автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.14, диссертация на тему:Метод многоканальной цифровой фильтрации помех для аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем

На правах рукописи

Л......—'"""

С

Соколов Иван Михайлович

МЕТОД МНОГОКАНАЛЬНОЙ ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТРАЦИИ ПОМЕХ ДЛЯ АППАРАТУРЫ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Специальность 05.12.14 - «Радиолокация и радионавигация»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 5МАР 2015

005561076

Москва — 2015

005561076

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет гражданской авиации» (МГТУ ГА).

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический

университет гражданской авиации» (МГТУ ГА)

Рубцов Виталий Дмитриевич

доктор технических наук, профессор, ФГБУ «Центральный научно-исследовательский институт ВВС МО РФ», ведущий научный сотрудник НАЦ АТ и В

Соловьев Юрий Арсеньевич

доктор технических наук, профессор, академик, заведующий кафедрой Навигационного обеспечения полетов и аэронавигационной информации, института аэронавигации Борсоев Владимир Александрович

ФГУП «Государственный научно-исследовательский институт

авиационных систем» (ГосНИИАС) Защита состоится « 2- ( » 2015 г. в

Ведущая организация:

/6 — часов на

заседании диссертационного совета0<У-Г. £>£ при Московском государственном техническом университете гражданской авиации по адресу: 125993, г. Москва, А-493, ГСП-3, Кронштадтский бульвар, д. 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ ГА и на сайте http://w\vw.mstuca.ru/scientific_work/scientific_workУflles/Coкoлoв _диссертаиия.р(1£

Автореферат разослан « ' 5

2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

^ Кузнецов В.Л.

Общая характеристика работы

Актуальность. Недостатком спутниковых радионавигационных систем (СРНС) является крайне низкая помехоустойчивость аппаратуры потребителей к воздействию мощных радиопомех. Это является следствием низкой мощности полезного сигнала на входе навигационного приемника.

Одной из главных особенностей навигационной аппаратуры, в состав которой входит антенная решетка, является высокая помехоустойчивость изделия в целом, в том числе в присутствии мощных помех. Под помехоустойчивостью понимается возможность обеспечивать решение поставленной задачи, а именно: определение текущего местоположения объекта и его вектора скорости, при заданных уровнях и типах помех.

Использование, в составе помехоустойчивой навигационной аппаратуры потребителей (ПНАП), антенных систем (АС) позволяет реализовать управление диаграммой направленности, обеспечивающее нулевой приём сигналов в направлении источников помех, по критерию минимума выходной мощности. В силу особенностей построения СРНС, при решении задачи пространственного подавления помех так же пригоден критерий максимума отношения сигнал-шум.

Степень разработанности темы исследования. Решению проблемы пространственной режекции помех методами многоканальной цифровой фильтрации посвящено множество работ. Первые систематизированные труды принадлежат Монзинго P.A., Уидроу Б. Главной особенностью в них было описание принципа работы систем с широкополосными сигналами. Стоит отметить работы зарубежных авторов, которые существенно развили эту тему, а так же исследовали вопросы, связанные с численной устойчивостью решений: Гарри JI. Ван Трис, Клемм Р., Хайкин С. Первая отечественная работа, посвященная пространственной режекции помех принадлежит Ширману Я.Д. Так же стоит отметить работы Воскресенского Д.И., Канащенкова А.И., Харисова В.Н.

Не смотря на это, в вышеперечисленных работах не до конца исследованы факторы, влияющие на качество пространственной режекции помех, что является крайне важным при проектировании аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем. Практически отсутствуют экспериментальные исследования.

Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка методов повышения качества антенных подавителей помех. В том числе компенсации нежелательных эффектов, вызванных неидентичностью аналоговых трактов.

Задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели:

1) анализ непреднамеренных и преднамеренных помех;

2) исследование существующих и разработка новых алгоритмов подавления помех;

3) оценка основных параметров неидентичности частотных

характеристик аналоговых трактов, влияющих на качество работы алгоритмов;

4) разработка методов компенсации неидентичности аналоговых трактов ПНАП СРНС;

5) экспериментальные исследования качества разработанных методов.

Методы исследований. При решении перечисленных задач были

использованы методы теории вероятностей и случайных процессов, математической статистики, цифровой обработки сигналов, а также методы математического моделирования.

Достоверность результатов работы подтверждается адекватностью используемых моделей, описывающих физические законы протекающие в системе, а так же корректностью использования математического аппарата при решении задач.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней был разработан метод устранения помех, основанный на анализе спектра ковариационной матрицы. Так же предложены оригинальные методы уменьшения влияния неидентичности аналоговых трактов, предполагающие:

1) разбиение полосы пропускания на узкие подполосы;

2) введение калибровочного сигнала, для расчета коэффициентов корректирующего КИХ-фильтра.

В диссертации получены следующие основные научные результаты:

1) разработан метод устранения помех, основанный на разбиении пространства выходных сигналов антенной системы на подпространство мощных коррелированных сигналов и подпространство шумов, что позволяет более точно оценить ковариационную матрицу помех;

2) разработан алгоритм для решения частичной проблемы собственных значений ковариационной матрицы;

3) разработан программно-математический комплекс, позволяющий производить оценку качества различных алгоритмов подавления помех ПНАП СРНС, в зависимости от типа алгоритма, неидентичности аналоговых трактов и с использованием оцифрованных данных с реального устройства;

4) показано, что разбиение полосы пропускания антенно-фидерного тракта ПНАП СРНС на узкие подполосы является не менее эффективным, чем использование транверсального фильтра;

5) показана принципиальная возможность одновременного формирования провалов в направлении на помехи и лучей в направлении на навигационные спутники.

6) показана принципиальная возможность уменьшения межэлементного расстояния в АС, без ухудшения отношения сигнал-шум видимых спутников.

На защиту выносятся:

1. Метод устранения помех, основанный на анализе спектра ковариационной матрицы.

2. Метод повышения качества антенного подавителя помех ПНАП СРНС, путем разбиения полосы пропускания на узкие подполосы.

3. Метод устранения неидентичности частотных характеристик аналоговых трактов при помощи калибровки, которая выполняется в процессе работы.

4. Результаты экспериментов по проверке предложенной методики, при помощи специального стенда, имитирующего до 3-х мощных помех.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты могут быть использованы службами эксплуатации авиационной техники и разработчиками навигационной аппаратуры, поскольку позволяют:

- повысить помехоустойчивость навигационной аппаратуры потребителей СРНС;

- повысить точность и надежность координатно-временного обеспечения навигационной аппаратуры потребителей СРНС в сложной помеховой обстановке;

- расширить функциональные возможности НАП СРНС за счет уменьшения вероятности срывов в сопровождении за сигналами НКА при интенсивном воздействии помех и при установке АП СРНС на высокодинамичных ВС;

- расширить область применения ПНАП с АС, за счет уменьшения габаритных размеров.

- обнаружить и определить направление на источник помехи, что может быть использовано службами эксплуатации авиационной техники.

Внедрение результатов. Основные результаты работы внедрены в ОАО «Московское конструкторское бюро «Компас» и в Московском государственном техническом университете гражданской авиации, что подтверждено соответствующими актами.

Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались на Международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества», посвященной 40-летию образования МГТУ ГА (Москва, МГТУ ГА, 2011 г.); на научно-технической конференции «Радионавигационные технологии в приборостроении» (Краснодарский край, Туапсинский р-н, нос. Небуг, отель Молния Небуг, 2011 г.); на Международной научной конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества», посвященной 90-летию гражданской авиации (Москва, МГТУ ГА, 2013 г.); на VII Международном форуме по спутниковой навигации (Москва, ЦВК «Экспоцентр», 2013); на научно-технической конференции «Радионавигационные технологии в приборостроении» (Краснодарский край, Туапсинский р-н, пос. Небуг, отель Молния Небуг, 2013 г.); на научно-технической конференции «Радионавигационные технологии в приборостроении» (Краснодарский край, Туапсинский р-н, пос. Небуг, отель Молния Небуг, 2014 г.); на Девятой встрече международного комитета по ГНСС (Прага, Smichov National House, 2014) и на Девятой международной научно-технической конференции «Тенденции и гармонизация развития

радионавигационного обеспечения» (Москва, МАДИ, 2014 г.).

Публикации по теме. По теме опубликована 7 работ, включая 2 статьи в журналах из перечня ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников. Диссертация содержит 128 страниц текста, 88 рисунков, 4 таблицы и библиографию из 56 наименований.

Краткое содержание работы Первая глава диссертационной работы посвящена расчету общей помехоустойчивости аппаратуры потребителей СРНС и методам ее достижения. Описываются типы и характеристики помех СРНС. Описываются существующие методы подавления помех, основанные на пространственной селекции сигналов. Приводятся результаты моделирования.

В качестве сигналов СРНС используются шумоподобные сигналы. В результате их обработки в корреляторе происходит подавление помехи. Величина этого подавления называется коэффициентом усиления шумоподобного сигнала и определяется следующим соотношением:

кшпс ~2-Вг

ще В — это база сигнала. В случае сигналов ГЛОНАСС, подавление помех за счет свойств сигнала будет равно

Минимальная мощность сигнала ГНСС ГЛОНАСС задана в ИКД на ГЛОНАСС и составляет минус 161 дБВт. Определим спектральную плотность тепловых шумов в приемнике No. Из радиотехники известно, что No вычисляется ниже следующим образом.

Пусть NF=3 дБ шум-фактор приёмника (с учётом характеристик входного фильтра и МШУ). Тогда:

7^=293 К - температура окружающей среды в Кельвинах,

7^=100 К - шумовая температура антенны,

к=\,38066-10'23 - постоянная Больцмана.

Температура шумов приёмника Тп в град. Кельвина;

Tn=Ta + Te(\QNF/lQ - 1) = 293 К.

Спектральная плотность мощности собственного шума:

N0= 101ogio(£7y = -203 дБВт_Гц.

No - это наименьший уровень шума для данного приёмника. Тогда при указанном уровне сигнала (минус 161 дБВт) максимальное теоретическое значение отношения сигнала к шуму будет равно:

-161-(-203) =42дБ _ Гц

Большинство случаев воздействия непреднамеренных помех на ПНАП СРНС связано с паразитными излучениями или гармониками оборудования

связи ОВЧ-диапазона, а также внеполосными и паразитными излучениями оборудования спутниковой связи. Портативные электронные устройства также могут создать помеху ПНАП СРНС.

Этот факт связан с тем, что наземные источники помех в настоящее время включают в себя средства связи ОВЧ-диапазона, прямые радиолинии, работающие в полосе частот СРНС, гармонические составляющие излучения телевизионных станций, некоторые радиолокационные системы, системы подвижной спутниковой связи и системы военного назначения.

Наилучшим образом оценить опасность непреднамеренной помехи можно только на основе опыта эксплуатации. Вероятность непреднамеренной помехи часто зависит от географических условий. Крупные города со значительным числом источников радиочастотных помех, промышленных районов и т. д. в большей степени подвержены непреднамеренным помехам, чем удаленные районы. Однако здесь возникает необходимость определения местоположения этих помех с целью их дальнейшего исключения.

В связи с низкой мощностью сигналов СРНС существует возможность их подавления маломощными передатчиками. Такая возможность должна учитываться и оцениваться как угроза.

Эффективный способ повысить помехоустойчивость - пространственная обработка сигналов. Он основан на том, что сигнал помехи, падающий на антенную систему возбуждает каждый антенный элемент со своей фазой, что позволяет извлечь информацию о пространственном положении источников и использовать ее для подавления помеховых воздействий. При этом, единственным оцениваемым параметром является мощность помехи на входе АС.

Далее определяется математическая модель. Имеется N разнесенных антенн, £ источников слабых полезных сигналов и 3 (У < АО источников мощных помех. Так же в антеннах присутствует собственный шум, превышающий уровень полезного сигнала. Предполагается, что все сигналы (помехи, собственный шум, сигналы НКА) взаимно некоррелированы.

Комплексный отсчет с /7-ого антенного элемента

= , п=1777 , (1)

5=1 ]=1

где а„ - составляющая вектора направляющих косинусов; С, - сигнал СРНС, /7, — сигнал помехи; у„ - собственный шум л-го антенного элемента; 6 и ср ■— угол возвышения и азимут соответственно; N - количество антенных элементов; Б -количество видимых навигационных спутников; J — количество помех. Или в матричном виде

Х(гк)=С(^)Ас+Л(г,)А„+у(гк) , (2)

где

С(0=(С1(0,С2(гк),...,С5(0) ; П(0=(Л,(0, П2(1к),П}{гк)) ;

а(02с,ф2с)

«(в^.фД «(М)

а(е?,ф2п)

\«(е7,ч>7)|

а(0,ф)=(о1(8,ф), а2(9,ф), ...,а„(Э,ф)) ;

Подавление помехи происходит за счет формирования провала в диаграмме направленности антенной системы в направлении на источник помехи. Для этого необходимо выделить один из антенных элементов (АЭ), который будет называться главным или центральным (например, первый хО. Остальные антенные элементы будут именоваться периферийными. Суть метода заключается в компенсации фазовых набегов помех на выходе периферийных АЭ и вычитании помехи из главного АЭ.

Вектор наблюдений главной антенны определяется как

я=(х1(г1),*1(г2),...,*1Мт • (3)

Матрица наблюдений периферийных антенн определяется как:

I \

- х^М

г=

(4)

Необходимо вычесть из сигнала главной антенны взвешенную сумму сигналов периферийных антенн:

. (5)

При этом вектор весовых коэффициентов (ВВК) рассчитываться так, что разностный сигнал имеет минимально возможную мощность т.е. является решением уравнения Винера-Хопфа:

и^ЯггК^ , (6)

где

к2£=<2н£> ; (7)

(8)

В случае систем с широкополосными сигналами, необходимо учитывать частотные характеристики (ЧХ) каналов передачи, которые состоят из среды

распространения и аналоговых трактов многоканального приемника. ЧХ аппроксимируются при помощи КИХ-фильров, коэффициенты которых также находятся из уравнения (6). Однако матрица наблюдений периферийных антенн определяется следующим образом:

Z=(Z0.....ZJ ,

x2{t,-iAtk) ... x„{t,-iAtk) где Z,= : :

x2{tK-i At,) ... x„(tK-iAtll)i

Так как сигнально-помеховая обстановка может меняться, то существует необходимость адаптивной подстройки вектора весовых коэффициентов. Причем, если статистики описывающие условия приема известны, то для расчета ВВК используется рекурсивная формула

w(fc+l)=w(fc)+|i[Ä2E-Ä22w(fc)] , (9)

где к- номер итерации, ц — шаг адаптации.

При неизвестных статистиках

w(ic+l)=w(fc)+(iBzr , (10)

где R^iZY") , ц—шаг адаптации.

На скорость сходимости выражений (9) и (10) сказывается выбор параметра ц. Причем, при больших значениях, скорость сходимости возрастает, однако w сильно флуктуирует. С другой стороны при малых значениях ц скорость сходимости снижается, однако точность решения возрастает.

Зависимость скорости сходимости вектора весовых коэффициентов от числа обусловленности ковариационной матрицы, является существенным недостатком адаптивных алгоритмов. Их использование оправдано при небольшой вычислительной мощности устройства. Для более точного и быстрого решения применяется метод непосредственного обращения ковариационной матрицы (НОМ), т. е. прямое решение уравнения (6).

Когда одновременно наблюдается несколько случайных процессов, можно говорить о векторном процессе. Например, (2) является именно таким процессом.

Ковариационная матрица входных сигналов имеет вид

R„=(XHX)=RCC+Rnn+Rm , (Ц)

где Ree, Rnn, Rm - ковариационные матрицы сигналов СРНС, помех и собственных шумов приемника, соответственно. В силу малости Ree и R„„

Rxx"Rnn ■ (12)

Отсюда следует, что

r(tJ=X(tk)B-bx(tv)R;i (13)

Из (12) следует, что при слабом уровне помехи ковариационная матрица помех рассчитывается с ошибкой.

Автором предложено применить к (11) спектральное разложение

д» = еле", (И)

ще е = - матрица, столбцами которой являются собственные

вектора q, матрицы Л= <11а§(Л.1, Х.ч) — диагональная матрица, состоящая из собственных значений матрицы

Матрица наблюдений в базисе, определяемом собственными векторами, имеет вид

Y=XQ={yuy1.....у„) . (15)

Матрица е является унитарным преобразованием, поэтому строки матрицы Г взаимно ортогональны. Так как <2"кн.<2=дн(хнХ)С>=(Г,,У)=Л , имеет место соотношение:

Л0.0=(у?у,) , (16)

из которого следует, что энергия каждой составляющей у, матрицы Г равна соответствующему собственному значению X,. Если некоторое X,- оказывается приблизительно равным известному уровню мощности собственных шумов, то правомерно утверждение, что соответствующая составляющая у, матрицы У свободна от помех.

Предположим, что собственные значения упорядочены по возрастанию

Х^Х^.^Х» . (17)

Тогда, можно разделить собственные вектора на две группы так, что вектора соответствующие первым Л'-/ собственным значениям, будут относиться к первой группе <2=(Ч1.Ч2.—.Чк-Л > а остальные ко второй <) • Причем <3 - базис подпространства шумов, а 0 -базис подпространства помех.

Перепишем выражение (15) с учетом сделанных замечаний:

У=Х(<г,0)=(ГУ) .

Таким образом матрица наблюдений распалась на две подматрицы, содержащие шум и помехи соответственно. Домножив Уна матрицу

У(2

=х+х

(18)

где X - матрица наблюдений, содержащая собственный шум и полезный сигнал, X - матрица наблюдений, содержащая помехи. После чего матрица X обнуляется, и на выходе системы будут получены Л^ сигналов, свободных от помех.

Матрица представляет собой набор векторов весовых коэффициентов. Причем, каждый вектор формирует диаграмму направленности антенны так, что обеспечивается максимум усиления в направлении на помеху. Векторы матрицы <2 формируют диаграммы направленности с провалами на источники помех.

Отношение сигнал-шум (ОСШ) для к-го НС

ще ТУ, - /-й столбец матрицы ТУ=0с?н ( 1=1777 ); а — вектор направляющих косинусов ¿-го НС; Рк и% - мощности сигнала £-го НС на входе приемника и собственного шума, соответственно.

В предложенном автором методе необходимо вычислять только те собственные векторы, соответствующие собственные числа которых не превышают некоторого порога. При этом, если ковариационная матрица плохо обусловлена, что имеет место в условиях мощных помех, то вычисление собственных векторов, соответствующих малым собственным значениям, сопряжено со значительными ошибками. Это выражается в том, что теряется ортогональность. С другой стороны, собственные векторы, соответствующие большим собственным значениям, вычисляются с достаточной точностью.

Перепишем выражение для выходного сигнала метода исключения помех: Х=Х+Х-Х=Х+Х-Х-Х=Х-Х=Х-Х(1(2Я . (20)

Из (20) следует, что можно заменить расчет собственных векторов <2 на 0 .

Для спектрального разложения матрицы можно использовать (Щ-алгоритм, где (^-разложение выполняется при помощи алгоритма Грамма-Шмидта (ГШ). Автором предложено модифицировать ГШ так, что бы (^-разложение прекращалось, если на к-ом шаге значение диагонального элемента матрицы И(к, к) превосходит некоторый порог г. Тогда можно рассчитать только те, собственные векторы, которые необходимы.

Автором был проведен анализ области, пригодной для приема спутников при помеховой обстановке со следующими параметрами: 4-элементная плоская антенная решетка с расстоянием между фазовыми центрами АЭ равным половине длинны волны; одна помеха уровнем 55 дБ, полосой 20 МГц и угловым положением (45°,100°) на несущей частоте 1602 МГц. Полезный сигнал представляет собой фазоманипулированный сигнал, аналогичный ГЛОНАСС. При этом для каждого углового положения источника полезного сигнала проводился поиск и рассчитывалось отношение сигнал-шум £N11, дБ_Гц (рисунок 1).

Азимут

Рисунок 1 - Область пригодная для приема сигналов НКА, при межэлементном расстоянии

пол длины волны

Далее был рассмотрен вариант где межэлементное расстояние АС равнялось четверти длинны волны при прочих равных условиях (рисунок 2)

Азимут

О 50 100 150 200 250 300 350 400

01_---д-:--Д-----

8Ж, дБ Гц

Рисунок 2 - Область пригодная для приема сигналов НКА, при межэлементном расстоянии

четверть длины волны

По результатам моделирования, проведенного автором, был сделан вывод о том, что предложенный метод формирует провал в диаграмме направленности антенной системы в направлении на источник помехи. При этом, уменьшение межэлементного расстояния не увеличивает ширину провала.

Вторая глава посвящена анализу факторов, снижающих качество работы подавителей помех.

Аналого-цифровой преобразователь является неотъемлемой частью современных ПНАП. Его разрядность D определяет верхнюю границу отношения помеха-собственный шум (J/N), которое можно получить. Так как наибольшей маскирующей способностью обладают помехи, имеющие нормальный закон распределения, то значения шумового процесса заключены в интервале ±3<т„ (<т — среднеквадратичное отклонение). Тогда, для того что бы АЦП не входил в насыщение, СКО помехи не должно превышать одной третьей от максимальной амплитуды входного сигнала, т.е:

o„<-^-=amm . (21)

Если принять СКО собственного шума приемника за единицу, то максимальное отношение помеха-собственный шум (J/N)mm, равно:

(j/iVL=201ogIO|am„) . (22)

В реальном АЦП к уровню собственного шума приемника добавляется шум АЦП, обусловленный дрожанием апертуры, дифференциальной нелинейностью и шумом квантования. Простое уравнение для общего отношения помеха-собственный шум {J/N) выглядит следующим образом:

JlN=-2 Olog,,

(23)

где ] — частота полношкального синуса на аналоговом входе, —

дрожание апертуры, 1.с - дрожание от дискретизации, — собственное апертурное дрожание АЦП, е — дифференциальная нелинейность АЦП, й — число разрядов, Ущм — эффективный входной шум АЦП.

Автором был проведен анализ влияния неидентичности частотных характеристик канала передачи на уровень подавления. Канал передачи складывается из:

- среды распространения, причем, так как используется антенная решетка, ЧХ на входе каждого антенного элемента различны;

- аналогового тракта приемника, состоящего, в общем случае, из полосно-пропускающего фильтра, малошумящего усилителя и гетеродинного преобразователя.

Автором было проведено моделирование влияния качества согласования высокочастотных элементов, входящих в состав аналогового тракта, которое характеризуется коэффициентом стоячей волны (КСВ), на частотные характеристики аналоговых трактов. Для этого, при помощи анализатора цепей были получены волновые матрицы рассеяния (или матрица Б-параметров) двух различных полосно-пропускающих фильтров. Далее, полученые матрицы Э-параметров загружались в среду имитационного моделирования эттИпк, в виде ВЧ-блоков. КСВ регулировался при помощи аттенюатора (согласующий блок),

помещенного между ними (рисунок 3). Аттенюатор ослабляет отраженную волну на удвоенный коэффициент затухания.

вч Сотасующи й В"!

БЛОК I Ь !ОК .?

Рисунок 3 - Структурная схема для моделирования влияния КСВ

Влияние КСВ на ЧХ тракта оценивалось по групповому времени запаздывания (ГВЗ). Моделирование проводилось для трех значений ослабления: 0 дБ, минус 3 дБ и минус 10 дБ (рисунок 4).

£ о.

Частота (МГц)

Рисунок 4 - График ошибок ГВЗ, при различных значениях ослабления: 0 дБ (штриховая линия); минус 3 дБ (шгрих-пункгирная линия); минус 10 дБ (сплошная линия)

Далее автором была проведена серия экспериментальных исследований влияния переотражений на ГВЗ тракта при распространении радиоволн в свободном пространстве. Два идентичных антенных элемента на металлическом листе 1x0,5 м, имитирующем подстилающую поверхность, помещались в безэховой камере (рисунок 5).

Различие в ГВЗ не превышало 2 не.

В непосредственной близости был помещен металлический лист, играющий роль источника отражений (рисунок 6).

Рисунок 6 - Схема измерений с отражателем О

Разность ГВЗ антенных элементов достигало 4 не.

Третья глава посвящена методам снижения влияния неидентичности частотных характеристик аналоговых трактов на качество подавления. Предлагаются два метода, позволяющих существенно снизить требования к разбросам параметров ВЧ-элементов аналоговых трактов. Проводиться анализ влияния способа формирования квадратурного сигнала на коэффициент подавления.

Автором разработан и проверен метод, который заключается в разбиении полосы пропускания на узкие подполосы при помощи цифровых полосно-пропускающих фильтров (рисунок 7).

i е,

— к

' А Пространственный

J V фильтр

h

р

Пространственный фильтр

У\

e=xfh, Z=Z*h. Z=(x2.....jg

Рисунок 7 - Струкгурная схема метода разбиения полосы пропускания на узкие подполосы

Такой подход позволяет представить широкополосную систему как набор узкополосных, для которых неидентичность ЧХ существенно снижается. Главным требованием является отсутствие искажений полезного сигнала, при этом на импульсную характеристику hL системы фильтров накладывается условие:

Ч'(т)*Лх=Ч'(т) .

где <Р(т) - автокорреляционная функция полезного сигнала. Это условие выполнимо только если ФЧХ фильтра линейна, что можно обеспечить использованием КИХ-фильтров с симметричными коэффициентами I типа. На рисунке 8 приведены результаты моделирования зависимости прироста коэффициента подавления от количества подполос.

Из

г

/

■ /

■1

Количество подполос Рисунок 8 - Прирост коэффициента подавления I зависимости от количества подполос

рисунка видно, что при полосе пропускания 40 МГц, достаточно разбиения на четыре подполосы.

Автором предложен метод калибровки аналоговых трактов, который заключается в приведении частотных

характеристик к одной общей. Так как ЧХ аналоговых трактов не меняются со временем или меняются очень медленно, имеет смысл проводить расчеты, связанные с компенсацией

неидентичности, несколько реже, чем это требуется при постоянном мониторинге помеховой обстановки.

Идея заключается в использовании перестраиваемых цифровых корректирующих фильтров, коэффициенты которых рассчитываются адаптивно

(рисунок 9). Для этого в приемные каналы подмешивается калибровочный сигнал с1(и). Причем его мощность должна быть несколько больше собственных шумов, и в то же время он не должен влиять на прием полезного сигнала, т. е. иметь ортогональную ко всем спутникам псевдослучайную последовательность. ЧХ периферийных каналов К„(а) ( ) приводятся к ЧХ опорного /ч(ш),

при помощи трансверсального фильтра с импульсной характеристикой Ни (г).

АЦП

ад АЦП

ад

Т--"1Л

Е-л

Блок обработки

у/п=Пп1гп

Рисунок 9 - Структурная схема калибровки

Для этого формируются ЛЧ пар сигналов (<г(4), г„(4)). Каждая пара поступает на вход схемы калибровки, где формируется вектор наблюдений е=(е(£1),...,е({к))т , и матрица наблюдений Z„ = (з^огде

*ш= :

гЛ^к-'Д'»),

Далее происходит вычисление ковариационных матриц г„=(2" е) и Я„={г"г„) . Коэффициенты трансверсального фильтра рассчитываются по формуле:

и-^йЛ» - (24)

Данный метод был проверен на оцифрованных данных реального устройства. Результаты приведены в таблицах 1 и 2. Мощности измерены в единицах младшего разряда АЦП.

Таблица 1. Уровни входных и выходных сигналов до калибровки

Номер опорного канала 1 2 3 ¡4 1 2 3 |4

I <3

Без калибровки 277 321 275 303 307 321 276 302

Рта 1,7 2,2 3,4 1,7 1,7 2,3 ¡3,7 1,7

Таблица 2. Уровни входных и выходных сигналов после калибровки

Номер опорного капала

Калибровка по 1 каналу

I

277 1277 ! 277 277

307 307 307 307

Рж 1,7 1,7

Калибровка по 2 каналу 321 321 321 321 321 321 ¡321 321

Р i «иг 1,8 1,9

Калибровка по 3 каналу 275 275 275 275 276 276 276 ¡276

1,9 2

Калибровка по 4 каналу 303 303 303 303 302 302 3021302

р 1 вых 1,6 1,7

Из таблицы 1 видно, что мощность входного сигнала изменяется от канала к каналу, при этом на первом канале наблюдается разность мощностей квадратурных составляющих. После проведения калибровки (таблица 2) мощность входных сигналов периферийных каналов приводится к мощности опорного канала. К тому же мощность выходного сигнала без калибровки зависит от выбора опорного канала. После проведения калибровки выходная мощность не превышает 2.

Автором было проведено исследования влияния способа формирования квадратурной составляющей сигнала на качество подавления помех, с использованием оцифрованных данных реального устрйства. Были исследованы четыре способа:

1. Аналоговое формирование, при помощи демодулятора.

2. Цифровой комплексный смеситель.

3. Цифровой преобразователь Гильберта.

4. Дискретное преобразование Фурье.

В первом случае разность мощностей синфазной и квадратурной компонент составила 2 дБ, во втором 1 дБ, в третьем 2 дБ и в четвертом 0 дБ.

В четвертой главе диссертационной работы описывается антенный подавитель помех (АПП) в составе ПНАП, в которой реализовано большинство описанных методов. Приводится структурная схема АПП. Описываются результаты испытаний.

На рисунке 10 изображена общая структурная схема антенного подавителя помех. Сигналы, присутствующие в эфире, принимаются 4-элементной антенной системой, где происходит предварительная фильтрация и усиление. После чего в 4-канальном приемнике происходит перенос спектра сигнала в область низких частот. Далее производится оцифровка высокоскоростными аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) и передача квантованного сигнала для обработки в сверхбольшую интегральную схему (СБИС). Отсчеты очищенные от помех поступают на квадратурный цифро-аналоговый преобразователь для восстановления. Модулятор переносит спектр обратно в высокочастотную область и выдает сигнал потребителям. ОГ — опорный генератор.

Рисунок 10 - Структурная схема подавителя помех

На рисунке 11 приведена структурная схема цифровой обработки.

Рисунок 11 - Структурная схема цифровой обработки

DDC представляет собой цифровой комплексный смеситель. КФ — корректирующие фильтры для компенсации неидентичности аналоговых трактов. Блок цифровой обработки выполняет расчет ковариационной матрицы, спектральное разложение и последующее вычисление матрицы преобразования. МП — микропроцессор цифровой обработки сигналов.

Автором были проведены полунатурные испытания ПНАП на специальном стенде (рисунок 12). Методика измерения уровня подавления заключалась в следующем. На стенд помещалась ПНАП с выключенным режимом подавления и фиксировалась мощность помехи, при которой происходил «срыв слежения». Затем, включался режим подавления и фиксировалась мощность помехи, при которой так же происходил «срыв слежения». Таким образом из измерения исключалась помехоустойчивость ПНАП, обусловленная чувствительностью схемы сопровождения. Уровень подавления рассчитывался как разность

мощностей помех в первом и во втором случае.

Коэффициенты подавления при разном количестве помех показаны в таблице 3.

Таблица

Результаты

Количество помех 1 2 3

Широкополо сная помеха 44 дБ 43 дБ 41 дБ

Узкополосна я помех 47 дБ 46 дБ 46 дБ

Рисунок 12 - Стенд полунатурных испытаний ГТНАП

Заключение

В диссертационной работе предложен метод устранения помех, состоящий в более точной оценке ковариационной матрицы помех и позволяющий существенно повысить характеристики, а так же расширить область применения ПНАП СРНС с антенной решеткой.

В результате проведенных исследований получены следующие основные научные результаты:

1. Разработан метод устранения помех, который основан на анализе спектра ковариационной матрицы выходных сигналов антенных элементов.

2. Предложена математическая модель сигнально-помеховой обстановки.

3. Предложен алгоритм решения частичной проблемы собственных значений, которая возникает в методе устранения помех.

4. Произведена оценка верхней границы коэффициента подавления, которая зависит от характеристик АЦП.

5. Проведен анализ влияния согласования канала передачи на уровень подавления. Для этого была разработана математическая модель, которая включает в себя в-параметры реального устройства.

6. Были проведены экспериментальные исследования влияния многолучевого распространения на частотные характеристики каналов передачи.

7. Предложен метод снижения влияния неидентичности частотных характеристик аналоговых трактов, путем разбиения полосы пропускания на узкие подполосы. Сформулированы требования к полосовым фильтрам, разбивающим полосу пропускания ПНАП.

8. Предложен метод снижения влияния неидентичности частотных характеристик аналоговых трактов, путем введения корректирующих КИХ

фильтров.

9. Исследовано влияние способа формирования квадратурного сигнала.

10. В ходе испытаний ПНАП, в которой использовано большинство результатов диссертационной работы, были получены удовлетворительные результаты помехоустойчивости, близкие к теоретическим.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. В предложенном методе производится разделение сигналов на два подпространства: помеховое и шумовое. Причем, т. к. сигналы навигационных спутников на входе ПНАП имеют уровень мощности много меньше собственных шумов, то они попадают в оба подпространства. Часть мощности спутникового сигнала, которая попадает в подпространство помех, зависит от взаимного углового положения полезного сигнала и источников помех. При этом, оценка ковариационной матрицы помех является более точной, т. к. шумовая составляющая находится в другом подпространстве.

2. Предложенный метод устранения помех не приводит к потере информации об угловом положении навигационных спутников, что позволяет реализовать формирование лучей, т. е. повысить отношение сигнал-шум.

3. Результаты моделирования показывают, что ширина провала в диаграмме направленности не зависит от межэлементного расстояния в АР, в отличие от классического метода, где при сближении антенных элементов провал в диаграмме направленности существенно увеличивается.

4. Уровень подавления напрямую зависит от разрядности АЦП и шума, приведенного к его входу.

5. Наличие переотражений в канале передачи сильно искажает его частотные характеристики.

6. Многолучевость сказывается на частотные характеристики канала передачи непредсказуемым образом. Из этого следует; что если не принимать специальных мер, коэффициент подавления сильно зависит от окружающего пространства.

7. При полосе пропускания ПНАП порядка 40 МГц (L1 ГЛОНАСС + L1 GPS), достаточно разбить ее на 4 части.

8. Метод калибровки позволяет добиться требуемой идентичности ЧХ аналоговых трактов. При этом достаточно КИХ-фильтра 10 — 12 порядков.

9. При формировании квадратурного сигнала аналоговым способом разница в уровне подавления между I и Q составляющими достигает 2 дБ.

При формировании квадратурного сигнала при помощи цифрового комплексного смесителя, разница в уровне подавления между I и Q составляющими менее 1 дБ.

При формировании квадратурного сигнала по средствам цифрового фильтра Гильберта 20 порядка, разница в уровне подавления между I и Q составляющими менее 2 дБ.

При формировании квадратурного сигнала при помощи дискретного преобразования Фурье, разница в уровне подавления между I и Q

составляющими достигает ~ 0 дБ.

10. В ходе исследований сделан вывод о том, что выбранный метод подавления помех обеспечивает выполнение требований по помехоустойчивости навигационной аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем. При этом компенсируются неидентичности антенно-фидерных трактов, что позволяет говорить о его высокой эффективности.

Основные публикации по теме диссертации

В изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования материалов диссертаций:

1. Соколов И.М. Повышение эффективности антенного подавителя помех путем разбиения полосы пропускания на подполосы. Научный вестник МГТУ ГА. М.: МГТУ ГА. - № 210. - 2014. - С. 97-98.

2. Соколов И.М. Использование адаптивных рекурсивных фильтров в антенном подавителе помех глобальных навигационных спутниковых систем. Научный вестник МГТУ ГА. М.: МГТУ ГА. - № 210. - 2014. - С. 94-95.

В прочих изданиях:

1. Соколов И.М. Унифицированный электронный модуль подавителя внутриполосных помех. Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества. Сборник тезисов докладов участников Международной научно-технической конференции, посвященной 40-летию образования МГТУ ГА. М.: МГТУ ГА. - 2011. - С. 154.

2. Соколов И.М., Калмыков П.В., Дединец Е.Ф. Результаты исследования влияния характеристик приемного тракта на уровень подавления помехи спутникового сигнала. Научно-технические серии. Серия "Радиосвязь и радионавиация". М.: Радиотехника. - № 3 - 2013. - С. 109-111.

3. Соколов И.М., Калмыков П.В., Дединец Е.Ф. Результаты испытаний антенного подавителя ГНСС. Новости навигации. М.: ОАО "НТЦ современных навигационных технологий "Интернавигация". - 2014. - №1. - С.25-27.

4. Соколов И.М., Калмыков П.В., Дединец Е.Ф. Результаты испытаний антенного подавителя помех ГНСС // VII Международный форум по спутниковой навигации: материалы форума, 24-25 апр. 2013 г. / URL: http://2013glonass.ni/pre,sentation/sokolov (дата обращения: 12.12.2014).

5. Sokolov I.M., Kalmykov P.V. Methods of improving efficiency of interference suppression GNSS anti-jam receivers // Ninth Meeting of the International Committee on Global Navigation Satellite Systems (ICG). Working Group B: Enhancement of Performance of Global Navigation Satellite Systems Services / Prague, Czech Republic, 10 - 14 November 2014. URL: http://www.unoosa.org/pdf/icg/2014/wg/wgbl5.pdf (дата обращения: 12.12.2014).

Соискатель ¿il

Соколов И.М.

Печать офсетная 1,38 усл.печ. л.

Подписано в печать 19.02.15 г.

Формат 60x84/16 _Заказ № 1961/

1,0 уч.-изд. л. Тираж 100 экз.

Московский государственный технический университет ГА 125993 Москва, Кронштадтский бульвар, д. 20 Редакционно-издательский отдел

125493 Москва, ул. Пулковская, д.ба

© Московский государственный технический университет ГА, 2015