 м/с и 0,02 м/с для 4 и 8 видимых КА соответственно. При усложнении помеховой обстановки (q3 уменьшается от 10"3 до 10"5) установившиеся значения СКО ошибок оценивания координат и скорости перемещения МИАТ возрастают соответственно до 7 м и 0,4 м/с для G = 4 идо5ми 0,2 м/с для G = 8.

Использование в МИАТ для высокодинамичных объектов, например, самолетов, дополнительной информации от автономных измерителей скорости (в частности, ИНС) является весьма желательным, так как заметная доля выигрыша в точности и помехоустойчивости при формировании оценок скорости движения обеспечивается именно за счет этих измерителей. Кроме того, наличие автономного сигнала скорости сокращает длительность переходных процессов в систем КОИ, что означает уменьшение вероятности срыва слежения за задержкой ШПС и сокращение времени поиска при повторном вхождении системы в синхронизм. 10. Путем сопоставления характеристик многофункциональных интегрированных AT, разработанных на основе синтезированных алгоритмов приема и обработки радиосигналов, с характеристиками существующих образцов AT спутниковой CMC типа Globalstar (например, AT типов: Ericsson R290, Telit Sat550 и Qualcomm GSP1600) [8,9,69] установлено, что точность тех и других в штатных (нормальных) условиях применения принципиально друг от друга не отличается. Однако в целом качество функционирования (помехоустойчивость, целостность и т.д.) у синтезированных МИАТ за счет комплексирования и возможностей адаптации к текущим условиям применения заметно выше, чем у существующих, что существенно проявляется в аномальных условиях, т.е. при усложнении электромагнитной обстановки, наличии помех естественного и искусственного происхождения, многолучевости, росте вероятности затенения видимых КА, наличии перерывов в слежении за ними, проявлении особенностей распространения радиоволн в городских районах, туннелях, горах, границах суша-вода и т.д., когда разработанные МИАТ имеют возможность продолжать функционирование с требуемыми показателями, а существующие AT не адаптируются и обычно оказываются неработоспособными.

Особенно заметны преимущества по точности, помехоустойчивости, целостности и т.п. синтезированных МИАТ по сравнению с существующими AT в сфере предоставляемых услуг, связанных с высокоточным позиционированием для различных групп (воздушных, морских, наземных и т.д.) подвижных пользователей спутниковой CMC с кодовым разделением каналов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных в диссертации исследований достигнута цель, состоящая в повышении качества функционирования (точности, помехоустойчивости, целостности) AT спутниковых CMC с кодовым разделением каналов и возможностью высокоточного позиционирования на основе объединения с СРНС путем оптимизации реконфигурируемых алгоритмов приема и комплексной первичной обработки ШПС при наличии информационной избыточности (дополнительные КА, наличие автономных измерителей скорости);

1. Матаев B.C. Глобальная мобильная спутниковая связь. Текущее состояние и перспективы. -М.: Мир связи.Connect!, 2002, №2.

2. Корпоративные системы спутниковой и KB связи /Под ред. А.А. Смирнова. М.: Эко-Трендз, 1998.

3. Маковеева М.М., Шинаков Ю.С. Системы связи с подвижными объектами. — М.: Радио и связь, 2002 г.

4. Кантор JIJL, Тимофеев В.В. Спутниковая связь и проблема геостационарной орбиты. М.: Радио и связь, 1988.

5. Ямбуренко Н.С. Перспективы мобильной сухопутной спутниковой связи в России. — М.: Международный семинар «Европейское сотрудничество в области развития мобильной персональной связи», 2002.

6. Невдяев Л.М., Смирнов А.А. Персональная спутниковая связь. М.: Эко-трендз, 1998.

7. Спутниковая связь и вещание / Под ред. Л.Я. Кантора — М.: Радио и связь, 1997.

8. Спутниковые системы подвижной персональной связи./Под ред. В.Р. Анпилогова -М.: «Технологии и средства связи», Приложение «Спутниковая связь», 2002.

9. Невдяев Л.М. Мобильная спутниковая связь. Справочник. — М.: МЦНТИ, 1998 г.

10. CDMA: прошлое, настоящее, будущее / Под ред. Л.Е. Варакина и Ю.С. Шинакова -М.: MAC, 2003.

11. Закон «О связи», Российская Федерация, 25 июня 2003 г.

12. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации. М.: Эко-трендз, 2000.

13. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС / Под ред. В.Н. Харисова, А.И. Перова, В.А. Болдина-М: ИПРЖР, 1998.

14. Связь с подвижными объектами в диапазоне СВЧ / Под ред. У.К. Джейкса: пер. с англ. / Под ред. М.С. Ярлыкова, М.В. Чернякова — М.: Связь, 1979.

15. Рекомендация МАС-ГИО. Развитие инфокоммуникационных услуг (А.2). М.: Международная академия связи, 2002.

16. ETSI TR 101 865 V1/1/1 (2001-07). Satellite Earth Station and Systems (SES); Satellite component of UMTS/IMT-2000; General aspects and principles.

17. Анфилофьев С.А. Технология CDMA в современных и будущих системах подвижной связи. В сб. «Связь в России в XXI веке» М.: MAC, 1999.

18. Горностаев Ю.М., Соколов В.В., Невдяев JI.M. Перспективные спутниковые системы связи. — М.: Изд-во «Горячая линия — Телеком», 2000.

19. Варакин JI.E. Системы связи с шумоподобными сигналами М.: Радио и связь, 1985.

20. Бобков В.Ю., Вознюк М.А., Никитин А.Н., Сивере М.А. Системы связи с кодовым разделением каналов С.-П.: Государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, 1999.

21. IS-95/ELA/TLA. Mobile Station-Base Station Compability Standard for Dual-Mode Wideband Spread Spectrum Cellular System. 1st edition, 1995.

22. Уильям К. Ли Техника подвижных систем связи. — М.: Радио и связь, 1985 г.

23. Спилкер Дж. Цифровая спутниковая связь. — М: Связь, 1979.

24. Шинаков Ю.С. Управление мощностью в сотовых системах связи с кодовым разделением каналов. М.: Электросвязь, 2001, № 2.

25. Невдяев Л.М. Связь без несущей. М.: Мобильный мир, 2002, № 1.

26. Ярлыков М.С., Пригонюк Н.Д. Заход на посадку и посадка самолетов по сигналам спутниковых радионавигационных систем. М: Радиотехника, 2001, № 1.

27. Ярлыков М.С. Навигационное обеспечение абонентов систем мобильной связи на основе спутниковых радионавигационных систем. — М.: Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники, 2001, № 9.

28. Гольдпггейн Б.С., Фрейкман В.А., Витченко А.А. Перспективные услуги сотовых сетей поколений 2,5G и 3G. М: Мобильные системы, 2002, № 5.

29. GMPCS, ISO, Regulatory Colloquim, № 3 Geneva, 9-11, No v., 1994.

30. Модуль синхронизации, работающий по системам ГЛОНАСС/GPS С.-Петербург: Российский институт радионавигации и времени (РИРВ), 2000.