автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Методы и средства построения элементов мобильной частотно-фазовой системы посадки летательных аппаратов в базисе ПЛИС

На правах рукописи

САСИ САЕД АХМЕД

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПОСТРОЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ МОБИЛЬНОЙ ЧАСТОТНО-ФАЗОВОЙ СИСТЕМЫ ПОСАДКИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ В БАЗИСЕ ПЛИС

Специальность: 05.13.05-Элементы н устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 2006

Работа выполнена па кафедре Автоматизированные Системы обработки информации и управления Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор Шарнии Леонид Михайлович

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Никитин Олег Рафаэлович. Доктор технических наук, профессор Захаров Вячеслав Михайлович.

Ведущая организация: ЦКБ ОАО «Радиоприбор»

Защита состоится:« "23 »лекасря200$ в ^ часов на заседании диссертационного совета Д 212.079.04 в КГТУ им. А.Н. Туполева (420111, г.Казань, ул.К.Маркса, д. 10)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета КГТУ им. А.Н. Туполева

Автореферат разослан » ТС05гВр5Г 2006г.

Ученый секретарь Диссертационного совета кандидат технических наук

Козлов В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. Лавнейшей проблемой гражданской авиации, а также одной из важнейших народохозяйственных задач является обеспечение регулярности и высокой интенсивности полетов и посадки летательных аппаратов (JIA) с заданной безопасностью, как на стационарных категорийных аэродромах, так и на временных аэродромах и площадках базирования со сложными георельефом и климатическими условиями. Особые трудности вызывает решение задач оперативного развертывания и организации посадки в кратчайшие сроки на необорудованных площадках (решения задач МЧС, посадка на льдину, экстренной эвакуации и оказание медицинской помощи и т.п.) Решение основной задачи посадки самолета -вывода самолета при подходе к аэропорту в заданную точку с необходимой точностью требует применения современных навигационных и посадочных средств, позволяющих определять местонахождение самолета и параметры его движения. Требования к точности определения местонахождения самолета задает международная организация гражданской авиации -ICAO. Системы посадки: по приборам (ILS), микроволнового диапазона (MLS), и глобальная навигационная спутниковая система (GNSS) — в настоящее время это самые популярные системы посадки самолетов. Современные системы посадки самолета по приборам ILS и MLS стоят 1,5 и 5 млн. долларов соответственно. Значительный интерес проявляется к использованию спутников, т.к. они могут обеспечить выполнение многих навигационных функций посадки. Ее стоимость зависит от стоимости наземной части системы, плюс расходы на содержание спутникового созвездия, которое необходимо возобновлять через каждые 5 лет. Системы ILS и MLS могут быть использованы при оборудовании международных аэропортов, но возможность оборудования такой техникой обычных аэропортов (республиканских, областных), как в России, так и в СНГ, и в случаях спасения, и операций поддержки в отдаленных местах практически исключена из-за дороговизны и сложности их установки и настройки.

J

Потребность в надежной, точной, гибкой и дешевой системе посадки ЛА на необорудованной площадке остается неудовлетворенной. Необходима система посадки, которая могла бы преодолеть ограничения ранее предложенных систем и удовлетворяла требованиям 1САО.

Одним из направлений решения данной задачи является реализация вычислительных элементов системы посадки ЛА в базисе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), которые позволяют обеспечить высокую точность и скорость обработки радиосигналов.

Несмотря на большое количество публикаций по данному направлению, задачи анализа и синтеза систем посадки ЛА на основе новой элементной базы изучены недостаточно. Актуальным является вопрос реализации данных систем в базисе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Особенно привлекательной в данной связи является задача исследования реализации в базисе ПЛИС методов и алгоритмов цифровой фильтрации

сигналов, цифровых синтезаторов частоты и анализаторов фаз.

*

Объект исследования. Вычислительная система посадки ЛА в критических ситуациях.

Предмет исследования. Вопросы разработки бортового комплекса систем посадки ЛА в базисе ПЛИС.

Цель работы. Повышение эффективности вычислительной системы посадки ЛА в критических ситуациях путем создания мобильных систем их посадки на основе предлагаемых моделей, методов и алгоритмов, осуществляемых в базисе ПЛИС.

Научная задача работы — разработка моделей, методов алгоритмов и средств построения мобильной вычислительной системы посадки ЛА в базисе ПЛИС. Решаются следующие подзадачи:

- анализ известных систем автоматизации посадки ЛА;

- анализ ограничений пространственно и частотно-разнесенной фазовой системы слепой посадки ЛА;

- разработка методов определения координат JIA в условиях необорудованных площадок и их математическое моделирование;

- анализ и решение проблемы неоднозначности определения расстояний по фазам радиосигналов;

- разработка бортового цифрового приемника в базисе ПЛИС/FPGA, включая вопросы синтеза и, анализа сложности реализации цифровых фильтров, управляемого синтезатора частоты, каскадного интегрально-комбинированного фильтра и алгоритма вычисления фаз в базисе ПЛИС;

- создание файлов конфигурации базовых узлов бортового цифрового приемника для ПЛИС/FPGA при использовании САПР Xilinx Foundation Series F.3.1.L

Методы исследований. При проведении исследований для достижения поставленных задач использовались: теория цифровых радиоприемников; методы теории распространения радиоволн; теория цифровых фильтров; методы цифровой обработки сигналов; аппарат линейной алгебры и дискретной математики; методы моделирования и проектирования. Научная новизна — работы заключается в том, что

- на основе сравнительного анализа существующих систем посадки ЛА обоснована актуальность создания наземно-бортового комплекса мобильного и оперативного развертывания посадки;

- разработана математическая модель определения местоположения ЛА относительно взлетно-посадочной полосы (ВПП);

- предложен метод измерения фазы сложных радиосигналов, обеспечивающий высокую точность и позволяющий решить проблему неоднозначности фазы;

- предложена и разработана структурная модель наземно-бортового комплекса, реализованного на современных ПЛИС;

- получены оценки сложности реализации в базисе ПЛИС/FPGA алгоритмов цифровых фильтров, управляемого синтезатора частоты, каскадного интегрально-комбинированного фильтра и вычисления фаз.

3

Практическая ценность и внедрение результатов. Ценность работы заключается в том, что

- показана возможность оперативного развертывания на необорудованных посадочных площадках четырех антенн для решения задач МЧС, посадки на льдину, экстренной эвакуации, медицинской помощи и т.п.;

- предложена реализация бортового 8 канального цифрового приемника и задающего генератора-передатчика в базисе ПЛИСУ FPGA;

- разработаны методы и алгоритмы распараллеливания процесса вычислений и потоковой обработки данных в базисе ПЛИС/ FPGA;

- предложении методы и алгоритмы доведены до инженерных расчетов, созданные файлы конфигураций базовых узлов бортового цифрового приемника позволяют практически реализовать эти узлы по технологии ПЛИС;

- отдельные результаты исследований используются в учебном процессе на кафедрах КИПМЭА и КС КГТУ им. А.Н. Туполева в курсовом и дипломном проектировании.

Достоверность полученных результатов. Подтверждена корректным использованием методов математического моделирования и экспериментальными исследованиями при использовании программных продуктов Microwave Office, Maple, Visual System Simulator и САПР Xilinx Foundation Series F.3.1.i.. Ila защиту выносятся:

1. обоснование необходимости создания мобильной системы оперативного развертывания посадки ЛА;

2. структурная модель разрабатываемой вычислительной системы посадки ЛА;

3. метод определения навигационных координат на основе измерения фазы радиосигналов с устранением ее неоднозначности;

4. оценки эффективности реализации элементов многоканального бортового приемника в базисе ПЛИС/ FPGA;

5. функциональная модель многоканального бортового приемника в базисе ПЛИСУ FPGA.

Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались и обсуждались на ежегодных международных конференциях Туполевские чтения (2004-200бгг.); в трудах 1-го Международного форума (б-й Международной конференции) " Актуальные проблемы современной науки" (Самара, 2005 г.); в материалах региональной научно-методической конференции " Профессиональные концепции в структуре модели современного инженера", Нижнекамский филиал КГТУ. ( Казань 2005 г.); в материалах региональной научно-методической конференции " Информационная культура в системе подготовки будущего инженера ", Нижнекамский филиал КГТУ ( Казань, 2006 ); на первой научно-технической конференции зарубежных аспирантов и магистрантов КГТУ им.А.Н.Туполева ( Казань, 2005 ); на 4-й ежегодной международной научно-практической конференции " Инфокоммуникационные технологии республики Татарстан " ( Казань, 2006 ).

Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 13 работах, включая 5 статей, 8 тезисов.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа изложена на 161 страницах машинописного текста, содержит 72 рисунка и 6 таблиц, состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 130 наименований и 3 приложений на 20 страницах.

Автор выражает свою благодарность к.т.н. доценту кафедры КИПМЭА Русяеву H.H. и к.т.н. доценту кафедры КС Шалагину C.B. Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева за помощь в проведении исследований в области навигации ЛА и экспериментальных исследований системы в базисе ПЛИС.

S

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследований, научная и практическая ценность данной работы, дано описание структуры диссертации.

В первой главе изучены системы посадки JIA: ILS, MLS, и GNSS и проблемы, возникающие с этими системами в реальных условиях. Выполнены сравнения между ними по критериям надежности, гибкости и стоимости.

Исследован пространственно и частотно-разнесенный многопозиционный фазовЬш разностно-амплитудный метод для слепой посадки самолетов, расстояния между бортовыми и наземными антеннами вычисляются по приближенным формулам:

Д,„ =Я,-(£/2)я1па,; Лп„ = R, +(L/2)sma, (1)

Проверена погрешность этих формул.

Сравнение производилось с точной геометрической формулой:

д;,, - (2)

Результаты моделирования погрешности приближенного подхода представлены графически на рис.1, и рис.2.

|180кмр |130км^|

вшь___

140км Y | 80км

ПЗою

1впп| /

Хаз«

W

Рис.1

Рис.2

Система координат круговая (радиус-угол) с центром на середине переднего торца ВПП, на которую садится ЛА. Внешняя граница зоны посадки (на дальности 160 км.) показана на рис.1. ; ближняя к торцу ВПП (на расстоянии до 180 м) показана на рис.2.

На рис.1, хорошо видно две области, разделенные границей, на которой погрешность измерения фазы достигает 180°. Темный фон отмечает область погрешностей менее 180°. Светлым фоном показана область, где погрешность измерения фазы превышает 180° и где соответственно имеет место проблема неоднозначности фазы.

На рис.2, показаны значения относительной погрешности вычисления расстояний по приближенным формулам. Здесь видно, что на подходе к торцу ВПП погрешность приближенных формул достигает недопустимо высоких значений (20% - 100% и более).

, Результат выполненного анализа и моделирования показал, что необходимо использовать геометрические формулы, не прибегая к упрощениям.

погрешность приближенных формул в зоне полета по сигналам системы посадки вблизи порога ВПП может превышать 100%.

Во второй главе исследуется радионавигационная система посадки самолета, действие которой основано на измерении на JIA фаз волн приходящих от четырех излучателей, размещенных по углам взлетно-посадочной полосы. Прием сигналов производится на одну антенну.

В результате анализа определены: координаты бортовой антенны, координаты центра масс самолета и оси координат самолета в системе координат взлетно-посадочной полосы (ВПП).Система координат ВПП декартова и ориентирована стандартно. Координатные оси самолета ориентированы по общепринятым правилам ( см. рис.3).

г

о

A4(l0.-wf2)t

M0,0,-v/2)

Рис.3

Решение уравнений расстояний, которые связывают координаты наземных и бортовой антенны, позволяет вычислить координаты бортовой антенны, относительно системы координат ВПП. Уравнения расстояний имеют следующий вид

R.-^xl1+y*+tll-ilW + (fr/2)J ; R^^-Jx,1 +yt2 + z,2 +ztw + ifrny ;

= W -xtL + (L/2)J + j>,J +г,2 -г.^ + С^/г)3

(¿a -4iV) _ M X,= 4Z » ~2fV;

(3)

i■}

(м жУ

\2fF 2 J

(4)

где, N = {RacA^-{RacA^\ M = {RacA1)1 -(RaeA,)2 L, W — длина и ширина ВПП.

R<k\ — расстояние между бортовой а„ и наземной А, антеннами. RocAi — расстояние между бортовой ас и наземной Аг антеннами. каы, ~ расстояние между бортовой ас и наземной А} антеннами.

Использование рассчитанных координат бортовой антенны и матрицы преобразования позволяет вычислить координаты центра масс самолета в системе координат взлетно-посадочной полосы. Для этого и используется матрица вращения RPY (Roll-Pitch-Yaw) (Курс Тангаж Крен). Rus = КРУ = rot{x, £)rot(z, 9)rot(y, <р)

cos <9 cos q> — sini9 cos 9 cos <p

cos £ sin 9 cos <p + sin f sin tp cos £ cos 5 cos £ sin 9 sin <p-sin f cos tp sin 4 sin 9 cos <p — cos £ sin q> sin£ cos «9 sin ^ sin $ 4- cos£" cos<p

Однородная матрица перехода между двумя системами координат может быть написана в виде

V Ri Л3 О Г

Л4 R, R* о;

а, R, R, R, о;

1 0 0 0 1 1

где:

3

[О'^О^О])- координаты центра масс самолета в системе координат ВПП . Координаты бортовой антенны в системе координат самолета известны; = аД/,0,0);'

поэтому уравнение (5), можно записать так:

ч о-; У

о, К, Я. о; 0

а, я, К. л, О', 0

1 0 0 0 1 1

Его решение имеет вид а, = И,1 + 0^ ; ау = + 0'у ; л, = И71 + 0\; (7)

или

О', =ахО; =а,-Л,1; О', =а,-Л,/;

где

Л, = соэЗсоир;

Л, = соэ £ БШ. .9 СОБ + БШ £ эт у?;

Л, язщ^т.Зсозр — соз^втр;

Аналогично оси координат самолета О' и V можно полностью определить в системе координат взлетно-посадочной полосы. Это позволяет идентифицировать положение самолета относительно ВПП и плоскостей курса и глиссады.

Расстояния Л^ , Л^г , и (см. Уравнение (3) ) между бортовой и наземными антеннами вычислены по измеренным сдвигам фаз, но имеет место неоднозначность

с! = Л • ^л+—-^ , где п - целое число, априорно неизвестное. (8)

Существуют две проблемы, требующие решения: во-первых, измеренная фаза включает не только сдвиг фаз, обусловленный расстоянием, пройденным сигналом, но также и произвольные начальные фазы генератора передатчика и гетеродина приемника; во-вторых, измеренная разность фаз между переданным и полученным сигналами определена многозначно, ее значение может быть только в интервале от 0 до 2к. Чтобы преодолеть эти проблемы, предложен метод эквивалентной или синтетической длины волны,

У

где каждая наземная антенна излучает два близких по частоте сигнала одинаковой начальной фазы. На борту вычисляется различие фаз для двух переданных сигналов. Диапазон однозначности теперь расширен на синтетическую длину волны Лч, где определена разностью частот / и /2;

Л„=т

г; или Л„ =т

(9)

'1Л-Л1— """1^-лГ ■

Рабочие частоты для обеспечения диапазона однозначности 40 км выбраны с учетом таблицы распределения частот статьи 5 «Инструкции Международного союза электросвязи (ITU)» следующим образом: / =960000000 Hz, /,=960003749.941 Hz, /з= 961000000 Hz, /,= 961003749.941 Hz, /,= 962000000 Hz, /,= 9620,03749.941 Hz, /,= 963000000 Hz, /,= 963003749.941 Hz, где разность частот fM — f= 3749.941 Hz, /=1,3,5,7;

Предложен бортовой цифровой узкополосной приемник для приема восьмиканального сигнала в диапазоне частот от 960 МГц до 963.003749941 МГц. В нем использована аналоговая и цифровая обработка сигналов. Результатом обработки являются оценки сдвига фаз несущих сигналов, а также сдвиги фаз между каждой парой сигналов.

Предложенный бортовой цифровой приемник (Рис.4.) состоит из следующих частей:

л

ШНЛ1Ю

KDicb ФI

«»(В |cos(f,)

MPC1RI.nl Г»НУрЛТО|

tMMHTMb

L?

t

ММТНЫП *Н«1>ЗТ01

Рис.4

/о

1. Аналоговая входная часть (Analogue front-end) принимает восемь радиосигналов различных частот в диапазоне от 960 МГц до 963.003749941 МГц и выдает сигнал промежуточной частоты, занимающий полосу частот от 5 МГц до 8.003749941 МГц;

2. Цифровые гетеродины (Digital Local Oscillator DLO); это генераторы дискретной цифровой синусоиды, которая поступает на входы смесителей, где осуществляется сдвиг спектра сигнала по частоте вниз, причем DLO должны генерировать частоты равные входным, т.е.,

=5000000 Hz ,fwl =5003749.941 Hz , fun =6000000 Hz ,fwt =6003749.941 Hz , fwl =7000000 Hz =7003749.941 Hz , fwl =8000000 Hz =8003749.941 Hz ,

3. Цифровые смесители - это один из важных компонентов цифрового приемника. Он состоит из двух умножителей для цифровых сигналов. Математически цифровые смесители умножают входные отсчеты от A/D конверторов на цифровые синус и косинус отсчеты DLO (местного генератора). Частота дискретизации A/D равна fs = 24 МГц, и умножители работают на той же самой скорости;

4. Многоскоростные цифровые фильтры (Multi rate digital filters) необходимы, чтобы преодолеть проблему осуществления очень сложных фильтров в бортовом цифровом приемнике, частота отсчетов сигнала снижается в 2400 раз использованием каскадного интегрального комбинированного цифрового фильтра (СЮ), (Рис.5.);

Рис.5

//

5. Алгоритмы сдвига фазы (phase wrapping algorithms) после фильтраций сигнала используется алгоритм Cordic, чтобы вычислить разность фаз принятого сигнала.

В третьей главе рассматривается решение задач синтеза и анализа сложности схем основных цифровых узлов бортового цифрового приемника. В базисе ПЛИС/FPGA реализованы следующие схемы:

• умножения (цифровые смесители),

• цифровой фильтрации сигналов,

• управляемые синтезаторы частоты (цифровой гетеродин),

• каскадного интегрально-комбинированного фильтра (многоскоростной цифровой фильтр),

• CORDIC алгоритм (алгоритм вычисления фаз).

Решена задача синтеза и анализа сложности бортового цифрового приемника как единого модуля в базисе ПЛИС/FPGA.

Использованы следующие известные критерии оценки временной и емкостной сложности в базисе ПЛИС:

КЗ=0ГФ_ К, =^х100% (10)

QtUJB Т3

где Qr® - оценки реальных затрат по числу ГФ внутри КЛБ, Qjoie — оценки

реальных затрат по числу КЛБ, Тмс — межсоединения время задержки

функционирования, Тз — общее время задержки функционирования.

Оценки Qro, Qmis. Тмс и Тз получены при использовании

специализированной САПР Xilinx Foundation Series F3.1.i.

В разделе 3.1. "Синтез и анализ схем умножения в базисе ПЛИС"

решена задача оценки временной и емкостной сложности схем умножения

различных архитектур в базисе ПЛИС. Исследована зависимость данных

оценок от разрядности перемножаемых чисел. Реализация производится на

ПЛИС серии ХС4000Е. Рассмотренные архитектуры (базовые модели)

умножителей, ориентированных на базис ПЛИС: последовательная,

YZ

параллельно-последовательная, параллельная, табличная (в том числе -табличная, для умножения на константу).

Результаты анализа показаны на рис.б. и 7.

Рис.6 Рис.7

Схемы, выполненные на основе параллельной и параллельно-последовательной архитектур, являются наиболее приемлемыми для реализации на их основе широкого класса устройств обработки информации в реальном масштабе времени в базисе ПЛИС/FPGA. При этом последовательная архитектура будет наиболее приемлема для чисел, представленных малым числом разрядов, а параллельно-последовательная архитектура — для чисел, представленных большим числом разрядов.

В разделе 3.2. "Синтез и анализ сложности схем цифровых фильтров в базисе ПЛИС" решена задача оценки временной и емкостной сложности ЦФ 1-го и 2-го порядков на базе схем умножения (СУ) и сложения различных архитектур в базисе ПЛИС. Следует отметить, что ЦФ 1-го и 2-го порядков могут быть использованы для реализации ЦФ более высоких порядков, широко используемых при решении задач ЦОС.

Исследованы оценки адекватности по критериям (10) данных устройств базису ПЛИС/FPGA в зависимости от типов СУ, используемых при их реализации. Исследована зависимость данных оценок от разрядности двоичных векторов, описывающих обрабатываемый сигнал. Полученные реализации рекурсивных и нерекурсивных ЦФ на основе СУ двух типов (SPM и PAR) в базисе ПЛИС имеют зависимость сложностных оценок от увеличения порядка. Анализ зависимости оценок емкостной сложности

показывает, что для ЦФ, реализованных на базе SPM, наблюдается большая эффективность задействования ресурсов ГФ внутри КЛБ. Что касается оценок временной сложности, то ситуация не такая однозначная. Время задержки функционирования увеличиваться пропорционально увеличению порядка ЦФ. Исключение составляют рекурсивные ЦФ, реализованные на базе СУ типа SPM. Данный факт объясним снижением вклада межсоединений (МС) в общее время задержки проекта.

В разделе 3.3. "Синтез и анализ сложности схемы управляемого синтезатора частоты в базисе ПЛИС" исследуются вопросы синтеза управляемого цифрового синтезатора частоты (Direct Digital Frequency Synthesizer, DDFS) в базисе ПЛИС, структура с аккумулятором на 11 битов и двумя ОЗУ (LUT) общей емкостью 256 байт.

Согласно полученным результатам, для реализации схемы DDFS в базисе ПЛИС типа ХС4025Е требуется 324 КЛБ. Схема реализована только при использовании ГФ(4),,при этом не использован ни один ГФ(3). Время задержки функционирования Td = 11.935 ns, с максимальной частотой 83.787 МГЦ.

В разделе 3.4. "Синтез и анализ сложности реализации каскадного интегрально-комбинированного фильтра в базисе ПЛИС" описана реализация схемы CIC фильтра, включающего в свой состав один интегратор, один дифференциатор и фактор уменьшения размера изображения (decimation factor) R = 64. Схема реализована в базисе ПЛИС серии ХС4000Е.

Согласно полученным результатам, для реализации схемы CIC фильтра в базисе ПЛИС типа ХС4010Е требуется 29 КЛБ. Время задержки функционирования 11.950 ns, с максимальной частотой 65.147.

В разделе 3.5. "Синтез и анализ сложности реализации CORDIC алгоритма в базисе ПЛИС" описана реализация в базисе ПЛИС серии ХС4000Е параллельно ациклического CORDIC алгоритма, который включает четыре стадии (п = 3) и оперирует двоичными числами длиной 8 бит.

Согласно полученным результатам, для реализации схемы параллельного ациклического СОЮЭГС алгоритма в базисе ПЛИС типа ХС4010Е требуется 266 КЛБ. Время задержки функционирования 17.139 ш, которое позволяет обеспечивать максимальную частоту 35,393 МГц.

В разделе 3.6. Рассматривается решение задач синтеза и анализа сложности бортового цифрового приемника в базисе ПЛИС/ТРвА (см рис.4). Приведены два варианта реализации цифрового приемника в базисе ПЛИС/РРОА ХС4000.

Для реализации схемы одного канала цифрового приемника в базисе ПЛИС типа ХС4044Х1А требуется 1567 КЛБ. Время задержки функционирования составляет = 78.968 не., а максимальная частота функционирования - 12.663 МГц.

Для реализации схемы четырех каналов цифрового приемника в базисе ПЛИС типа ХС40250ХУ требуется 6230 КЛБ. Время задержки функционирования равно = 104.37 не., а максимальная частота функционирования - 9.581 МГц.

/¿Г

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. На основе сравнительного анализа существующих систем посадки ЛА обоснована актуальность создания наземно-бортового комплекса мобильного и оперативного развертывания посадки.

2. Предложен новый подход создания мобильных систем посадки на необорудованные площадки.

3. Предложена структурная модель фазовой радионавигационной системы посадки самолета. Проведен ее анализ геометрии трасс распространения сигналов и навигационных элементов. Выбраны операционные частоты и режим передачи согласно таблице распределения частот из статьи 5 Инструкции Международного союза электросвязи (ITU).

4. Предложен метод измерения фазы сложных радиосигналов, обеспечивающий высокую точность и позволяющий решить задачу неоднозначности фазы синтетической длины волны.

5. Разработана структура бортового узкополосного 8-ми канального цифрового приемника и задающего генератора-передатчика.

6. Проведен синтез и получены оценки сложности бортового цифрового приемника в базисе ПЛИС/FPGA: схем умножения, схем цифровых фильтров, управляемого синтезатора частоты, схем цифровых фильтров, управляемого синтезатора частоты, каскадного интегрально-комбинированного фильтра и CORDIC алгоритма.

7. Рразработаны методы и алгоритмы распараллеливания процесса вычислений и потоковой обработки данных в базисе ПЛИС/ FPGA.

8. Выполнен комплексный синтез и анализ сложности реализации бортового цифрового приемника в базисе ПЛИС/FPGA при использовании САПР Xilinx Foundation Series F.3.1.1.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах

1. Саси С.А. Моделирование фазовой многочастотной автоматизированной системы посадки самолетов // XII Туполевские чтения: международная молодежная научная конференция — Казань, 10-11 ноября 2004 .- T. I. С.15-16.

2. Саси С.А. К задаче проектирования цифровых устройств по технологии ПЛИС (Xilinx) // XII Туполевские чтения: международная молодежная научная конференция — Казань, 10-11 ноября 2004 .Т И.С.133-134.

3. Саси С.А., Шалагин C.B., Шарнин JI.M. Оценки сложности архитектур умножителей в базисе ПЛИС/FPGA // Исследования по информатике : Научно-практический издание/ Институт проблем информатики АН РТ. Казань: Отечество, 2005. Вып.9. С.71-80.

4. Русяев H.H., Саси С.А., Шарнин JI.M. Анализ фазовой радионавигационной системы автоматизации посадки самолета // Электронное приборостроение: Научно-практический сборник/ КГТУ. Казань, 1-2 февраля 2005. Вып.3(44). С.7-11.

5. Русяев H.H., Саси С.А., Шарнин JI.M. Анализ погрешностей системы автоматизации посадки самолета многочастотным сигналам // Электронное приборостроение: Научно-практический сборник /КГТУ. Казань, 1-2 февраля 2005.- Вып.4(45). С. 17-20.

6. Саси С.А., Шарнин JI.M. Оценки сложности цифровых элементов для задачи проектирования устройств по технологии ПЛИС/FPGA // Труды 1-го Международного форума (6-й Международной конференции) " Актуальные проблемы современной науки". Самара, 12-15 сентября 2005.- Ч. 14-17. С.74-75.

7. Саси С.А. Оценки сложности типовых элементов для задачи проектирования цифровых устройств по технологии ПЛИС/FPGA // Материалы региональной научно-методической конференции

" Профессиональные концепции в структуре модели современного инженера"/ Нижнекамский филиал КГТУ. Казань, 29 апреля 2005.-С.67-69.

8. Кайбушев Ф.Х., Саси С.А. Синтез цифровых умножителей в базисе программируемых логических интегральных схем // Туполевские чтения: международная молодежная научная конференция — Казань, 10-11 ноября 2005 .- Т. 3. С.33-34.

9. Саси С. А. Анализ фазовой радионавигационной системы посадки самолета // Первая научно-техническая конференция зарубежных аспирантов и магистрантов КГТУ им. А.Н.Туполева, Казань, 2005,-С.24.

10. Шарнин Л.М., Шалагин C.B., Саси С.А. Реализация цифровых фильтров в базисе программируемых логических интегральных схем // Электронное приборостроение: Научно-практический сборник / КГТУ. Казань, 2006.- Вып.1(46).С.29-38.

11. Саси С.А. Оценки сложности схемы управляемого цифрового синтезатора частоты в базисе ПЛИС/FPGA // Материалы региональной научно-методической конференции " Информационная культура в системе подготовки будущего инженера " / Нижнекамский филиал КГТУ. Казань, 28 апреля 2006. С.169-170.

12. Саси С.А. Шалагин C.B., Шарнин Л.М. Реализация в базисе ПЛИС рекурсивных и нерекурсивных цифровых фильтров // Четвертая ежегодная международная научно-практическая конференция " Инфокоммуникационные технологии республики Татарстан ". Казань, 6-7 сентября 2006 . С.66-70.

13. Русяев H.H., Саси С. А., Шарнин Л.М. Анализ геометрии и погрешностей автоматизации посадки самолета по многочастотным сигналам // Вестник Казанского государственного технического университета - Казань: Изд-во КГТУ им. А. Н. Туполева, Казань, 2006.

.№ 2. С.56-59.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ.л. 1,25. Усл.печл. 1,16. Усл.кр.-отт. 1,16. Уч.-изд.л. 1,0 . Тираж 100 . Заказ И204.

Типография Издательства Казанского государственного технического университета 420111 Казань, К. Маркса, 10

ВВЕДЕНИЕ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Глава 1. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПОСАДКИ САМОЛЕТОВ И АНАЛИЗ МНОГОЧАСТОТНЫХ СИСТЕМ РАДИОНАВИГАЦИИ В ЗОНЕ ПОСАДКИ.

1.1 Обзор радионавигационных систем посадки самолетов.

1.1.1 Требования авиационной навигации.

1.1.2 Элементы системы посадки самолета и возможного выполнения.

1.1.3 Система посадки по приборам.

1.1.4 Системы посадки микроволнового диапазона.

1.1.5 Глобальная спутниковая навигационная система global navigation satellite system gnss).

1.1.6. Сравнение систем посадки самолетов.

1.2 Пространственно и частотно-разнесенная фазовая система слепой посадки самолетов - анализ ограничений.

1.2.1 Структура построения системы.

1.2.2 Основные уравнения.

1.2.3 Анализ ограничений.

1.3 Обоснование постановки задачи исследований.

1.3.1 Системы посадки самолета сегодня.

1.3.2 Методы измерения расстояния с помощью радиосигналов.

1.3.3 Выбор элементной базы и сигналов.

1.4 Постановка задачи исследований.

ВЫВОДЫ.

Глава 2. АНАЛИЗ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ РАДИОНАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ПОСАДКИ САМОЛЕТА.

2.1 Анализ радионавигационной системы посадки самолета.

2.1.1 Анализ геометрии трасс распространения сигналов.

2.1.2 Анализ навигационных элементов системы.

2.1.3 Вычисление расстояния.

2.1.4 Многопутевой эффект и способы его решения.

2.2 Бортовой цифровой приемник.

2.2.1 Цифровое преобразование спектра вниз.

2.2.2 CORDIC алгоритм.

2.2.3 Бортовой цифровой приемник архитектура и проектирование.

ВЫВОДЫ.

Глава 3. СИНТЕЗ И АНАЛИЗ БОРТОВОГО ЦИФРОВОГО ПРИЕМНИКА В БАЗИСЕ ПЛИС/РРОА.

3.1. Синтез и анализ схем умножения в базисе ПЛИС.

3.1.1. Базовые модели умножителей.

3.1.2. Обзор реализации умножителей на ПЛИС.

3.1.3. Синтез умножителей в базисе ПЛИС.

3.1.4. Анализ сложности модели схемы умножения в базисе ПЛИС.

3.2. Синтез и анализ сложности схем цифровых фильтров в базисе ПЛИС/РРОА.

3.2.1. Базовая модель.

3.2.2. Обзор реализации цифровых фильтров на ПЛИС.

3.2.3. Синтез цифровых фильтров в базисе ПЛИС.

3.2.4. Анализ сложности реализации в базисе ПЛИС/РРОА.

3.3. Синтез и анализ сложности схемы управляемого синтезатора частоты в базисе ПЛИС/РРОА.

3.3.1. Управляемый цифровой синтезатор частоты.

3.3.2. Метод экономичной реализации табличной функции синуса.

3.3.3. Симметрия синуса/косинуса.,

3.4.4. Реализация ООРБ на ПЛИС.

3.4. Синтез и анализ сложности реализации каскадного интегрально-комбинированного фильтра в базисе программируемых логических интегральных схем.

3.4.1. Структурная модель каскадного интегрально-комбинированного фильтра.

3.4.2. Реализация С1С на ПЛИС.

3.5. Синтез и анализ сложности реализации СОШЭГС алгоритма в базисе ПЛИСЛгРвА.

3.5.1 Параллельный циклический СОШЗГС алгоритм.

3.5.2 Последовательный циклический СОВДГС алгоритм.

3.5.3. Параллельный ациклический СОШЭ1С алгоритм.

3.5.4. Реализация С01Ш1С алгоритма на ПЛИС класса РРвА.

3.6 Синтез и анализ сложности бортового цифрового приемника в базисе ПЛИС/РРОА.

3.6.1 Варианты реализации цифрового приемника в базисе ПЛИС/РРОА.

3.6.2 Вариант 1: Реализация цифрового приемника на 8 микросхемах типа ХС4044ХЬА.

3.6.3 Вариант 2: Реализация цифрового приемника на 2-х микросхемах типа ХС40250ХУ.

ВЫВОДЫ.

Радионавигация играет очень важную роль в воздушном движении. Жизнь людей зависит непосредственно от надлежащего функционирования электронного позиционирования и навигации.

Когда самолет путешествует от одного аэропорта до другого, он проходит через несколько стадий. Во-первых есть взлет, который выполняется визуально. После взлета, самолет почти всегда зависит от электронной системы позиционирования, чтобы получить команды управления полета по маршруту и текущей позиции. Поэтому разработаны системы подобно VHF Всенаправленный Диапазон (VOR) и Измерительное устройство Расстояния (DME). Спутниковые системы подобно GPS также играют важную роль.

Когда самолет приближается к взлетно-посадочной полосе, особенно при плохих условиях видимости ночью или при условиях плохой погоды, экипаж необходимо обеспечить очень точной информацией о позиции самолета относительно взлетно-посадочной полосы.

В настоящее время, Система Посадки по приборам (ILS) -доминирующая система, поддерживающая гражданские подходы и посадку в целом мире.

Система Посадки по приборам (ILS) страдает от проблем отражения сигналов, негибкости курса и глиссады, эти недостатки устранены в системе посадки микроволнового диапазона MLS. Но из-за сложности и очень высокой стоимости MLS предпринят поиск и начаты новые исследования, ориентированные на использование для посадки самолетов GPS. Использование GPS в системах посадки самолетов - это очень привлекательная идея, так как сигналы GPS охватывают большие части Земли. Но GPS (GNSS) система посадки также имеет собственные проблемы и ограничения.

Известно много исследований, посвященных использованию многочастотной глобальной системы позиционирования "Global Positioning System (GPS)", подобно [62], [85], [95] и [122].

Другой подход для систем приземления самолета использует так называемую синтетическую систему технического зрения "synthetic-vision system". Данная технология создает цифровое изображение среды самолета [54], [84] и [113].

В [96] предложена управляемая система слепой посадки самолетов с помощью лазера.

В этой диссертации предложена и исследована радионавигационная часть системы посадки самолета, которая обеспечивает полет и посадку в тумане или условиях плохой видимости с требуемым условием безопасности.

Предложена радионавигационная система посадки самолета, действие которой основано на измерении фаз волн от четырех излучателей, размещенных по углам взлетно-посадочной полосы. Прием сигналов производится на одну антенну, установленную на борту самолета. В состав бортовой части системы входит бортовой цифровой узкополосной приемник.

Измерение фазы сигнала может быть сделано с точностью, которая может быть выражена как фракция 2л радиана, который является фракцией длины волны радио-сигнала, если исключены аномалии распространения, то точность измерения расстояния непосредственно пропорциональны используемой частоте. Но, к сожалению, однозначный диапазон обратно пропорционален к той частоте. Вообще, используя обработку сигналов, фаза радио-сигнала может быть измерена приблизительно в пределах 1 % длины волны

В предложенной системе посадки самолета наземные передатчики передают сигналы около 960 МГЦ. Однозначный диапазон - теперь

Л = 3*108/960*10б =0.3125 метра, и точность - 1% того диапазона составит 3.125 мм.

Чтобы преодолеть проблему неоднозначности, предложен метод эквивалентной или синтетической длиной волны, где каждая наземная антенна излучает два близких сигнала, но одинаковой начальной фазы. На борту рассчитывается различие фазы между двумя переданными сигналами. Это позволяет исключить начальную фазу. Однозначный диапазон теперь расширен на синтетическую длину волны я , который намного больше чем я .

Диапазон теперь определен длиной волны Я из различия частоты

Если /¡=960000000 Ш, и /2 =960003749.941 Нг, тогда = 80000 т.

Вообще, диапазон посадки начинается с 40000 т.

Чтобы получать такие очень близкие сигналы ( ~ /2 = 3749.941 Нг), и позволить полное выполнение алгоритмов ЦОС (цифровой обработки сигналов) и исключить ограничения в аналоговых приемниках, разработан бортовой цифровой узкополосной приемник.

57]. и/2: я

Цифровые приемники получают цифровые отсчеты промежуточной частоты (IF) или радио частоты (RF) - сигналы, типично получаемые из радиоантенны. Они используют цифровые методы обработки сигналов, чтобы перевести желательный сигнал с некоторой частоты вниз к DC и затем удалить все другие сигналы, используя фильтры низких частот [52, 110]. Обработка сигналов на очень низких частотах дает возможность увеличить точность измерений сигнала.

Предложенный бортовой цифровой узкополосной приемник предназначен для приема восьмиканального сигнала в диапазоне от 960 МГц до 963.003749941 МГц. В нем использована аналоговая и цифровая обработка сигналов. Результатом обработки являются оценки сдвига фаз несущих сигналов и затем сдвиги фаз между каждой парой сигналов.

В схемах цифровых приемников используют много умножителей, но новые поколения ПЛИС содержат множество специализированных аппаратных умножителей, что снимает вопрос их реализации и делает ПЛИС более привлекательными для цифровых приемников.

Вообще, цифровые ПЛИС приемники предлагают беспрецедентную гибкость в характеристиках фильтров в динамическом диапазоне и в частотах дискретизации.

Предложенный бортовой цифровой узкополосной приемник реализован в базисе ПЛИС/FPGA.

В первой главе изучены самые популярные системы приземления самолета: система посадки по приборам (ILS), системы посадки микроволнового диапазона (MLS), и глобальная спутниковая навигационная система (GNSS), и проблемы, возникающие с этими системами в реальных условиях. Выполнены сравнения между ними по критерию их надежности, гибкости и стоимости.

Проведен анализ погрешностей пространственно и частотно-разнесенного многопозиционного фазового разностно-амплитудного метода.

В второй главе предложены структурная модель фазовой радионавигационной системы посадки самолета. Выполнен анализ геометрии трасс распространения сигналов и навигационных элементов. Выбраны операционные частоты и режим передачи, согласно таблице распределения частот из статьи 5 Инструкции Международного союза электросвязи (ITU). Предложено решение проблемы начальных фаз и неоднозначности на основе метода эквивалентной или синтетической длины волны.

Разработан бортовой цифровой узкополосной приемник на восемь каналов.

В третьей главе выполнен синтез и анализ каждой части бортового цифрового приемника в базисе ПЛИС/FPGA: схем умножения, схем цифровых фильтров, управляемого синтезатора частоты, каскадного интегрально-комбинированного фильтра и CORDIC алгоритма.

Выполнен в целом синтез и анализ бортового цифрового приемника в базисе ПЛИС/FPGA.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Главнейшей проблемой гражданской авиации, а также одной из важнейших народохозяйственных задач является обеспечение регулярности и высокой интенсивности полетов и посадки летательных аппаратов (JIA) с заданной безопасностью как, на стационарных категорийных аэродромах, так и на временных аэродромах и площадках базирования со сложными георельефом и климатическими условиями.

Особые трудности вызывает решение задач оперативного развертывания и организации посадки в кратчайшие сроки на необорудованных площадках (решения задач МЧС, посадка на льдину, экстренной эвакуации и оказание медицинской помощи и т.п.)

Решение основной задачи посадки самолета -вывода самолета при подходе к аэропорту в заданную точку с необходимой точностью требует применения современных навигационных и посадочных средств, позволяющих определять местонахождение самолета и параметры его движения.

Требования к точности определения местонахождения самолета задает международная организация гражданской авиации -ICAO.

Системы посадки: по приборам (ILS), микроволнового диапазона (MLS) и глобальная навигационная спутниковая система (GNSS) - в настоящее время это самые популярные системы посадки самолетов.

Современные системы посадки самолета по приборам ILS и MLS стоят 1,5 и 5 млн.долларов соответственно.

Значительный интерес проявляется к использованию спутников, т.к. они могут обеспечить выполнение многих навигационных функций посадки. Ее стоимость зависит от стоимости наземной части системы, плюс расходы на содержание спутникового созвездия, которое необходимо возобновлять через каждые 5 лет.

Системы ILS и MLS могут быть использованы при оборудовании международных аэропортов, но возможность оборудования такой техникой обычных аэропортов (республиканских, областных) как в России, так и в СНГ, и в случаях спасения, и операций поддержки в отдаленных местах практически исключена из-за дороговизны и сложности их установки и настройки.

Потребность в надежной, точной, гибкой и дешевой системе посадки JIA на необорудованной площадке остается неудовлетворенной. Необходима система посадки, которая могла бы преодолеть ограничения ранее предложенных систем и удовлетворяла требованиям ICAO.

Одним из направлений решения данной задачи является реализация вычислительных элементов системы посадки JIA в базисе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), которые позволяют обеспечить высокую точность и скорость обработки радиосигналов.

Несмотря на большое количество публикаций по данному направлению, задачи анализа и синтеза систем посадки ЛА на основе новой элементной базы изучена недостаточно. Актуальным является вопрос реализации данных систем в базисе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Особенно привлекательной в данной связи является задача исследования реализации в базисе ПЛИС методов и алгоритмов цифровой фильтрации сигналов, цифровых синтезаторов частоты и анализаторов фаз.

Объект исследования. Вычислительная система посадки ЛА в критических ситуациях.

Предмет исследования. Вопросы разработки бортового комплекса систем посадки ЛА в базисе ПЛИС

Цель работы. Повышение эффективности вычислительной системы посадки ЛА в критических ситуациях путем создания мобильных систем их посадки на основе предлагаемых моделей, методов и алгоритмов, осуществляемых в базисе ПЛИС.

Научная задача работы - разработка моделей, методов алгоритмов и средств построения мобильной вычислительной системы посадки ЛА в базисе ПЛИС.

Решаются следующие подзадачи:

- анализ известных систем автоматизации посадки ЛА; анализ ограничений пространственно и частотно-разнесенной фазовой системы слепой посадки ЛА;

- разработка методов определения координат ЛА в условиях необорудованных площадок и их математическое моделирование;

- анализ и решение проблемы неоднозначности определения расстояний по фазам радиосигналов;

- разработка бортового цифрового приемника в базисе ПЛИС/БРвА, включая вопросы синтеза и анализа сложности реализации цифровых фильтров, управляемого синтезатора частоты, каскадного интегрально-комбинированного фильтра и алгоритма вычисления фаз в базисе ПЛИС.

- создание файлов конфигурации базовых узлов бортового цифрового приемника для ПЛИС/FPGA при использовании САПР Xilinx Foundation Series F.3.1.i.

Методы исследований. При проведении исследований для достижения поставленных задач использовались: теория цифровых радиоприемников; методы теории распространения радиоволн; теория цифровых фильтров; методы цифровой обработки сигналов; аппарат линейной алгебры и дискретной математики; методы моделирования и проектирования.

Научная новизна - работы заключается в том, что

- на основе сравнительного анализа существующих систем посадки JIA обоснована актуальность создания наземно-бортового комплекса мобильного и оперативного развертывания посадки; разработана математическая модель определения местоположения ДА относительно взлетно-посадочной полосы (ВПП);

- предложен метод измерения фазы сложных радиосигналов, * обеспечивающий высокую точность и позволяющий решить проблему неоднозначности фазы;

- предложена и разработана структурная модель наземно-бортового комплекса, реализованного на современных ПЛИС; получены оценки сложности реализации в базисе ПЛИС/FPGA алгоритмов цифровых фильтров, управляемого синтезатора частоты, каскадного интегрально-комбинированного фильтра и вычисления фаз.

Практическая ценность и внедрение результатов. Ценность работы заключается в том, что показана возможность оперативного развертывания на необорудованных посадочных площадках четырех антенн для решения задач МЧС, посадки на льдину, экстренной эвакуации, медицинской помощи и т.п.;

- предложена реализация бортового 8 канального цифрового приемника и задающего генератора-передатчика в базисе ПЛИС/ FPGA;

- разработаны методы и алгоритмы распараллеливания процесса вычислений и потоковой обработки данных в базисе ПЛИС/ FPGA;

- предложенные методы и алгоритмы доведены до инженерных расчетов, созданные файлы конфигураций базовых узлов бортового цифрового приемника позволяют практически реализовать эти узлы по технологии ПЛИС;

- отдельные результаты исследований используются в учебном процессе на кафедрах КИПМЭА и КС КГТУ им. А.Н. Туполева в курсовом и дипломном проектировании.

Достоверность полученных результатов. Подтверждена корректным использованием методов математического моделирования и экспериментальными исследованиями при использовании программных продуктов MicroWare Office, Maple, Visual System Simulator и САПР Xilinx Foundation Series F.3.1 .i.

На защиту выносятся:

1.обоснование необходимости создания мобильной системы оперативного развертывания посадки ЛА;

2. структурная модель разрабатываемой вычислительной системы посадки ЛА;

3. метод определения навигационных координат на основе измерения фазы радиосигналов с устранением ее неоднозначности;

4. оценки эффективности реализации элементов многоканального бортового приемника в базисе ПЛИС/ БРвА;

5. функциональная модель многоканального бортового приемника в базисе ПЛИС/ БРвА.

Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались и обсуждались на ежегодных международных Туполевских чтениях (2004-2006гг.); в трудах 1-го Международного форума (6-й Международной конференции) " Актуальные проблемы современной науки" (Самара, 2005 г.); в материалах региональной научно-методической конференции Профессиональные концепции в структуре модели современного инженера", Нижнекамский филиал КГТУ. ( Казань 2005 г.); в материалах региональной научно-методической конференции " Информационная культура в системе подготовки будущего инженера ", Нижнекамский филиал КГТУ. ( Казань, 2006 г.); на первой научно-технической конференции Зарубежных аспирантов и магистрантов КГТУ им.А.Н.Туполева" ( Казань, 2005 г.); на 4-й ежегодной международной научно-практической конференции Инфокоммуникационные технологии республики Татарстан " (Казань, 2006 г).

Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 13 работах, включая 5 статей, 8 тезисов.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа изложена на 161 странице машинописного текста, содержит 72 рисунка и 6 таблиц, состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 130 наименований и 3 приложений на 20 страницах.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. На основе сравнительного анализа существующих систем посадки ЛА обоснована потребность создания наземно-бортового комплекса мобильного и оперативного развертывания посадки.

2. Предложен новый подход создания мобильных систем посадки на необорудованные площадки.

3. Предложена структурная модель фазовой радионавигационной система посадки самолета. Проведен ее анализ геометрии трасс распространения сигналов и навигационных элементов. Выбраны операционные частоты и режим передачи, согласно таблице распределения частот из статьи 5 Инструкции Международного союза электросвязи (ITU).

4. Предложен метод измерения фазы сложных радиосигналов, обеспечивающий высокую точность и позволяющий решить проблему неоднозначности фазы синтетической длины волны.

5. Разработана структура бортового узкополосного 8-ми канального цифрового приемника и задающего генератора-передатчика.

6. Проведен синтез и анализ бортового цифрового приемника в базисе ПЛИС/FPGA: схем умножения, схем цифровых фильтров, управляемого синтезатора частоты, схем цифровых фильтров, управляемого синтезатора частоты, каскадного интегрально-комбинированного фильтра и CORDIC алгоритма.

7. Разработаны методы и алгоритмы распараллеливания процесса вычислений и потоковой обработки данных в базисе ПЛИС/FPGA.

8. Выполнен комплексный синтез и анализ бортового цифрового приемника в базисе ПЛИС/FPGA при использовании САПР Xilinx Foundation Series F.3.1.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Аксенов В.Б. Рекурсивный цифровой фильтр широкого применения // Вестник КГТУ им. А.Н.Туполева. № 4, 2004. С. 17-18.

2. Ахо А., Хопкрофт Дж., Ульман Дж. Построение и анализ вычислительных алгоритмов. М.: Мир, 1979.

3. Березнев А.Г. и др. Применение программируемых логических интегральных схем архитектуры FPGA в проектировании средств вычислительной техники // Информационные технологии, №1, 1996. С. 34-37.

4. Горгадзе С.Ф. Асимметричные модификации обобщенного быстрого преобразования Фурье и Фурье-Адамара // Радиотехника и электроника, 2005. Т. 50, № 3. С. 302 308.

5. Кайбушев Ф.Х., Саси С.А., Сентез цифровых умножителей в базисе программируемых логических интегральных схем // Тулолевские чтения, международная молодежная научная конференця Казань, 10-11 ноября 2005 г.- том 3, С.33-34.

6. Коханов А.Б., Захаров В.В. Модифицированные алгоритмы обработки сигналов с применением преобразования Хартли // Радиотехника и электроника, 2005. Т. 50, № 12. С. 1476- 1481.

7. Куликов В.Г., Баланов М.Ю. Эффективность адаптивной фильтрации нефлуктуационных помех при приеме сигналов с циклически изменяющимся индексом модуляции // Радиотехника и электроника, 2005. Т. 50, № 1. С. 50-53.

8. Кураков Л.П., Лебедев Е.К. Новые информационные технологии. Чебоксары: изд-во Чувашского ун-та, 2000. -486 с.

9. Мальцев П.П. и др. Программируемые логические ИМС на КМОП-структурах и их применение. М.: Энергоатомиздат, 1998.

10. Мурзаханов З.Г., Шарнин Л.М., Корчагин П. А. Пространственно и частотно-разнесенная фазовая система слепой посадки самолетов. Казань, КГТУ им. А.Н.Туполева, КГУ, 1997

11. Пономарёв В.И. и др. опыт применения ПЛИС в устройствах обработки данных // Информационные технологии, №1, 1996. С. 37-38.

12. Пономарёв В.И., Шабалин Л. А. Проектирование реконфигурируемых устройств обработки цифровых потоков данных // Информационные технологии, №5, 1996. С. 24-28.

13. Рабинер Л., Б.Гоулд. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М.: Мир, 1997.

14. Русяев H.H., Саси С.А., Шарнин Л.М. Анализ геометрии и погрешностей автоматизации посадки самолета по многочастотным сигналам // Вестник Казанского государственного технического университета Казань:

15. Изд-во КГТУ им. А. Н. Туполева, Казань, 2006. № 2- С.56-59.

16. Русяев H.H., Саси С. А., Шарнин JI.M. Анализ погрешностей системы автоматизации посадки самолета многочастотным сигналам // Сб. " Электронное приборостроение ". Вып.4(45). Научно-практический сборник. КГТУ. Казань, 1-2 февраля 2005.- С. 17-20.

17. Русяев H.H., Саси С.А., Шарнин JIM. Анализ фазовой радионавигационной системы автоматизации посадки самолета // Сб. " Электронное приборостроение ". Вып.3(44). Научно-практический сборник. КГТУ. Казань, 1-2 февраля 2005.-С.7-11.

18. Саси С. А. Анализ фазовой радионавигационой системы посадки самолета // Первая научно-техническая конференция " зарубежных аспирантов и магистрантов КГТУ им.А.Н.Туполева", Казань, 2005.- С.24.

19. Саси С. А. моделирование фазовой мноогочастотной автоматизированной системы посадки самолетов // XII Тулолевские чтения, международная молодежная научная конференця Казань, 10-11 ноября 2004 г.-том I, С.15-16.

20. Саси С.А. Реализация каскаднного интекгрирующего узкополосного фильтра в базисе программируемых интегральных схем // XIV Тулолевские чтения, международная молодежная научная конференця Казань, ноября 2006 г.- том 6, С.40-42.

21. Саси С.А., Шалагин C.B., Шарнин Л.М. Оценки сложности архитектур умножителей в базисе ПЛИС/FPGA // Сб. «Исследования по информатике». Вып. 9. Казань: «Отечество», 2005. С. 71 80.

22. Сергиенко А.Б., Цифровая обработка сигналов. Изд-во Питер. 2005.

23. Солонина А.И, Улахович Д.А. Арбузов С.М., Соловьева Е.Б., Основы цифровой обработки сигналов. БХВ -Петербург. 2005.

24. Толок В.И., И.В.Толок радиоэлектронное оборудование самолетов : Учебное пособие. Казань: Изд-во Казан . гос. техн.ун-та. 2003. с. ISBN 5-7579.

25. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. СПб.: БХВ-Петербург, 2004. 528 с.

26. Шалагин С.В. Экспериментальное исследование методики синтеза комбинационных схем на программируемых микросхемах класса FPGA // Микроэлектроника, 2004, том 33, №1. М.: МАИК "Наука / Интерпериодика". С. 56-67.

27. A KCM Core in Lava, www.xilinx.com

28. A. Bellaouar, M. O'brecht, A. Fahim, and M. Elmasry, Low-Power Direct Digital Frequency Synthesis for Wireless Communications, IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 35, no. 3, Mar. 2000, pp. 385-390

29. Ahmed M. Eltawil and Babak Daneshrad, Interpolation Based Direct Digital Frequency Synthesis forWireless Communications, IEEE 2002 (pp 73-77).

30. Alan V. Oppenheim and Ronald W. Schafer. Discrete-Time Signal Processing. Pretice-Hall Signal Processing Series. Prentice-Hall, Englewood, 1989.

31. Alan Y. Kwentus, Member, IEEE, Zhongnong Jiang, and Alan N. Willson, Jr., Fellow, IEEE, Application of Filter Sharpening to Cascaded-Integrator-Comb Decimation Filters", IEEE Transactions on Signal Processing,Vol.45, No.2,Februaryl997.

32. Alex E. Smith, comprehensive MLS testing for category I, II & III operation. 1989 IEEE. Presented at the Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, Montreal, PQ, Canada, September 17-20, 1989.

33. Andraka R. A survey of cordic algorithms for fpga based computers. In Proceedings of the 1998 ACM/SIGDA sixth international symposium on Field Programmable Gate Arrays, pages 191-200, Monterey, CA, Feb.22-24 1998.

34. Andrew Wood, FAA cuts LAAS funding, leaving program in limbo, Aviation International News, March 2004.

35. Antonia Azzinia, Matteo Bettonia, Valentino Liberalia, Roberto Rossib, and Andrea Tettamanzia, Evolutionary Design and FPGA Implementation of Digital Filters

36. B.H. Hutchision, Jr., Frequency Synthesis and Applications. New York: IEEE Press, 1975.

37. Bastide F., D. Akos, C. Macabiau and B. Roturier (2003), Automatic Gain Control (AGC) as an Interference Assessment Tool, Proceedings of ION GPS 2003, Portland, OR, September 9-12, pp. 2042-2053.

38. Bellaouar, A.; Obrecht, M.; Fahim, A.; Elmasry, M.I. Custom Integrated Circuits, 1999. Proceedings of the IEEE 1999, 1999 p 593 -596

39. Bond K. and J. Brading (2000), Location of GPS Interference using Adaptive Antenna Technology, Proceedings of ION GPS 2000, Salt Lake City, UT, September 19-22, pp. 512-518.

40. Bradford W. Parkinson, GPS Eyewitness: The Early Years. GPS World 5, no. 9 (September 1994): p32-45.

41. Brian Evans, MLS Back to the Future, aviation today April 1, 2003, Copyright © 2006 Access Intelligence, LLC. http://www.aviationtoday.com.

42. Brown A., D. Reynolds, D. Roberts and S. Serie (1999), Jammer and Interference Location System Design and Initial Test Results, Proceedings of ION GPS 1999, Nashville, TN, September 14-17, pp. 137-142.

43. Burns J., C. Cutright and M. Braasch (2002), Investigation of GPS Software Radio Performance in Combating Narrow Band Interference, Proceedings of ION AM 2002, Albuquerque, NM, June 24-26, pp. 523-530.

44. Chi-Jui Chou, Satish Mohanakrishnan, and Joseph B. Evans, "FPGA Implementation of Digital Filters", Proc. Int. Conf. Signal Proc. Appl. & Tech. (ICSPAT'93), 1993.

45. Civil Aviation Authority, GPS Integrity and Potential Impact on Aviation Safety. April 2004.

46. Clay Olmstead and Mike Petrowski, Digital IF Processing. TBD, September 1994, pg. 30 40.

47. Considine V. CORDIC trigonometric function generator for DSP. In IEEE-89, International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, pages 2381 2384, Glasgow, Scottland, May 1989.

48. Crane Carl Joseph, Aircraft visual approach/landing reproducer device and system. FreePatentsOnline.com 2006.

49. Cutright C., J. Burns and M. Braasch (2003), Characterization of Narrow-Band Interference Mitigation Performance Versus Quantization Error in Software Radios, Proceedings of ION AM 2003, Albuquerque, NM, June 23-25, pp. 323-332.

50. D. De Caro, E. Napoli, and A. G. M. Strollo, "Direct digital frequency synthesizers using high-order polynomial approximation," Int'l Solid-State Circuits Conf. Dig. Tech. Papers, pp. 134-135,2002.

51. D. van Willigen, E.J. Breeuwer, Radio Navigation, Delft University of Technology 2005.

52. D.Sunderland, R.Strauch, S.Wharfield, H.Peterson, and C.Cole, CMOS/SOS frequency synthesizer LSI circuit for spread spectrum communications, IEEE J. Solid-state Circuits, vol. SC-19,pp 497-505, Aug. 1984.

53. Digital Techniques in Frequency Synthesis, B.Goldberg, New York: McGraw-Hill, 1996.

54. E. B. Hogenauer. An economical class of digital filters for decimation and interpolation. IEEE Transactions on Acoustics, Speech and Signal Processing, ASSP-29(2): 155-162, April 1981.

55. Escobar A. and J. Harper (2001), High Temperature Superconducting Filters for GPS Interference Mitigation, Proceedings of ION NTM 2001, Long Beach, CA, January 2224, pp. 364-368.

56. Fontana, R., Cheung, W., Novak, P. M., Stansell, T. A., "The New L2 Civil Signal," Proceedings of ION GPS 2001, Salt Lake City, UT, September 11-14,2001.

57. FPGA-based FIR Filter Using Bit-Serial Digital Signal Processing Application Note Atmel Corporation 1999.

58. G.Goslin, and Bruce Newgard, "16-Tap, 8-bit FIR Filter Application Guide", Xilinx Inc., http: \www.xilinx.com, 1994.

59. Gormov K., D. Akos, S. Pullen, P. Enge and B. Parkinson (2000), Generalized Interference Detection and Localization System, Proceedings of ION GPS 2000, Salt Lake City, UT, September 19-22, pp. 447-457.

60. Gouzhva Yuri G. and Arvid G. Guevorkyan, Arkady B. Bassevich, Pyotr P. Bogdanov, High-Precision Time and Frequency Dissemination With Glonass. GPS World 3, no. 7 July/August 1992: p40-49.

61. Gregory R. Goslin, Using Xilinx FPGAs to Design Custom Digital Signal Processing Devices, by Corporate Applications Engineer, Xilinx, Inc.

62. H. T. Nicholas, III and H. Samueli, "A 150-MHz direct digital frequency synthesizer in 1.25-lm CMOS with -90-dBc spurious performance," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 26, pp. 19591969, 1991.

63. H. T. Nicholas, III, H. Samueli, and B. Kim, "The optimization of direct digital frequency synthesizer performance in the presence of finite word length effects," 42nd Annu. Frequency Contr. Symp. (USERACOM), pp. 357-368, 1988.

64. ICAO POSITION FOR THE ITU WRC-2003.

65. J. Mitola, "The Software Radio Architecture", IEEE Communications Magazine, Vol.33 No.5, pp.26-38, February

66. J. Sevenhans, B. Verstraeten, S. Taraborrelli, Trends in Silicon Radio Large Scale Integration: Zero IF Receiver! Zero I & Q Transmitter! Zero Discrete Passives/,

67. J. Vails, T. Sansaloni, M. M. Peiro, and E. Boemo, A STUDY ABOUT FPGA-BASED DIGITAL FILTERS.

68. J. Vankka, "Methods of mapping from phase to sine amplitude in direct digital synthesis," 1996 IEEE International Frequency Contr. Symp., pp. 942-950, 1996.

69. J. Voider, "The CORDIC trigonometric computing technique," IRE Trans. Electron. Comput. Vol. EC-8, pp. 330-334, 1959.

70. J.Tierney, C.M.Radre, and B.Gold, A Digital Frequency Synthesizer, IEEE Transactions on Audio and Electroacoustics, March 1971.

71. James A. Crawford, Frequency Synthesizer Design Handbook. 1994.

72. Javier Vails and Eduardo Boemo, Efficient FPGA-Implementation of Two's Complement Digit-Serial/Parallel Multipliers, IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS-II: ANALOG AND DIGITAL SIGNAL PROCESSING, VOL. 50, NO. 6, JUNE 2003.

73. Jiang and E. Lee, A ROM-less Direct Digital Frequency Synthesizer Using Segmented Nonlinear Digital-to-Analog Converter, in IEEE Custom Integrated Circuits Conference, 2001, pp. 165-168.

74. Jon Hilkevitch, New technology gives pilots perfect view in rain, fog or gloom of night. Chicago Tribune, 2006.

75. Jung, J., High Integrity Carrier Phase Navigation Using Multiple Civil GPS Signals, PhD Thesis, Department of Aeronautics and Astronautics, Stanford University, August, 2000.

76. Kai Hwang, Computer Arithmetic: Principles, Architecture, and Design. John Wiley fc Sons, 1979.

77. Kaplan, Elliott D., editor. Understanding GPS: principles and applications, Boston: Artech House, cl996.

78. Ken Chapman, Building High Performance FIR Filters Using KCM's Xilinx Ltd UK, July 1996.

79. Kunysz W. (2001), Advanced Pinwheel Compact Controlled Reception Pattern Antenna designed for Interference and Multipath Mitigation, Proceedings of ION GPS 2001, Salt Lake City, UT, September 11-14, pp. 2030-2036.

80. Loke Kun Tan and Henry Samueli, A 200 MHz Quadrature Digital Synthesizer/Mixer in 0.8 m CMOS, IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 30, NO. 3, MARCH 1995 (pp 193-200).

81. Lucent Technologies Inc, "Create Multiply Accumulate Functions in ORCA FPGAs", Article from Synario Design Automation, 1996.

82. M. J. Flanagan and G. A. Zimmerman, "Spur-reduced digital sinusoid synthesis," IEEE Trans. Communications, vol. 43, pp. 2254-2262, 1995.

83. M. P. Donadio. CIC filter introduction, 7 2000. For free publication by Iowegian.

84. M.E. Frerking. Digital signal processing in communication systems. Chapman & Hall, 1993.

85. McDonald, K. D., Hegarty, C., "Post-Modernization GPS Performance Capabilities," Proceedings of ION Annual Meeting 2000, San Diego, CA, June 26-28, 2000.

86. McElhannon Raymond, Laser guided blind landing system for aircraft. FreePatentsOnline.com, 2006.

87. Moore T. and I. Gupta (2003), The Effect of Interference Power and Bandwidth on Space-Time Adaptive Processing, Proceedings of ION AM 2003, Albuquerque, NM, June 23-25, pp. 337-346.

88. Muller J. M. Elementary Functions Algorithms and Implementation, chapter 6, page 102. Birkhauser, 1997.

89. Multiplication in FPGAs. Andraka Consulting Group, Inc., 2003. http://www.andraka.com/.

90. Peebles, P.Z., Jr. 1998. Radar principles. John wiley and Sons, Inc., New York, N.Y.

91. Peter J. de Groot, Extending the unambiguous range of two-color interferometers, 1 September 1994 / Vol. 33, No. 25 / APPLIED OPTICS.

92. Proakis, John G. Digital signal processing: principles, algorithms, and applications /, John G. Proakis, Dimitris G. Manolakis. 3rd ed. Upper Saddle River, N.J.: Prentice Hall, cl996. 1 v.

93. R. E. Crochiere and L. R. Rabiner. Multirate Digital Signal Processing. Prentice Hall, Inc., 1983.

94. R. H. Walden, Analog-to-Digital Converter Survey and Analysis, IEEE JSAC, Vol.17, No. 4, April 1999.

95. R. Jain, H. Samueli, P. T. Yang, C. Chien, G. G. Chen, L. K. Lau, B. Chung, and E. G. Cohen, "Computer-aided design of a BPSK spreadspectrum chip set," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 27, pp. 44-58, 1992.

96. R. Petersen and B. Hutchings, "An Assessment of the Suitability of FPGA-based Systems for Use in DSPs", in 5th International Workshop on Field-Programmable Logic and Applications, Oxford, England, Aug. 1995.

97. R.F. Lyon. Two's complement pipeline multipliers. IEEE Transactions On Communications, pages 418-424, April 1976.

98. RJ.Andraka, "FIR filters fits in FPGAs using a Bit-Serial approach", 3rd PLD Conference, Mar 1993.

99. Richard Groshong and Stephen Ruscak, Under-sampling Techniques Simplify Digital Radio, Electronic Design, May 23, 1991, p. 67-78.

100. Rodger H. Hosking, Digital Receiver Handbook: Basics of Software Radio, Fourth Edition, 2003 Pentek Inc.

101. Roger Mola, Aircraft Landing Technology, U.S. centennial of flight 2006. www.centennialofflight.gov.

102. S.D. Pezaris, "A 40 17bit Array Multiplier," IEEE Trans, on Computers, vol. 20, pp. 442-447,1971.

103. Sandra I. Erwin, Digital Visual-Aid Technology Helps Pilots 'Own the Weather', National Defense Industrial Association, February 2003.

104. Shau-Shinu J. and P. Enge (2001), Finding Source of Electromagnetic Interference (EMI) to GPS Using Network Sensors, Proceedings of ION NTM 2001, Long Beach, CA, January 22-24, pp. 533-540.

105. Soft Multipliers for DSP Applications, Altera Corporation, May 2003, ver. 1.0.

106. The Omega System of Global Navigation, Coast Guard Engineers Digest No. 152 (Jul-Aug-Sep, 1966), pp. 26-33.

107. The role of the distributed arithmetic in FPGA-based signal processing, Xilinx Inc., httpAwww.xilinx.com.

108. Tien-Toan Do, Holger Kropp, Carsten Reuter, Peter Pirsch. Alternative Approaches Implementing High-Performance FIR Filters on Lookup Table-Based FPGAs.

109. Timmermann D., Hahn H., and B. J. Hosticka, "Low latency time CORDIC algorithms," IEEE Trans. Computers, vol. 41, pp. 1010-1015, 1992.

110. Tom Kean, Bernie New and Bob Slous, A Fast Constant Coefficient Multiplier for the XC6200, Xilinx Inc. A KCM Core in Lava, Copyright 1994-2003 Xilinx, Inc.

111. Using Embedded Multipliers in Spartan-3 FPGAs, Application Note: Spartan-3, XAPP467 (vl.l) May 13, 2003.

112. Van Dierendonck, A. J., "Signal Specification for the Future GPS Civil Signal at L5," Proceedings of ION Annual Meeting 2000, San Diego, CA, June 26-28,2000.

113. Voider J. E. The CORDIC trigonometric computing technique. In IRE Trans. Electronic Computing, volume EC-8, pages 330 -334, 1959.

114. W. Namgoong, T. H. Meng, Direct-Conversion RF Receiver Design, IEEE Transactions on Communications, Vol. 49, No. 2, March 2001.

115. Walther J.S., A unified algorithm for elementary functions. In Spring Joint Computer Conference, pages 379 385, 1971.

116. Wysocki Joseph Lt. Col., GPS and Selective Availability The Military Perspective" GPS World 2, no. 7 (July/August 1991): p38-44.

117. Xilinx Corporation Inc, Programmable logic Data book, 2000.

118. Xilinx, "The fastest filter in the west", Xilinx Inc., http:\www.xilinx.com. July 1996.

119. Xilinx. Cascaded integrator-comb (CIC) filter. http://www.xilinx.com, 10 2001. Product specification.

120. Xilinx. The Programmable Logic Data Book 1998, Copyright 1998 Xilinx, Inc., Printed in U.S.A.