автореферат диссертации по электронике, 05.27.05, диссертация на тему:Исследование и разработка методов и устройств для уменьшения ошибки многолучевости в навигационном приемнике, реализуемом с использованием специализированной СБИС

/

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ОШИБКИ МНОГОЛУЧЕВОСТИ В НАВИГАЦИОННОМ ПРИЕМНИКЕ, РЕАЛИЗУЕМОМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЙ СБИС

Специальность: 05.27.05 - Интегральные радиоэлектронные устройства

На правах рукописи

ЖДАНОВ Алексей Владиславович

УДК 621.396.621

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор Жодзишский М.И.

МОСКВА - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение................................................................................ 5

1. Эффект многолучевости в радионавигационных системах ГЛОНАСС и ОР8.................................................................................... 12

1.1. Характеристики многолучевости................................... 12

1.2. Анализ известных методов уменьшения ошибки многолучевости............................................................................ 16

1.2.1. Уменьшение многолучевости посредством пространственной селекции сигнала....................... 16

1.2.2. Уменьшение многолучевости при обработке сигнала

в приемнике..................................................... 24

1.3. Стробовый метод уменьшения ошибки многолучевости..... 31

1.4. Выводы по первому разделу.......................................... 47

2. Оптимизация стробового коррелятора по критерию минимума ошибки слежения............................................................... 49

2.1. Входной и выходной сигналы стробового коррелятора........ 49

2.2. Взаимная корреляционная функция входного псевдослучайного шумового кода и опорной стробовой последовательности.................................................... 51

2.3. Уменьшение фазовой ошибки многолучевости.................. 52

2.3.1. Расчет фазовой ошибки многолучевости................. 52

2.3.2. Поиск строба, обеспечивающего наименьшее

значение дисперсии фазовой многолучевой ошибки.. 55

2.3.3. Расчет фазовой шумовой ошибки.................................. 58

2.3.4. Минимизация векторного показателя качества слежения за несущей........................................................ 61

2.4. Уменьшение кодовой ошибки многолучевости....................... 75

2.4.1. Расчет кодовой ошибки многолучевости............................................75

2.4.2. Расчет кодовой шумовой ошибки....................................................................77

2.4.3. Минимизация векторного показателя качества слежения за псевдослучайным шумовым

кодом..................................................................................................................................................................78

2.5. Выводы по второму разделу..............................................................................................................81

3. Аспекты реализации стробовых корреляторов в СБИС......................................85

3.1. Специфика цифрового многоканального навигационного приемника............................................................................................................................................................................85

3.2. Свойства генератора опорного сигнала..........................................................................90

3.3. Первый способ формирования цифровых опорных сигналов 95

3.3.1. Формирование простого строба из одного отсчета............95

3.3.2. Формирование строба из нескольких отсчетов........................98

3.4. Второй способ формирования цифровых опорных сигналов. 100

3.5. Реализация коррелятора с малыми аппаратными затратами.. 103

3.5.1. Обработка действительного сигнала..........................................................104

3.5.2. Обработка комплексного сигнала....................................................................115

3.6. Выводы по третьему разделу............................................................................................................117

4. Экспериментальное исследование многолучевости и эффективности применения стробовых корреляторов..........................................119

4.1. Экспериментальная проверка эффективности применения стробовых корреляторов..........................................................................................................................119

4.2. Методика оценивания параметров многолучевости в статических приложениях......................................................................................................................126

4.3. Экспериментальное исследование кодовой многолучевости. 131

4.4. Выводы по четвертому разделу....................................................................................................137

Заключение..........................................................................................................................................................................................................139

Литература...............................................................................................................141

Основные сокращения Основные обозначения

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации

Современные спутниковые сетевые радионавигационные системы, такие как российская ГЛОНАСС и американская GPS (NAVSTAR), применяются для решения широкого круга задач, связанных с определением местоположения, скорости объекта и точного времени. На точность получаемого решения влияет множество факторов. Основными источниками ошибок в режиме абсолютного местоопределения являются:

а) селективный доступ,

б) ионосферная задержка радиосигнала,

в) нестабильность спутникового эталона частоты,

г) неточность эфемеридной информации,

д) многолучевость,

е) тропосферная задержка радиосигнала,

ж) тепловые шумы приемного тракта.

Отметим, что здесь эти источники перечислены в порядке уменьшения вклада в результирующую ошибку абсолютного местоопределения [48]. Кроме того, в ГЛОНАСС режим селективного доступа (совокупность мер для искусственного снижения точности решения [48]) отсутствует.

Ошибки, вызванные причинами а)-г), в значительной степени удаляются благодаря использованию дифференциального режима местоопределения, при котором измерению подлежит разность координат (базовый вектор) между мобильным и базовым приемниками. Имея такой вектор и зная точные координаты базового приемника, можно вычислить координаты мобильного. На коротких базовых линиях, когда длина базового вектора меньше 10 км, эти ошибки проявляются практически одинаковым образом, как в мобильном приемнике, так и в базовом. Поэтому они взаимокомпенсируются при вычитании. Однако этого нельзя сказать про

ошибку многолучевости, которая определяется локальными условиями работы приемника: формой отражающих предметов и их положением относительно антенны и спутников. Поэтому при дифференциальном методе на коротких базовых линиях ошибка многолучевости становится превалирующей. При этом она проявляется двояко. С одной стороны, из-за нее возникает ошибка в координатах базового вектора. С другой стороны, возрастает время необходимое для разрешения неоднозначностей (целого числа длин волн) по фазам несущих при работе в фазовом дифференциальном режиме (координаты базового вектора определяются по фазам несущих). Это увеличение времени особенно заметно в одночастотных навигационных приемниках.

Следует отметить, что проблеме многолучевости уделяется внимание также в связных [20,22,26,38] и радиолокационных [2,31,32] системах. В первых системах она в основном проявляется в виде замираний принимаемого сигнала, во вторых - в виде ошибки измерения параметров приходящего сигнала, причем в последних она тесно связана с проблемой повышения разрешающей способности.

К сожалению, разработанные для этих систем методы в большинстве случаев не применимы к носимым высокоточным приемникам спутниковой навигации по следующим причинам:

- Требования по массогабаритным показателям не позволяют использовать сложные антенные системы для выделения одного или небольшого числа лучей путем селекции сигналов по углу прихода. Эти же требования не позволяют использовать идеи, заложенные в системах разделения приходящих лучей с последующим их синфазным сложением (подобные системы используются для увеличения отношения сигнал-шум в связи [22,38]) или в системах оптимального оценивания (в радиолокации и радионавигации [7,25,32,42,43]), так как число подобных достаточно сложных систем должно быть равно числу спутников, находящихся в зоне

видимости.

Характеристики (частоты, вид модулирующих сигналов) навигационного сигнала строго фиксированы [8,51]. Это не позволяет использовать методы, основанные на выборе типа и параметров излучаемого сигнала [17,20].

Кроме этого эффект многолучевости в навигационных системах ГЛОНАСС и GPS имеет ряд особенностей, которые позволяют разработать специфические методы борьбы с ним.

Исходя из вышесказанного, можно сформулировать следующие цель и задачи работы:

Цель и задачи работы

Целью данной работы является исследование, разработка и испытание методов и устройств для уменьшения ошибки многолучевости в высокоточных спутниковых навигационных приемниках. В соответствии с поставленной целью в диссертации ставятся и решаются следующие задачи:

1. анализ методов уменьшения ошибки многолучевости и их применимости в высокоточных спутниковых навигационных приемниках (в дальнейшем просто приемниках);

2. определение требований к системе уменьшения ошибки многолучевости в приемнике;

3. исследование стробового метода уменьшения ошибки многолучевости, не чувствительного к числу отраженных сигналов и не приводящего к существенному усложнению аппаратной и программной частей приемника;

4. оптимизация стробового коррелятора по критерию минимума ошибки слежения;

5. исследование и разработка цифровых способов формирования опорного сигнала коррелятора в виде стробовой последовательности;

6. исследование и разработка цифрового коррелятора с малыми аппаратными затратами при обеспечении малого уровня энергетических потерь и паразитных гармоник;

7. экспериментальное исследование степени уменьшения ошибки многолучевости при использовании стробового коррелятора;

8. разработка методики определения характеристик многолучевости по измерениям приемника для их последующего использования при оптимизации строба и анализе многолучевой обстановки.

Задачи 1,2,3 решаются в главе 1, задача 4 - в главе 2, задачи 5 и 6 - в главе 3, задачи 7 и 8 - в главе 4.

Методы исследования

В работе использовались методы теории цифровой обработки сигналов, теории случайных процессов, теории линейных электрических цепей и матричной алгебры. Для обработки экспериментальных данных использовались методы математической статистики.

Научная новизна работы

заключается в следующем:

- исследован метод уменьшения ошибки многолучевости за счет изменения формы опорного сигнала коррелятора;

- проведена оптимизация формы и параметров строба по критерию минимума ошибки слежения;

- разработаны и исследованы устройства цифрового формирования стробовой последовательности, состоящей из прямоугольных элементов;

- разработан и исследован цифровой стробовый коррелятор на основе нереверсивного счетчика;

- разработана методика определения характеристик многолучевости по измерениям синфазной компоненты, псевдодальности и полной фазы в приемнике;

Практическая ценность результатов работы

Решения по подавлению ошибки многолучевости, разработанные в диссертационной работе, позволяют уменьшить ошибку в определении координат в два и более раз. Этот эффект достигается при малом увеличении аппаратных затрат. Увеличение составляет менее 5% от общего количества элементов в СБИС, обеспечивающей обычные функции. Это дает возможность при производстве СБИС использовать кристалл обычного объема.

Построение коррелятора на основе нереверсивного счетчика позволяет сократить потребление и аппаратные затраты на реализацию накопителя более чем в два раза, по сравнению с традиционным вариантом.

Путем рационального выбора места установки антенны, так чтобы отражение от местных предметов было минимальным, можно существенно уменьшить ошибку многолучевости. Местоположение наиболее сильно отражающего предмета можно определить по задержке отраженного сигнала, оцененной с помощью предложенной методике определения характеристик многолучевости по измерениям приемника. Кроме этого знание задержки позволяет произвести адаптацию формы строба для подавления этого отражателя.

Результаты диссертационной работы были использованы при разработке специализированных СБИС для навигационных приемников, выпускаемых Ashtech Inc. и Javad Positioning Systems LLC, что подтверждается актами о внедрении.

Основные положения, выносимые на защиту 1. Разработанная методика оптимизации характеристик стробовой последовательности позволяет в максимальной степени уменьшить влияние отраженных сигналов на системы слежения за несущей и кодом. При этом обеспечивается заранее заданное значение энергетических потерь по сравнению с системой, оптимальной для однолучевого сигнала.

2. Заданную стробовую последовательность, одиночный строб в которой состоит из прямоугольных элементов с длительностями, кратными периоду дискретизации, можно сформировать на основе импульсов дискретизации. Если длительности прямоугольных элементов не кратны периоду дискретизации, то следует привлекать код фазы. Это приведет к некоторому усложнению устройства, но позволит получить более гибкую систему.

3. Разработанный цифровой коррелятор на основе нереверсивного счетчика позволяет реализовать свертку входного сигнала (в том числе реализовать стробовый метод борьбы с многолучевостью) с аппаратными затратами и потреблением более чем в два раза меньшими, чем в традиционном варианте.

4. Разработанная методика определения параметров отраженного сигнала по измерениям синфазной компоненты, псевдодальности и полной фазы в приемнике позволяет оценить задержку отраженного сигнала с точностью, достаточной для использования ее при выборе места установки антенны и адаптации характеристик стробовой последовательности для подавления этого отражателя.

Публикации иапробации

По теме диссертации опубликовано пять печатных работ [6,13,14,62,69].

Объем и структура работы

Диссертационная работа изложена на 151 листе машинописного текста, включая 31 лист иллюстраций и 7 таблиц. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 70 наименований, списков основных сокращений и обозначений.

1. ЭФФЕКТ МНОГОЛУЧЕВОСТИ В РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ ГЛОНАСС и GPS

В данной главе рассматривается специфика проявления многолучевости в спутниковых радионавигационных системах ГЛОНАСС и GPS. Описываются характеристики многолучевости и вводится модель многолучевого сигнала.

Описываются методы уменьшения многолучевости, применяемые в спутниковых радионавигационных системах, за счет пространственной селекции сигнала до его поступления на вход радиочасти навигационного приемника. Рассматриваются оптимальные и неоптимальные методы обработки сигнала в приемнике (после антенной системы).

Описываются основные особенности стробовых корреляторов, позволяющих эффективно уменьшить ошибку многолучевости.

Часть результатов, приведенных в этой главе, опубликованы в работах автора [6,13,62].

1.1. Характеристики многолучевости

Эффект многолучевости возникает вследствие того, что на вход навигационного приемника кроме основного (прямого) сигнала приходят копии этого сигнала, отраженные от местных предметов. Различие параметров прямого и отраженного сигналов приводит к ошибке (называемой ошибкой многолучевости) при определении дальности до спутника. В обычном приемнике, являющемся оптимальным (квазиоптимальным) в условиях однолучевого сигнала, значение этой ошибки лежит в пределах -7...7 м по псевдодальности и -2...2 см по фазе несущей.

Отраженный сигнал можно характеризовать следующими параметрами:

- временной задержкой 8 псевдошумового кода (ПШК) отраженного сигнала относительно ПШК прямого,

- разностью фаз 9 между несущей отраженного сигнала и несущей прямого,

- отношением а амплитуды отраженного сигнала к амплитуде прямого. Важное значение имеют также направление прихода и тип поляризации отраженного сигнала.

Рассмотрим эти параметры более подробно. От направления прихода отраженного сигнала зависит его амплитуда на выходе антенны [определяется по диаграмме направленности (ДН)] и дополнительный фазовый сдвиг за счет неравномерности фазовой диаграммы антенны. Амплитуда зависит также от типа поляризации отраженного сигнала. Сигналы, излучаемые как спутниками GPS, так и ГЛОНАСС, имеют правую круговую поляризацию [8,51]. Как известно [41], при отражении сигнала, падающего под углом меньшим угла Брюстера, сигнал изменяет тип поляризации- с правой на левую. За счет того, что навигационная антенна проектируется для приема сигналов с правой поляризацией, при таких углах отраженный сигнал будет ослабляться. К сожалению, это ослабление не очень велико и составляет в лучшем случае 10 дБ. Однако в нижней полусфере антенна имеет левую поляризацию и поэтому отраженные сигналы, приходящие "снизу" (например, вследствие отражения от поверхности земли), не ослабляются.

Временная задержка, фаза и амплитуда отраженного сигнала влияют на работу следящих петель приемника. Отраженный сигнал всегда запаздывает относительно прямого за счет распространения по более длинному пути. Причем сигналы с задержками большими длины элемента ПШК, модулирующего несущую, ошибку прак