автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.17, диссертация на тему:Методика и средства повышения помехоустойчивости приёмовычислителей спутниковых навигационных систем

На правах рукописи

ОГНЕВ ВЛАДИМИР АНАТОЛЬЕВИЧ

МЕТОДИКА И СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ПРИЁМОВЫЧИСЛИТЕЛЕЙ СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Специальность 05.13.17 - Теоретические основы информатики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

9 ИЮН 2011

МОСКВА-2011

4849236

Диссертационная работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана» на кафедре «Компьютерные системы и сети».

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Иванов Сергей Ростиславович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Макаров Валерий Фёдорович

кандидат технических наук, Пудловский Владимир Борисович

Ведущая организация:

ФГУП «Главкосмос.»

Защита состоится 23 июня 2011 г. в 16 час. 30 мин. В зале Учёного совета на заседании диссертационного совета Д 212.141.10 Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, 2-я Бауманская ул., д.5.

Ваши отзывы в двух экземпляра, заверенные печатью, просьба высылать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана.

Автореферат разослан 23 мая 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

С.Р. Иванов

Общая характеристика работы

Актуальность работы

В настоящее время широкое распространение получила технология определения текущего времени и координат объектов по сигналам спутниковых навигационных систем (СНС). На сегодня существуют американская система GPS и российская -ГЛОНАСС, Европейский Союз планирует создать к 2015 году новую навигационную систему GALILEO.

В различных отраслях промышленности происходит активное внедрение аппаратуры, предназначенной для выполнения навигационных определений по сигналам этих систем - приёмовычислителей (ПВ). Например, приёмовычислители уже стали частью систем управления и диспетчеризации транспортных средств, а также используются для синхронизации телекоммуникационных сетей.

Между навигационными спутниками и приёмовычислителями имеются информационные коммуникации. В процессе работы приёмовычислители выделяют цифровую информацию (навигационные сообщения), передаваемую со спутников. Эти каналы связи характеризуются малым энергетическим поетнциалом. Так, в отчёте Специальной Комиссии Конгресса США (Defense Science Board Task Force on The Future of the Global Positioning System, October, 2005) приводятся данные о том, что наличие постановщика помех с эффективной излучаемой мощностью 10 Ватт, генерирующего в полосе полезного сигнала шумовую помеху, приводит к нарушению работы существующих ПВ (оснащённых ненаправленными приёмными антеннами с коэфициен-тами усиления 1.5-2 дБ) в радиусе до 50 километров.

Одним из направлений развития спутниковых навигационных систем является использование новых навигационных сигналов. Сейчас практически все приёмовычислители гражданского назначения используют при работе сигнал GPS L1 С/А и некоторые из них обрабатывают сигнал ГЛОНАСС L1 СТ. Эти сигналы были разработаны в 70х-80х годах 20-го века.

В 2012-2015 годах ожидается введение в эксплуатацию новых частично унифицированных гражданских сигналов GPS L1C и GALILEO El, имеющих увеличенную (по сравнению с существующими сигналами) базу. Ожидается, что использование этих сигналов позволит снизить среднеквадратическую ошибку определения координат с 7-10 до 3-4 м. Поскольку основные лепестки автокорреляционных функций новых сигналов имеют меньшую ширину, то это должно способствовать улучшению точности навигационных определений ПВ при работе в условиях наличия переотражённых сигналов.

Новые сигналы характеризуются повышенной скоростью передачи информации. Вместе с тем, известно, что при заданном способе передачи информации при фиксированном отношении "сигнал/шум" увеличение скорости передачи данных приводит к росту вероятности неправильного приёма информации, то есть к снижению помехоустойчивости, поэтому проблема надёжного выделения информации из новых сигналов является актуальной.

Вопросы построения приёмовычислителей, способных обрабатывать сигналы L1C и Е1, недостаточно исследованы, в силу того, что структура новых сигналов систем GALILEO и GPS была опубликована только в 2008 году.

Целью работы является разработка средств, обеспечивающих выделение приёмовычислителем цифровой информации из новых сигналов систем GALILEO и

GPS при низких отношениях "сигнал/шум", что обеспечит надёжность информационных коммуникаций между навигационными спутниками и приёмовычислителями.

Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи:

1) проведён анализ структуры существующих ПВ и выявлены факторы, влияющих на их помехоустойчивость;

2) проведён анализ методов повышения помехозащищённости приёмовычисли-телей СНС;

3) проанализированы свойства перспективных сигналов СНС;

4) построена математическая модель ПВ, использующего перспективные сигналы СНС;

5) разработана имитационная модель синтезированного ПВ для оценки его характеристик;

6) разработан макет ПВ для экспериментальной проверки правильности синтезированных алгоритмов обработки сигналов СНС.

Методы исследований. При решении перечисленных задач были использованы прикладные методы теории вероятностей и теории случайных процессов, методы теории оптимальной фильтрации, а также методы математического моделирования и теории надёжности.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что в ней для приёмовычислителей, ориентированных на обработку новых (GPS L1C и GALILEO El) сигналов СНС:

- предложено унифицированное математическое описание новых и существующих сигналов;

- синтезированы оптимальные (по критерию минимизации среднеквадратиче-ской ошибки) алгоритмы оценки информативных параметров, использующие как информационную, так и пилот-компоненту сигналов;

- предложены алгоритмы выделения данных для некогерентного режима работы ПВ;

- на базе разработанных алгоритмов создана математическая модель ПВ, с использованием которой получены оценки помехоустойчивости синтезированного приёмовычислителя.

На защиту выносятся:

1. Унифицированное математическое описание новых и существующих сигналов.

2. Математическая модель приёмовычислителя СНС.

3. Алгоритмы оценки информативных параметров сигналов.

4. Алгоритм выделения навигационных сообщений для некогерентного режима работы ПВ.

5. Результаты исследования помехоустойчивости следящих схем ПВ и различных алгоритмов выделения навигационных сообщений.

Практическая значимость работы состоит в том, что получены рекомендации по построению перспективного приёмовычислителя, позволяющие обеспечить выделение информации из перспективных сигналов, и создан программный комплекс, позволяющий проводить моделирование работы приёмовычислителей с целью оптимизации их параметров. Практическая ценность работы заключается в том, что создан инструментарий (в виде методики и средств) для проектирования приёмовычислителей. С использованием разработанной имитационной модели можно прогнозировать

характеристики приёмовычислителей до их непосредственной реализации в виде макетов.

Внедрение результатов. Основные результаты работы внедрены в Московском конструкторском бюро "Компас", что подтверждено соответствующим актом.

Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на конференциях "Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества", МГТУ ГА, 18-19 мая 2006 г., «Студенческая наука», МГТУ им. Н.Э. Баумана, ноябрь 2009, «Студенческая научная весна», МГТУ им. Н.Э. Баумана, апрель 2009, «Тенденции и гармонизация развития радионавигационного обеспечения», МАДИ, 26 ноября 2008 г.

Публикация результатов. Основные результаты опубликованы в 5 статьях (из них 3 - в изданиях из перечня ВАК) и 7 тезисах докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Основная часть диссертации содержит 164 страниц текста, 68 рисунков, 16 таблиц и библиографию из 61 наименований. Общий объем работы 166 страниц.

Содержание работы

В первой главе проведён обзор литературы, проанализирована структура типового приёмовычислителя и выявлены факторы, влияющие на его помехоустойчивость. Разработано унифицированное математическое описание существующих (ГЛОНАСС LI СТ и GPS L1 С/А) и новых (GALILEO El и GPS L1C) сигналов, получены оценки помехоустойчивости ПВ, обрабатывающих новые сигналы СНС GALILEO и GPS.

Помехоустойчивость ПВ с классической архитектурой (рис. 1) определяется параметрами (базой) обрабатываемых сигналов СНС, ожидаемой динамикой потребителя, алгоритмом работы следящих схем приёмовычислителя, осуществляющих измерение радионавигационных параметров (псевдозадержка т, псевдочастота f, псевдофаза ф несущего колебания) сигналов НКА.

Рис. 1. Структурная схема приёмовычислителя с двухэтапной обработкой

сигналов НКА

Выделяют когерентный и некогерентный режимы работы ПВ. Векшр информативных параметров сигнала в некогерентном режиме Я = {г,/}, а в когерентном

Я = . Соответственно, в некогерентном режиме работы ПВ функционируют схе-

мы слежения за частотой (ССЧ) и задержкой (ССЗ), а в когерентном - схемы слежения за фазой (ССФ) и задержкой (ССЗ) принимаемого сигнала НКА.

Наименьшей помехоустойчивостью обладает схема слежения за фазой (ССФ). Поскольку приводимые в литературе алгоритмы выделения битовой информации функционируют только при работе ССФ, то при воздействии помех (снижении отношения "сигнал/шум") в первую очередь нарушаются информационные коммуникации между НКА и ПВ. ССЧ более помехоустойчива, однако алгоритмы выделения навигационных сообщений в некогерентном режиме в литературе не приводятся .

Проведённый анализ литературы показал, что использование средств помехо-защиты приводит к усложнению ПВ и росту их массогабаритных показателей. Вместе с тем, помехоустойчивость ПВ может быть повышена за счёт обработки новых сигналов (GALILEO El, GPS L1C) CHC, обладающих повышенной мощностью, расширенной полосой спектра и улучшенной структурой. Прирост помехоустойчивости такого ПВ будет обусловлен принципом его действия и обеспечивается без использования внешних средств помехозащиты.

Структура "эталонного" приёмовычислителя для обработки сигналов L1C/E1 не определена в каких-либо руководящих документах.

В работах Ж.Авила-Родригеса, Дж.Бетса определены потенциальные характеристики оптимальных приёмовычислителей, использующих сигналы E1/L1C. Однако эти работы не содержат обоснования собственно структуры оптимального ПВ. Полученные результаты базируются на рассмотрении исключительно свойств новых сигналов.

В работах О. Джулиана исследованы вопросы построения оптимального ПВ, использующего сигнал Е1 системы GALILEO. В том числе, предложена структура такого ПВ. Однако синтез структуры ПВ выполнен с математической точки зрения не достаточно строго. В частности, дискриминаторы следящих систем приёмовычислителя выбраны по результатам имитационного моделирования - методом перебора известных формул, выведенных ранее для ПВ, работающих по существующим сигналам системы GPS. Вместе с тем, данная задача может быть строго решена методами теории оптимального оценивания с полным учётом структуры новых сигналов.

В работе К. Макабиа приводится структура оптимизированного (по требуемым для его реализации аппаратным ресурсам) приёмовычислителя, пригодного как для обработки сигнала El GALILEO, так и L1C GPS. Однако в ней отсутствует теоретическое обоснование такой структуры.

В публикациях российских авторов проблема построения оптимального приёмовычислителя для обработки перспективных сигналов El GALILEO и L1C GPS пока не затрагивалась. В работах М.С. Ярлыкова проанализированы лишь корреляционные и спектральные свойства новых сигналов. А.И.Перовым предложена общая методика синтеза следящих схем ПВ. После получения математической модели новых сигналов систем GALILEO и GPS эта методика применена в данной работе для построения оптимального приёмовычислителя.

Структура сигналов GPS L1C и GALILEO El определена в интерфейсных контрольных документах (ИКД). Однако эти описания не унифицированы. В частности, в ИКД для сигнала L1C содержится только словесное описание его структуры.

Для снижения трудоёмкости синтеза приёмовычислителя, обрабатывающего как существующие, так и новые сигналы, разработано единообразное математическое описание сигналов ГЛОНАСС LI CT/GPS LI C/A/GPS L1C/GALILEO Е1 следующего вида

(в табл. 1 представлены численные значения параметров, рассчитанные по данным из ИКД):

5(/) = J2TP (/ ■- г) + Sn(t - г)] х cos(2пfy+(4(0) = +J27P-[c, -GM(t-T)-G, (i-T)-f, {t-T)]xcos(2xfj+№),

где P - мощность полного сигнала;

SM(t) - функция, описывающая огибающую информационной компоненты сигнала;

Sn(t) - функция, описывающая огибающую пилот-компоненты сигнала;

си,сп - параметры, учитывающие соотношение амплитуд информационного и пилот-

сигнала;

Таблица 1. Параметры существующих и перспективных сигналов СНС

Существующие сигналы Перспективные сигналы

Параметр ГЛОНАСС LI СТ GPS L1 С/А GALILEO El GPS L1C

ЛдБВт -161 -158.5 -157 -157

с>, 1 1 £ 2 1 2

сп 0 0 Ж 2 Гг 2

ПСП, ПСП, ПСП, ПСП,

Ти =1мс, Ти =1 мс, Г„ =4 мс, 7), =10 мс,

LH =511 бит L„ =1023 бит L„ =4092 бит L„ =10230 бит

ПСП, ПСП, '

G„(l-r) 0 0 Т„ =4 мс, L„=4092 бит Гл=10 мс, £„=10230 бит

D(t-r) Тнс = 20 мс Тнс = 20 мс Тнс = 4 мс Тнс - 10 мс

GBT(t-T) 0 0 ПСП, Гет =4 мс, LBT = 25 бит ПСП, Гет= 10 мс, 1800 бит

М-т) 1 М(1-т) аМ,(/-г) + уЗМ6(/-г) М,(1-т)

/„С-г) 0 0 GOT(/-r)-M,(r-r) + +{l-GC7P(/-r))A/6(/-r)

Ъ+к-Ы.

/о, МГц Ло = 1600.0; Д/ = 0.5625; * = -7...6. 1575.42 1575.42 1575.42

G„((-r), Gn(t-z) - известные псевдослучайные последовательности (ПСП), расширяющие соответственно спектр информационного и пилот-сигнала (имеют периоды повторения Г„, Тп и длины Lu , £„, принимают значения ±1) ; D(t- т) - навигационное сообщение (биты навигационного сообщения имеют длительность Т11С и с равной вероятностью принимают значения 0 и 1);

GcrrV-т)--

- функция стробирования (Nb - номер текущего эле-

/и(<-г), /„(' - т) - множители, расщепляющие спектр соответственно информационного и пилот-сигнала;

GBT(t-r) - известная ПСП вторичного кода с периодом повторения Твт и длиной LBT бит, /0 - несущая частота сигнала;

Mx(t) = sign[sin(2-я■ X■ /см■/)] -меандровые колебания (fCL< = 1,023 МГц); M(t- т) - меандр с частотой 100 Гц;

а = ; р = постоянные коэффициенты;

0, если NbiSP,

1, если Nb е SP.

мента ПСП в группе из 33 элементов; SP = {1;5;7;30}).

Полученное математическое описание использовано при синтезе структуры приёмовычислителя, обрабатывающего как новые (GPS L1C и GALILEO El), так и существующие (ГЛОНАСС LI СТ и GPS L1 С/А) сигналы СНС.

Во второй главе проведено теоретического обоснование структуры приёмовы-числителя, обрабатывающего сигналы GPS L1C/GALILEO Е1/ГЛОНАСС LI CT/GPS L1 С/А, для когерентного и некогерентного режимов работы. В частности, методами теории оптимальной фильтрации проведён синтез элементов следящих систем (дискриминаторов и сглаживающих фильтров) для оценки информативных параметров новых сигналов. Помимо этого, предложены алгоритмы выделения битов навигационного сообщения из сигналов E1/L1C.

Принцип навигационных определений требует производить в приёмовычисли-телях оценку вектора параметров А, сигнала /'-го НКА. Данная задача решается следящими схемами (рис. 2).

Поскольку вероятность неправильного приёма бита приёмовычислителем уменьшается вместе с уменьшением погрешности оценок компонент вектора Xt, то синтез элементов следящих схем проведён по критерию минимизации среднеквадратичной ошибки оценивания вектора^.

Рис. 2. Структура следящей схемы ПВ (на примере ССФ) Для синтеза дискриминаторов выполнена запись функции правдоподобия f(y"|я) выборки Y," (где М- количество отсчётов в выборке) обрабатываемого сигнала и усреднение этой функции по неинформативным параметрам (т.е. параметрам, не входящим в вектор Л(). После этого описание сигнала u4(3t) на выходе дискриминатора, оптимального для случая работы ПВ при воздействии аддитивных гаус-

совых шумов, получено с использованием известных из теории оптимального оценивания соотношений. В результате получены выражения, описывающие сигналы на выходах дискриминаторов ССФ, ССЧ и ССЗ.

Например, получено, что сигнал на выходе оптимального дискриминатора ССФ имеет следующий вид:

",=&>./ t-1 -Qpt*-\ (2)

где lpjjl_, = j y(t)-Ss(t-h-,) ■ cos(2;r/0f + ф„_,)dt,

n

Qpj jt-, = J XO ■ S, (r- n-i) ■ sin(2^/0/ + фкл )dt,

т,

Qp£*-\ ~ | + - корреляционные интегралы, вычислен-

Tt

ные на £ -ом шаге расчёта;

>•(/) - реализация входного сигнала

Поскольку непосредственная реализация выражения (2) в аппаратуре ПВ потребовала бы больших вычислительных затрат для определения значения th(x), произведена кусочно-линейная аппроксимация функции гиперболического тангенса, что позволило получить выражения, описывающие сигналы на выходах субоптимальных дискриминаторов для случаев работы ПВ при малых и больших соотношениях "сигнал/шум" q.

При малом соотношении "сигнал/шум":

ur = Qpj jt-i ~ Qpj- х Кл ' (3)

а при высоком соотношении "сигнал/шум":

% = Qpj jm ~ Qpi л-i х s>g" {'рл )> (4)

Г 1, ide X > 0; где sign(jr) = | 0, ide X = 0; - функция "знак числа X". [-1, ide Х<0.

Субоптимальные дискриминаторы (3), (4) пригодны для реализации в ПВ (например, на программируемых логических интегральных схемах - ПЛИС) с использованием только сумматоров и умножителей.

Аналогично получены выражения, описывающие работу дискриминаторов всех следящих схем ПВ для некогерентного и когерентного режима работы. Анализ полученных выражений показывает, что все синтезированные дискриминаторы имеют ветви, работающие только по информационной компоненте новых сигналов, и ветви, работающие только по пилот-компоненте.

В работе показано, что поскольку информационный и пилот-сигнал ортогональны, то взаимная ковариация выходных сигналов ветвей дискриминатора близка к нулю, что позволяет рассматривать значения этих сигналов как результаты двух независимых оценок одного и того же информативного параметра сигнала

Предложенный алгоритм комплексирования информации от различных ветвей дискриминатора (на примере ССФ) показан на рис. 3.

В соответствие с теорией оптимальной линейной фильтрации, в качестве сглаживающего фильтра в схеме рис. 3, предложено использовать фильтр Калмана, что обеспечивает в условиях воздействия гауссовой помехи минимизацию дисперсии

оценки информативного параметра и ведёт к повышению помехоустойчивости следящей схемы.

Рис. 3. Алгоритм комплексирования следящих схем за фазами информационной и пилот-компоненты сигнала

Для синтеза фильтра Калмана априорные модели изменения информативных параметров заданы как компоненты марковских процессов третьего (для ССФ) и второго (для ССЧ и ССЗ) порядка

В результате синтеза фильтра Калмана для ССФ получены приведённые ниже результаты.

Значение фазы <рк сигнала на к -ом шаге расчёта представлено как: = где

1 Т О

О 1 7", G = |0 0 ljr, 4 - формирующий белый гауссов шум с дисперсией D,; О 0 1

F =

хк -\рк °>к vk\ - вектор состояния системы.

Компонентами вектора хк являются фаза <рк, круговая частота а>к и производная vk круговой частоты, причём

<рк=С-хк,Т№ С = |1 0 0|. Тогда первый этап (этап "прогноза") работы синтезированного фильтра:

*» = 0„д = F^D^F^+G^DfiU,

а второй этап (этап "сглаживания"):

£>;;=&;, +я; АХ, Kk = DxiHrkD-n\ 'хк = ~хк + кк(ук-нкхк).

Здесь Хк - оценка фильтруемого процесса; xt - экстраполированная оценка процесса;

Кк - матричный коэффициент усиления (который и описывает коэффициенты искомого сглаживающего фильтра);

Dxt - матрица дисперсий ошибок фильтрации;

- дисперсия ошибок экстраполяции; У к = Is£ л ei вектор сигналов с различных ветвей дискриминатора.

При этом предполагается, что дискриминатор работает на линейном участке передаточной характеристики, т.е. yt = Hkxt.

Установлено, что, например, для фазового дискриминатора используемого для случая малого соотношения "сигнал/шум":

Я =

2 0 0 1 0 0

D =

§„ о 0 В„

где §и, Вя - дисперсии эквивалентных шумов на выходах разных ветвей дискриминатора

Аналогичные выражения получены и для сглаживающих фильтров ССЧ и ССЗ.

Таблица 2. Алгоритмы битовой идентификации

Алгоритм (для каких сигналов используется)

Этап 1

Этап 2

Алгоритм 1 (GPS С/А, ГЛОНАСС СТ, GPSL1C, GALILEO El)

Для сигналов GPS С/А:

'BPjn = I W);

для сигналов ГЛОНАСС СТ:

= X wo- X wo,

с/,

для сигналов GPS L1 С, GALILEO El: нет

Owe* =

Алгоритм 2 (GPS C/A, ГЛОНАСС СТ, GPS L1C, GALILEO El)

Для сигналов GPS С/А, GPS L1C, GALILEO El:

!ВРЛЛ = X W), QBpji j, = X a^W;

для сигналов ГЛОНАСС СТ: IBFJI, = £ /pj,(r)- X W);

1^+0.5Гнс

1=^+0 ЬТнс >а,к+Тис

оВгл* = X &>,,(')- 2 &>,/'),

fit l-l,*0.iT„c

для сигналов GPS LI С, GALILEO El: нет

Gi<c,t = sign(IBrjij, ■ IB,,

+QBp»jc QBpjtt-i)

Алгоритм 3 (GPS L1C, GALILEO El)

нет

G„c.k=sign(IPM -Ipn + +Qpji -Qrm)

Примечание: в таблице JBPJIJ[, QBPJlt - результаты когерентного интегрирования значений на выходах IPJ,, QPM коррелятора, выполненного в течение длительности Тис к -го бита; tk - момент начала к -го бита навигационного сообщения.

Синтезированные следящие схемы обеспечивают оценивание информативных параметров сигналов E1/L1C с использованием их полной энергии, что обеспечивает снижение ошибок оценивания информативных параметров и способствует повышению надёжности выделения навигационных сообщений.

В работе проанализированы различные алгоритмы (табл. 2) битовой идентификации, которые могут использоваться в ПВ для определения значения к -го бита GHCJl навигационного сообщения.

Алгоритм 1 используется в большинстве существующих ПВ при обработке сигналов GPS L1 С/А, ГЛОНАСС L1 СТ. Данный алгоритм работоспособен в когерентном режиме, а при работе по сигналам GPS L1C, GALILEO El использует только их информационную компоненту.

Алгоритм 2 позволяет производить выделение битовой информации в некогерентном режиме работы ПВ с использованием только информационной компоненты новых сигналов.

Надёжность выделения данных при использовании алгоритмов 1, 2 ухудшается с ростом величины среднеквадратической ошибки оценки соответственно фазы ф и частоты / сигнала, то есть зависит от качества работы следящих схем ПВ.

Предложенный в работе алгоритм 3 использует как информационную, так и пилот-компоненту сигналов GPS L1C/GALILEO Е1. Это позволяет добиться того, что надёжность идентификации битов навигационного сообщения напрямую не зависит от качества работы ССФ/ССЧ, что позволяет использовать этот алгоритм, как в когерентном, так и в некогерентном режиме работы ПВ.

Набор математических описаний структурных элементов ПВ (дискриминаторов, сглаживающих фильтров, алгоритмов выделения НС) образует математическую модель ПВ. Таким образом, основным результатом, полученным в главе 2, является математическая модель перспективного ПВ, способного обрабатывать как существующие (ГЛОНАСС LI СТ и GPS L1 С/А), так и новые (GALILEO El и GPS L1 С) сигналы спутниковых навигационных систем.

Из синтезированной математической модели ПВ в качестве частного случая может быть получена математическая модель существующего приёмовычислителя (обрабатывающего сигналы GPS L1 С/А, ГЛОНАСС LI СТ), что подтверждает правильность проделанных расчётов.

В связи с тем, что работа следящих схем синтезированного приёмовычислителя описывается реккурентными соотношениями, аналитическая оценка характеристик ПВ затруднена. Поэтому такая оценка проведена методом имитационного моделирования, что потребовало разработки соответствующего программно-моделирующего комплекса.

В третьей главе описана построенная имитационная модель приёмовычислителя, разработана методика вычислительного эксперимента, представлены полученные результаты и оценка их достоверности.

Созданная в среде научно-технических расчётов MATLAB имитационная модель ПВ (рис. 4, 5) позволяет:

- проверять работоспособность и устойчивость следящих схем ПВ,

- статистически оценивать помехоустойчивость следящих схем приёмовычислителя как при использовании оптимальных, так и субъоптимальных (линеаризованных) дискриминаторов;

- статистически оценивать вероятность неправильного приёма отдельных битов (соотвествующий параметр в зарубежной литературе обозначается, как BER- Bit Error Rate) навигационного сообщения при использовании различных алгоритмов битовой идентификации.

Рис. 4. Структура имитационной модели ПВ

Рис. 5. Структура блока "Модель приёмовычислителя"

Из-за формирования входного сигнала S(<Pt0{tl),a>td(tl),Ttd(il),Did(tl)) во временной области и необходимости вычисления в блоке "Модель приёмовычислителя" корреляционных интегралов имитационной модель обладает высокой вычислительной сложностью.

Снижение вычислительной сложности модели достигнуто путём замены дискриминаторов следящих схем на статистически эквивалентные. Для этого процесс ид(1) на выходе дискриминатора, выделяющего информацию о рассогласовании

<5Я = Я-Я между параметром Я и его оценкой Я входного сигнала y(t)-S(X,t) + n(t) следящей системы, представлен в виде суммы регулярной иД1 и флуктуационной 4(г) составляющих:

ид(1) = и{ЗЛ) + пт, где 7]В1 - белый гауссов шум с дисперсией D(i.

При нормальном функционировании ошибка слежения SX мала и не выходит за пределы линейного участка передаточной характеристики, при этом: dU[SX\

--1—i крутизна передаточной характеристики дис-

(/(«) = 5Л-<Й, где Sj,=-

аоЛ

криминатора.

В работе параметры S( и Д определены для всех типов синтезированных дискриминаторов, что позволило построить упрощённую имитационную модель ПВ, пригодную для анализа надёжности выделения информации при воздействии широкополосных гауссовых помех. За счёт отказа от вычисления корреляционных интегралов и перехода к фильтрам с фиксированной полосой пропускания время моделирования, необходимое для определения BER уменьшено в 6-8 раз.

В результате имитационного моделирования с доверительной вероятностью 90% определены критические (т.е. минимальные, при которых вероятность срыва слежения не превышает 5%) соотношения "сигнал/шум" для всех следящих схем ПВ. Здесь и далее под соотношением "сигнал/шум" будем иметь ввиду отношение мощности сигнала к спектральной плотности шума

Полученные при моделировании критические соотношения "сигнал/шум" для схем слежения за фазой существующих сигналов (ГЛОНАСС LI СТ и GPS С/А) составляют 32 дБВт/Гц. Эти значения совпадают с данными из литературы, что (как частный случай) подтверждает адекватность разработанной имитационной модели.

Комплексная схема оценки фазы сигнала GALILEO El обеспечивает критическое отношения "сигнал/шум" (28 дБВт/Гц) на 2 дБ меньшее по сравнению со случаем слежения только за фазой информационной компоненты этого сигнала (qKr=30 дБВт/Гц). Аналогичные результаты получены при работе по сигналу L1C. Это подтверждает целесообразность комплексирования следящих схем приёмовычислителя.

Можно отметить, что в когерентном режиме для существующих сигналов помехоустойчивость ССЗ существенно (на 7..8 дБ) больше по сравнению с помехоустойчивостью ССФ, в то время как при работе ПВ по сигналас E1/L1C преимущество в помехоустойчивости ССЗ составляет всего 4 дБ, что обуславлено меньшей шириной автокорреляционных функций новых сигналов.

Комплексирование следящих схем позволяет ПВ более точно производить оценку информативных параметров сигнала при низких соотношениях "сигнал/шум", что способствует повышению надёжности выделения навигационных сообщений.

Для оценки надёжности выделения НС в ходе имитационного моделирования произведена оценка верхней границы значения BER (с относительной погрешностью не более 15 % при доверительной вероятности 90%) при использовании разных алгоритмов битовой идентификации.

Установлено, что в когерентном режиме работы приёмовычислителя минимизацию вероятности неправильного приёма бита обеспечивает алгоритм 1.

Вероятность выделения битовой информации из сигналов E1/L1C при использовании алгоритма 1 ниже, чем вероятность успешного выделения битов из сигналов GPS L1 С/А и ГЛОНАСС LI СТ на 2-3 дБ. Это объясняется тем, что на передачу информации расходуется лишь часть энергия новых сигналов (50% для Е1, 25% для L1C).

За счёт комплексирования следящих схем пороговое отношение "сигнал/шум" по уровню BER=0.1% при обработке сигнала Е1 снижается примерно на 2 дБ. Здесь следует отметить, что фундаментально надёжность выделения данных определяется энергией, приходящейся на бит данных. При комплексировании информационной и пилот-компоненты энергия, приходящаяся на бит данных, не увеличивается. Несмотря на это, некоторое улучшение надежности выделения данных всё-таки происходит за счёт снижения ошибок оценивания информативных параметров, а следовательно и увеличения амплитуды полезного сигнала на выходе битового детектора, т.е. за счёт устранения неидеальности приёмника.

Несмотря на принятые меры, в целом критическое соотношение "сигнал/шум" по уровню BER=0.1% при работе по сигналам E1/L1C выше, чем при использовании существующих сигналов на 2-3 дБ, что обусловлено меньшим значением энергии на бит данных, характерным для сигналов Е1/L1С по сравнению с существующими.

В некогерентном режиме информационные и пилот-компоненты сигналов E1/L1C обрабатываются по одинаковым алгоритмам, поэтому соответствующих автономные следящие схемы обладают одинаковой помехоустойчивостью.

Критические соотношения "сигнал/шум" для схем слежения за частотой существующих сигналов (ГЛОНАСС LI СТ и GPS L1 С/А) составляют 27 дБВт/Гц. Меньшие на 1 дБ величины критических соотношений "сигнал/шум" получены для автономных ССЧ при работе по информационным и пилот-компонентам сигналов GALILEO El/GPS L1C.

Имитационное моделирование показывает, что помехоустойчивость ССЗ в когерентном и некогерентном режиме примерно одинакова, а помехоустойчивость ССЧ примерно на 4-5 дБ выше, чем у ССФ, что обусловлено, большей апертурой частотных дискриминаторов. Установлено, что в некогерентном режиме минимизацию вероятности неправильного приёма бита обеспечивают алгоритмы битовой идентификации 2 и 3.

В целом результаты компьютерного моделирования подтверждают работоспособность синтезированного приёмовычислителя как при работе по существующим, так и по новым (GALILEO EI/GPS L1 С) сигналам СНС.

Полученные результаты позволили перейти к следующему этапу верификации приёмовычислителя - реализации его в виде макета и проверке его работы по реальным сигналам СНС.

В четвёртой главе обоснована структура экспериментальной установки (прототипа перспективного приёмовычислителя), с помощью которой достигнуты следующие результаты:

- подтверждена работоспособность синтезированных алгоритмов обработки сигналов по сигналу GALILEO El;

- проверена адекватность разработанной имитационной модели;

- создана программно-аппаратная платформа для отработки алгоритмов обработки новых сигналов СНС;

- оценена аппаратная сложность приёмовычислителя и выработаны рекомендации по его реализации при внедрении в производство.

Попутно решена задача получения грубых оценок информативных параметров (частоты и задержки), необходимых для инициализации следящих схем ПВ в начальный момент времени. Для этого в структуру макета ПВ введён специализированный блок - устройство поиска сигналов, осуществляющее обнаружение заданного сигнала

в пространстве "время-частота". При этом координаты главного пика сигнала на выходе этого устройства определяют искомую оценку информативных параметров.

Макет работает в двух режимах:

1) режим "захвата" данных с выходов АЦП - в этом режиме данные с выходов АЦП сохраняются в буфере памяти макета (объёма установленной памяти достаточно для хранения непрерывной реализации сигнала длительностью до 1,28 с);

2) основной режим - режим обработки сигналов СНС.

Наличие режима "захвата" данных позволяет отлаживать алгоритмы обработки сигналов СНС с использованием разработанного макета в два этапа

На первом этапе проверяемый алгоритм реализуется в среде Matlab и встраивается в имитационную модель, описанную в главе 3. На этом этапе для получения исходных данных реализация сигнала с выхода АЦП сохраняется в буферной памяти макета, а затем считывается оттуда через интерфейс PCI и записывается в файл, который подаётся на вход имитационной модели. Это даёт возможность отлаживать новые алгоритмы в составе имитационной модели, но оперировать при этом с реальными сигналами навигационных спутников.

На втором этапе проверяемый алгоритм реализуется на ресурсах ПЛИС макета или в составе драйвера, что позволяет этому алгоритму исполняться в режиме реального времени (соответственно, ограничения на длину обрабатываемой реализации сигнала снимаются).

При создании макета приёмовычислителя получена оценка аппаратной сложности его реализации. Установлено, что возможностей существующей элементной базы вполне достаточно для реализации синтезированного ПВ.

Правильность работы следящих схем синтезированного ПВ подтверждаются следующими результатами эксперимента по обработке сигнала спутника GIOVE-A.

Поскольку экспериментальные НКА GIOVE-A и GIOVE-B системы GALILEO передают нестандартные навигационные сообщения, то произвести проверку правильности выделения НС (путём проверки соответствия контрольных сумм передаваемых НКА и рассчитанных в ПВ) не представляется возможным.

По этой причине произвести оценку вероятности ошибочного приёма бита BER и сопоставить работу разных алгоритмов выделения данных при различных соотношениях "сигнал/шум" не представляется возможным.

Обобщая проведённые эксперименты, можно заключить:

1. Разработана аппаратная платформа, позволяющая производить запись реальных сигналов СНС диапазонов 1570 ... 1616 МГц. Разработано программное обеспечение, позволяющее в постобработке производить поиск, слежение за сигналами ГЛОНАСС LI CT/GPS L1 С/A/GALILEO El/GPS L1C и выделение НС. Таким образом, создан инструментарий (программно-аппаратная платформа) для исследования работы синтезированных алгоритмов по эфирным сигналам СНС.

2. Решена задача поиска новых сигналов (т.е. задача получения грубых оценок их информативных параметров для инициализации следящих схем). Выявлено, что дискретность поиска по частоте для сигналов GALILEO El /GPS L1C должна составлять соответственно 125 Гц/50 Гц, что приводит к увеличению количества анализируемых значений частоты и увеличению длительности (в 4... 10 раз) процедуры поиска по сравнению со случаем обработки существующих сигналов.

3. Предложена структура специализированного устройства поиска новых сигналов, реализующего ускоренное вычисление свёрток путём использования преобразований Фурье. За счёт этого обеспечивается малое (порядка 100 мс на 1 сигнал)

время "холодного" (т.е. при условии отсутствия какой-либо априорной информации) поиска сигналов типа GALILEO El /GPS L1 С.

4. С учётом текущего состояния спутниковых группировок систем GALILEO/GPS в эксперименте проведена обработка сигналов экспериментальных спутника GIOVE-A СНС GALILEO. В ходе эксперимента подтверждена работоспособность устройства поиска сигналов и проверена правильность работы алгоритмов оценки информативных параметров (задержки, частоты, фазы) сигнала.

5. Аппаратная обработка новых сигналов, имеющих пилот-компоненты, требует примерно в 1.5 раза больше ресурсов, чем обработка существующих сигналов. Однако, сегодня уже широко доступна элементная база, позволяющая реализовать синтезированный ПВ.

6. Полученные результаты подтверждают работоспособность предлагаемых алгоритмов обработки сигналов GALILEO El. В дальнейшем в разработанном макете ПВ возможна реализация обработки и сигналов GPS L1C. Проверка работы ПВ по этим сигналам может быть произведена при наличии соотвествующего имитатора сигналов, либо после запуска в эксплуатацию спутников GPS III.

Заключение

Диссертация содержит новое решение актуальной научной задачи - разработки средств повышения между приёмовычислителями и космическими аппаратами спутниковых навигационных систем.

Предложенный способ построения приёмовычислителей позволяет повысить помехоустойчивость схем оценки информативных параметров сигналов GALILEO El/GPS L1C, что обеспечивает возможность выделения навигационной информации при низких соотношениях "сигнал/помеха" и способствует повышению надёжности информационных коммуникаций между спутниками и приёмовычислителями.

В работе получены следующие результаты:

1. предложено унифицированное описание новых (GALILEO El и GPS L1C) и существующих (ГЛОНАСС LI СТ и GPS L1 С/А) сигналов СНС и с его использованием синтезированы оптимальные (по критерию минимизации среднеквад-ратической ошибки) схемы оценки информативных параметров (задержки, частоты, фазы) сигналов СНС;

2. разработана математическая модель перспективного ПВ, способного обрабатывать как существующие (ГЛОНАСС LI СТ и GPS L1 С/А), так и новые (GALILEO El и GPS L1C) сигналы СНС, пригодная для описания работы ПВ в когерентном и некогерентном режимах;

3. создана имитационная модель, позволяющая исследовать помехоустойчивость следящих схем ПВ и надёжность выделения НС;

4. получены оценки помехоустойчивости автономных и комплексирован-ных следящих схем синтезированного ПВ и надёжности выделения НС при использовании различных алгоритмов битовой идентификации;.

5. разработан инструментарий (программно-аппаратная платформа), позволяющий использовать реальные сигналы СНС при отладке алгоритмов работы ПВ, что обеспечивает высокую достоверность получаемых результатов;

6. создан научно-технический задел для создания в ходе ОКР опытных образцов ПВ, обрабатывающих новые сигналы (GALILEO El и GPS НС) СНС.

Основные труды по теме диссертации

1. Иванов С.Р., Огнев В.А. Методы повышения помехоустойчивости аппаратуры потребителей спутниковых навигационных систем // Информационные технологии. - 2009. - №4. - С. 55-61.

2. Иванов С.Р., Огнев В.А. Математическая модель приёмовычислителя систем ГЛОНАСС/GPS // Информационные технологии. - 2009 - №10,- С.24-28.

3. Иванов С.Р., Огнев В.А. Повышение помехоустойчивости информационных коммуникаций между навигационными спутниками и приёмовычислителями при использовании сигналов E10S и L1C // Информационные технологии. -2010,- №10,-С. 45-51.

4. Иванов С.Р., Огнев В.А. Методика упрощённой оценки влияния негауссовых помех на приёмовычислители спутниковых навигационных систем // Сб. аннотированных трудов кафедры Компьютерные системы и сети. - М: Эликс+, 2008. - С. 33-35.

5. Иванов С.Р., Огнев В.А. Синтез дискриминаторов для оценки информационных параметров сигналов системы GALILEO // Информатика и системы управления в XXI веке: Сборник трудов МГТУ. - 2009. - №1,- С. 385-389.

6. Иванов С.Р., Огнев В.А. Комплексирование следящих схем приёмовычислителей для повышения надёжности выделения навигационных сообщений // Студенческая наука: Сборник трудов МГТУ,- 2009.- №1.- С.201-203.

7. Иванов С.Р., Огнев В.А. Программно-аппаратная платформа для исследования алгоритмов обработки сигналов спутниковых навигационных систем GPS/ГЛОНАСС // Студенческая наука: Сборник трудов МГТУ. - 2007 - №1-С. 99-101.

8. Огнев В.А., Санников М. Г., Сурков Д. М. Применение спектральных методов для быстрого поиска сигналов СНС // Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества: Сб. трудов конференции МГТУ ГА. М.-2006.-С. 122-123.

Подписано в печать: 17.05.11

Объем: 1,5 усл.п.л. Тираж: 70 экз. Заказ № 79735 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, пр-т Вернадского,39 (495) 363-78-90; www.reglet.ru

Список использованных сокращений.

Введение.

1. Особенности обработки информации в СНС. Оценка помехозащищённости существующих ПВ.

1.1. Структура СНС. Принципы выполнения навигационных определений в ПВ. Проблема обеспечения помехоустойчивости ПВ.

1.2. Математическая модель существующих сигналов СНС. Анализ структуры ПВ с двухэтапной обработкой сигналов СНС.

1.3. Анализ факторов, влияющих на процесс получения навигационной информации в СНС.

1.3.1. Виды помех и их математические модели.

1.3.2. Влияние структуры используемых сигналов на помехоустойчивость ПВ.

1.3.3. Влияние динамики объекта на помехоустойчивость ПВ.

1.4. Оценка помехоустойчивости существующих ПВ.

1.5. Подходы к улучшению работы ПВ в условиях действия помех. 29 ^ ,1.6. Повышение помехоустойчивости ПВ за счёт обработки перспективных сигналов СНС.

1.6.1. Анализ свойств сигналов в модернизируемых и новых СНС

1.6.2. Проблема синтеза перспективного ПВ.

1.7. Выводы.

2. Синтез структуры ПВ, использующего при работе перспективные сигналы СНС.

2.1. Постановка задачи синтеза следящих схем ПВ.

2.2. Синтез дискриминаторов следящих систем для когерентного режима работы ПВ.

2.3. Синтез дискриминаторов следящих систем для некогерентного режима работы ПВ.

2.4. Анализ статистических свойств синтезированных дискриминаторов. Линеаризация моделей следящих схем ПВ.

2.5. Построение сглаживающих фильтров схем слежения за параметрами информационного и пилот-сигнала.

2.6. Алгоритм выделения навигационной информации в некогерентном режиме.

2.6.1. Основные этапы выделения навигационной информации из сигналов НКА.

2.6.2. Алгоритм битовой синхронизации.

2.6.3. Алгоритм идентификации битов для когерентного режима.

2.6.4. Алгоритм идентификации битов для некогерентного режима, использующий только информационную компоненту сигнала.

2.6.5. Алгоритм идентификации битов для некогерентного режима использующий информационный и пилот-сигнал.

2.7. Выводы.

3. Анализ характеристик перспективного ПВ методом

• компьютерного моделирования.

3.1. Задачи имитационного моделирования.

3.2. Разработка имитационной модели.

3.2.1. Общая структура модели.

3.2.2. Генерация полезного сигнала.

3.2.3. Генерация помех.

3.2.4. Блок "Модель приёмовычислителя".

3.3. Разработка упрощённой имитационной модели.

3.4. Методика проведения вычислительного эксперимента, результаты моделирования и оценка их достоверности.

1 3.4.1. Методика проведения вычислительного эксперимента и оценка достоверности получаемых результатов.

3.4.2. Результаты исследования помехоустойчивости следящих схем ПВ в когерентном режиме.

3.4.3. Методика и результаты исследования надёжности выделения битовой информации в когерентном режиме.

3.4.4. Результаты исследования помехоустойчивости следящих схем ПВ в некогерентном режиме.

3.4.5. Результаты исследования надёжности выделения битовой информации в некогерентном режиме.

3.5. Выводы.

4. Экспериментальная проверка работы синтезированного ПВ.

4.1. Цель эксперимента.

4.2. Проблемы проведения эксперимента.

4.3. Описание макета приёмовычислителя.

4.4. Разработка устройства поиска сигналов СНС.

4.4.1. Задача обнаружения сигналов.

4.4.2. Определение размеров области поиска и требований к точности оценки информативных параметров.

4.4.3. Использование преобразований Фурье для ускорения обнаружения сигналов НКА.

4.4.4. Выбор порога обнаружения.

4.4.5. Алгоритм синхронизации по фазе вторичного кода пилот-сигнала.

4.5. Результаты эксперимента.

4.5.1. Проверка работоспособности макета.

4.5.2. Результаты работы УПС.

4.5.3. Результаты работы следящих схем.

4.6. Выводы.

Актуальность данной работы обусловлена тем, что к 2015 году ожидается ввод в эксплуатацию новых сигналов (GPS L1C и GALILEO Е1) спутниковых навигационных систем. Эти сигналы характеризуются повышенной скоростью передачи информации. Вместе с тем, известно, что при заданном способе передачи информации при фиксированном отношении "сигнал/шум" увеличение скорости передачи данных приводит к росту вероятности неправильного приёма информации, то есть к снижению помехоустойчивости информационных коммуникаций между приёмовычислителем и навигационными спутниками.

Помимо этого, в работах других авторов отсутствует теоретическое обоснование структуры перспективного приёмовычислителя, способного обрабатывать сигналы GPS L1C и GALILEO El.

Целью работы является разработка средств, обеспечивающих выделение приёмовычислителем цифровой информации из новых сигналов систем GALILEO и GPS при низких отношениях "сигнал/помеха", что обеспечит надёжность информационных коммуникаций между навигационными спутниками и приёмовычислителями.

Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи исследования:

1) проведён анализ структуры существующих приёмовычислителей и выявление факторов, влияющих на их помехоустойчивость;

2) проведён анализ методов повышения помехозащищённости приёмовычислителей СНС;

3) построена математическая модель перспективных сигналов СНС и проанализированы их свойства;

4) построена математическая модель приёмовычислителя, использующего перспективные сигналы СНС;

5) разработана имитационная модель синтезированного приёмовычислителя для оценки его характеристик;

6) г разработан макет приёмовычислителя для экспериментальной проверки правильности синтезированных алгоритмов обработки сигналов СНС.

Методы исследований. При решении перечисленных задач были использованы прикладные методы теории вероятностей и теории случайных процессов, методы теории оптимальной фильтрации, а также методы математического моделирования и теории надёжности.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что в ней для приёмовычислителей, ориентированных на обработку новых (GPS L1C и GALILEO El) сигналов СНС: предложено унифицированное математическое описание новых и существующих сигналов; синтезированы оптимальные (по критерию минимизации среднеквад-ратической ошибки) алгоритмы оценки информативных параметров, использующие как информационную, так и пилот-компоненту сигналов; предложены алгоритмы выделения данных для некогерентного режима работы ПВ; на базе разработанных алгоритмов создана* математическая модель ПВ, с использованием которой получены оценки помехоустойчивости синтезированного приёмовычислителя.

На защиту выносятся:

1. Унифицированное математическое описание новых и существующих сигналов.

2. Математическая модель приёмовычислителя СНС.

3. Алгоритмы оценки информативных параметров сигналов.

4. Алгоритм!выделения навигационных сообщений для некогерентного режима работы ПВ.

5. Результаты исследования помехоустойчивости следящих схем ПВ и различных алгоритмов выделения навигационных сообщений.

Практическая значимость работы состоит в том, что создан программный комплекс, позволяющий проводить моделирование работы приёмовычислителей с целью оптимизации их параметров. С использованием разработанной имитационной модели можно прогнозировать характеристики приёмовычислителей до их непосредственной реализации в виде макетов.

Внедрение результатов. Основные результаты работы внедрены в Московском конструкторском бюро "Компас", что подтверждено соответствующим актом.

Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на конференциях «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества», МГТУ ГА, 18-19 мая 2006 г.; «Студенческая наука», МГТУ им. Н.Э. Баумана, ноябрь 2008 и 2009, «Студенческая научная весна» МГТУ им. Н.Э. Баумана, апрель 2008 и 2009; «Тенденции и гармонизация развития радионавигационного обеспечения», МАДИ, 26 ноября 2008 г.

Публикация результатов. Основные результаты опубликованы в 5 статьях (из них 3 - в изданиях из перечня ВАК) и 7 тезисах докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Основная часть диссертации содержит 164 страниц текста, 68 рисунков, 16 таблиц и библиографию из 61 наименований. Общий объем работы 166 страниц.

Выводы по работе

В работе получены следующие результаты:

1 предложено унифицированное описание новых (GALILEO El и GPS L1 С) и существующих (ГЛОНАСС L1 СТ и GPS L1 С/А) сигналов СНС и с его использованием синтезированы оптимальные (по критерию минимизации среднеквадратической ошибки) схемы оценки информативных параметров (задержки, частоты, фазы) сигналов СНС;

2 разработана математическая модель перспективного ПВ, способного обрабатывать как существующие (ГЛОНАСС L1 СТ и GPS L1 С/А), так и новые (GALILEO El и GPS L1 С) сигналы СНС, пригодная для описания работы ПВ в когерентном и некогерентном режимах;

3 создана имитационная модель, позволяющая исследовать помехоустойчивость следящих схем ПВ и надёжность выделения НС;

4 предложена методика определения помехоустойчивости следящих схем ПВ и вероятности неправильной идентификации битов НС в ПВ;

5 получены оценки помехоустойчивости автономных и комплексирован-ных СС синтезированного ПВ и надёжности выделения НС при использовании различных алгоритмов битовой идентификации;.

6 разработан инструментарий (программно-аппаратная платформа), позволяющий использовать реальные сигналы СНС при отладке алгоритмов работы ПВ, что обеспечивает высокую достоверность получаемых результатов;

7 создан научно-технический задел для создания в ходе ОКР опытных образцов ПВ, обрабатывающих новые сигналы (GALILEO El и GPS L1 С) СНС.

Заключение

Дальнейшее повышение помехоустойчивости выделения передаваемой навигационными спутниками информации возможно за счёт учёта в ПВ особенностей формата кадров НС. Например, согласно [39], часть информационных полей НС сигнала GPS L1C меняются с интервалом 2 ч, что позволит построить алгоритмы выделения битовой информации по результатам приёма сигналов от НКА на нескольких периодах повторения НС.

В целом надёжность работы ПВ может быть повышена за счёт дальнейшего расширения набора одновременно обрабатываемых сигналов. В частности в ближайшей перспективе интерес представляет синтез алгоритмов обработки сигналов с кодовым разделением доступа частотного диапазона L3 системы ГЛОНАСС (первый НКА типа "ГЛОНАСС-К" начал излучать этот навигационный сигнал в апреле 2011 г.). Для построения такого ПВ может использоваться методика, аналогичная предложенной в данной работе.

158

1. Madden D. GPS Program Update // ION GNSS 2009 Panel Session. Savannah (USA), 2009. P. 3349 3366.

2. Revnivykh S. GLONASS Status and Progress // ION GNSS 2010. Portland (USA), 2010. P. 609-633.

3. Oosterlinck. R. Galileo Programme Status // ION GNSS 2010. Portland, (USA), 2010. PP. 634-659.

4. Перов А. И., Харисов В. H. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования. Изд. 3-е, перераб. М.: Радиотехника, 2005. 688 с.

5. Deshpande S. Modulated Signal Interference in GPS Acquisition // ION GNSS 2004. Long-Beach (USA), 2004. P. 76 86.

6. Gershanoff H. Russian GPS Jammer Introduced // Journal of Electronic Defense. 1999. V. 22, Issue 8. P. 28.

7. James C. Vulnerability Assessment of the U.S. Transportation Infrastructure that Relies on GPS // ION NTM 2001. Long-Beach (USA), 2001. P. 975 981.

8. Глобальная- навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ. Редакция 5.1. URL. http://rniikp.ru/ru/pages/about/publ/ICD GLONASS, rus.pdf (дата обращения апрель 2011)

9. Перов А. И. Статистическая теория радиотехнических систем. М.: Радиотехника, 2003. 400 с.

10. Cutright С., Burns J.R. , Braasch M.S. Characterization of Interference Mitigation Performance versus Quantization Error in Software Radios // ION Annual Meeting 2003. Albuquerque (USA), 2003. P. 323-332.

11. Варакин JI.E. Системы.связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь, 1985. 384 с.

12. Casabona М., Rosen М. Discussion of GPS Anti-jam Technology // GPS Solutions. 1999. Volume 2, Number 3. P. 18-23.

13. Cannon M., Deshpande S. Interference Effects on the GPS Signal Acquisition // ION NTM 2004. San Diego (USA), 2004. P. 1026 1036.

14. Spilker J., Natali F. Interference Effects and Mitigation Techniques //Global Positioning System: Theory and Applications. Volume 1. American-Institute of Aeronautics and Astronautics Inc. Piscataway (USA), 1996. P. 717-771.

15. Wen H., Yih-Ru P.; Countermeasures for GPS signal spoofing // ION GNSS-2005. Long-Beach (USA), 2005. P. 1285 1290.

16. Иванов C.P., Огнев B.A. Методика упрощённой оценки влияния негауссовых помех на приёмовычислители спутниковых навигационных систем // Сб. аннотированных трудов кафедры «Компьютерные системы и сети», М: Эликс+, 2008. С. 33-35.

17. Перов А.И., Болденков Е.Н. Анализ помехоустойчивости системы ФАЛ приёмника1 сигналов спутниковых радионавигационных систем // Радиотехнические тетради. 2002. №24. С.46-50.

18. Кинкулькин И.Е., Трошин П.В1 Оценка уязвимости аппаратуры потребителей СРНС при воздействии1 внутриполосных помех // Новости навигации. 2008. №4. С. 60-71.

19. Перов А. И., Харисов В. Н. Некогерентный приём радиосигналов в теории оптимальной фильтрации // Радиотехника. 2003. №7. С. 52-61.

20. Parkinson В. W., Spilker J. J. Global Positioning System: Theory and Applications. Volume I. Reston (USA): American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1996. 620 p.

21. Иванов C.P., Огнев B.A. Методы повышения помехоустойчивости аппаратуры потребителей спутниковых навигационных систем // Информационные технологии. 2009. №4. С. 55-61.

22. Falcone К., Dimos G. Small affordable anti-jam GPS antenna (SAAGA) development // ION GPS-99: Nashville (USA), 1999. P. 1149 1156.

23. Rosen M., Braasch M. Low-Gost GPS Interference Mitigation^ Using Single Aperture Cancellation Techniques // ION NTM-98. Long Beach (USA), 1998. P. 47-58.

24. Kim S., litis R. GPS C/A Code Tracking with Adaptive Beamforming and Jammer Nulling // 36-th IEEE Proceedings. Section Signals, Systems and Computers, Piscataway (USA), 2002. Volume 2. P. 975 979.

25. Vorobyov S., Gershman, A. Robust Adaptive Beamforming Using Worst-Case Perfomance Optimization: A Solution to the Signal Mismatch Problem // IEEE Transaction on Signal Processing. 2002. Vol. 51, No. 2. P. 313-324.

26. Перов А.И. Синтез оптимального алгоритма обработки сигналов в приемнике спутниковош навигации при' воздействии гармонической, помехи // Радиотехника*. 2005. №7. С. 34-38.

27. Уидроу Б., Стирнс С. Адаптивная обработка сигналов. М.: Радио и связь, 1989. 440 с.

28. Gunawardena S., Soloviev A. Real Time Block Processing Engine for Software GNSS Receiver // ION AM2004. San Diego (USA), 2004. P. 108 114.

29. Шилов А.И. Бакитько P. В. Предварительная? обработка шумопо-добных сигналов при наличии сильных интерференционных помех // Радиотехника. 2005. №7. С. 12-17.

30. Бакитько Р. В. Использование весовых функций для предварительной обработки шумоподобных сигналов при наличии сильных интерференционных помех // Радиотехника. 2006. №6. С 13-17.

31. Petovello М., Lashapelle G. Ultra-Tight GPS/INS for Carrier Phase Positioning In Weak-Signal Environment //NATO RTO SET-104. Symposium on Military Capabilities Enabled by Advances in Navigation Sensors". Antalya (Turkish), 2007. P. 97-106.

32. Wang G., Sinclair D. A< Neutral Network and Kalman Filter Hybrid Approach for GPS/INS Integration. URL. http://www.gmat.unsw.edu.au/snap/publications/wangia etal2006c.pdf (дата обращения апрель 2011)

33. Benson D. Interference Benefits of a Vector Delay Lock Loop (VDLL) GPS Receiver, MITRE corporation. URL. www.mitre.org/work/tech papers/tech papers07/07./07 0345.pdf (дата обращения апрель 2011)

34. Соловьёв Ю.А. Системы спутниковой навигации. М.: Эко-Трендз, 2000. 270 с.

35. Joint Statement on Galileo and GPS Signal Optimization By the European Commission (EC) and the United States (US) Brussels 24 March 2006. URL. www.losangeles.af.mil/shared/media/document/AFD-070803-062.pdf (дата обращения апрель 2011).

36. Galileo Open- Service. OS SIS ICD. Draft 1. April 2008. URL. http://www.gsa.europa.eu/go/galileo/os-sis-icd (дата обращения апрель 2011)

37. Avila-Rodriguez, J.A., Hein. The MBOC Modulation: The Final Touch to the Galileo Frequency and Signal Plan // ION GNSS 2007. Fort Worth (USA);2007. P. 1515 1529.

38. Avila Rodriguez J.-A., Macabiau J. CBOC An Implementation of MBOC // http://forschung.unibw-muenchen.de : Forschung University. URL. http://forschung.unibw-muenchen.de/papers/lria01mxa32kvbfsni8pwdx8iupwl.pdf&sa=U&ei=RqqITb7hOJHoOc3zvZIO&ved=

39. OCAsOFiAA&usg=AFOiCNEgPt qghH9Dml7ckvd7810hdEnyg (дата обращения апрель 2011)

40. Betz J. Binary Offset Carrier Modulations for Radionavigation //NAVIGATION. Journal of The Institute of Navigation. 2001-2002. Vol. 48, № 4. P. 227-242.

41. Julien О. Design of Galileo L1F Receiver Tracking Loops. PhD Thesys. DEPARTMENT OF GEOMATICS ENGINEERING. Calgary (Canada). 347 p.

42. Julien O., Macabiau C. Two for One. Tracking Galileo CBOC Signal with TMBOC // Inside GNSS. 2007. Spring. P. 50-57.

43. Macabiau C., Avila Rodriguez J.-A., Hein G. On Potential CBOC/TMBOC Common Receiver Architectures // ION GNSS 2007. Fort Worth (USA), 2007. P. 1530-1542.

44. Ярлыков M.C. Меандровые радиосигналы (ВОС-сигналы) в спутниковых радионавигационных системах нового поколения // Новости навигации. 2007. №3. С. 10-23.

45. C.A. Stephens. Controlled-Root Formulation for Digital Phase-Locked Loops // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 1995. Vol. 31, No.l.P. 78-95.

46. Аполлонов А., Баранов Э. Формирование радиопомех с изменяющейся частотой для имитации помеховой обстановки // Научный вестник Московского Государственного Университета Гражданской Авиации. 2009. № 139. С. 124-128.

47. Справочник. Надёжность в технических системах. Под редакцией проф. И.А, Ушакова. М: Радио и связь. 1985. 606 с.

48. GPS Simulators and Multi-GNSS test equipment // http://www.spirentfederal.com : GPS simulators. URL. http://www.spirentfederal.com/ GPS/ (дата обращения апрель 2011)

49. Аппаратура имитации ГЛОНАСС /GPS /GALILEO // http://www.navis.ru: ЗАО «КБ НАВИС». URL. http://www.navis.ru/ catalog 17.html (дата обращения апрель 2011)

50. ESA GALILEO System Simulation Facility // http://www.gssf.info: ESA - GALILEO System Simulation Facility home. URL. http://www.gssf.info/default.htm (дата обращения апрель 2011)

51. Determination of Galileo GIOVE-A LI BOC(l,l) PRN Codes // http://gps.ece.cornell.edu: GPS Laboratory. URL. http://gps.ece.cornell.edu/galileo/ (дата обращения апрель 2011)

52. Xilinx DS099 Spartan-3 FPGA Family data sheet // www.xilinx.com: Xilinx Home Page. URL www.xilinx.com/support/documentation/datasheets/ ds099.pdf (дата обращения апрель 2011)

53. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы. Учебник для вузов. Издание третье, переработанное и дополненное. М: Советское радио, 1977.512 с.

54. Болденков Е. Н. Разработка и исследование оптимальных алгоритмов обработки сигналов в аппаратуре спутниковой навигации. Дисс. канд. техн. наук. М.: МЭИ, 2007. 226 с.

55. Информационные технологии в радиотехнических системах: Учебное пособие для вузов (под ред. Федорова И.Б.). Изд. 2-е, перераб., доп. М: МГТУ имени Н.Э. Баумана. 2004. 768 с.

56. Харисов В.Н., Булавский Н.Т., Хамматов P.P. Распределение случайных помех множественного доступа // Радиотехника. 2009. №7. С. 112-116.

57. Харисов В.Н., Оганесян A.A. Потенциальные характеристики помехоустойчивости перспективных сигналов ГНСС. // Радиотехника. 2010. №7. С. 121-126.