Автореферат (Помехоустойчивость многоканальной передачи информации при кодировании перспективных сигналов системы ГЛОНАСС), страница 2

Использование меандровогозаполнения расширяет спектр дальномерного сигнала, что обеспечивает болееэффективное использование выделенной полосы частот. Более короткиеимпульсы меандрового заполнения обостряют основной пик корреляционнойфункции дальномерного сигнала, что приводит к повышению точностиизмеренияпсевдофазы.НедостаткоммодуляцииBOCявляется«многопиковость» АКФ на интервале элементарного символа дальномернойПСП, которая может приводить к захвату ложного пика в аппаратурепотребителя (АП).ВперспективныхподвергаютсясигналахГНССдальномерныеПСПчастодополнительной модуляции с помощью оверлейных кодов.8Такая модуляция улучшает работу системы синхронизации АП, расщепляетмощные компоненты в спектре сигнала на менее мощные составляющие иулучшает корреляционные свойства ПСП.Отдельно следует выделить новый метод передачи информации вперспективном сигнале LEX японской системы QZSS.

Передача информации вэтомсигналеосуществляетсяпосылками,образуемыми8двоичнымисимволами. Для передачи 256 таких возможных посылок каждый космическийаппарат использует 256 квазиортогональных ПСП, получаемых из уникальнойдля каждого космического аппарата ПСП путем её циклического сдвига. Такимобразом, в сигнале LEX системы QZSS используется принципиально новыйспособ передачи информации на основе применения многопозиционногоортогональногокодирования.Такоекодированиепозволяетповыситьпомехоустойчивость и скорость передачи информации.  Во второй главе проведеноисследование корреляционных свойствсигналов современных ГНСС с учетом применяемых в них методовдальномерного и оверлейного кодирования. На основе полученных результатовсделаны предложения по формированию дальномерных и оверлейных кодов вперспективных сигналах ГЛОНАСС.В качестве параметров корреляционных свойств сигналов рассматривалиськвадратмаксимальногобоковогопикадвумерныхавто-ивзаимокорреляционных функций (ДАКФ, ДВКФ) ρ2max, что соответствуетмаксимальнойотносительноймощностиПМД, исреднеквадратическоезначение всех боковых лепестков ДАКФ и ДВКФ ρ2m, что соответствуетсредней относительной мощности ПМД (таблица 1).Выбор длины последовательности дальномерного кода может зависеть отпараметров поднесущей меандровой модуляции.

У перспективных сигналовГЛОНАСС для диапазона L1 существует требование, ограничивающее уровеньизлучения в расположенной справа, рядом с диапазоном, выделенным дляГЛОНАСС, радиоастрономической полосе (1610,6 – 1613,8 МГц). Наиболееперспективным способом удовлетворения данного требования в литературе9считается использованию сигналов ВОС(6,4). Тактовая частота следованиясимволов дальномерного кода в таком сигнале составляет 4,092 МГц, что придлительности периода дальномерного кода 1 мс определяет требуемую длинупоследовательности 4092 символа.

В диссертации проведено сравнениекорреляционныхсвойствразныхпсевдослучайныхпоследовательностейдлиной 4092 символа: дальномерных кодов в перспективных сигналах GalileoE1B, последовательностей Вейла и последовательностей Касами, порождаемыхпростыми схемами генерации (таблица 1).В большинстве перспективных навигационных сигналов мировых ГНССпринята длина периода дальномерного кода 10230 символов. Для обеспечениясовместимостивперспективныхсигналахГЛОНАССпредполагаетсяиспользовать последовательности такой длины.

В диссертации проведеносравнение корреляционных свойств псевдослучайных последовательностей,используемых в качестве дальномерных кодов в перспективных сигналахGalileo E5, GPS L5I и L5Q, GPS L1C, а также последовательностей Касами,порождаемых простыми схемами генерации.Таблица 1 – Корреляционные свойства последовательностейПСПДлинаПСПДАКФρ2max, дБДАКФρ2m, дБДВКФρ2max, дБДВКФρ2m, дБКасамиGalileo E1BВейлGalileo E5aGalileo E5bGPS L5IGPS L5QGPS L1C ВейлКасами409240924092102301023010230102301023010230-26.2-24.3-24.3-28.7-29.0-28.4-28.2-28.5-28.4-36.1-36.1-36.1-40.1-40.1-40.1-40.1-40.1-40.1-25.9-25.1-25.2-28.3-27.4-28.5-28.5-28.8-28.5-36.1-36.1-36.1-40.1-40.1-40.1-40.1-40.1-40.1Характерные гистограммы распределения величин боковых лепестковДАКФ и ДВКФ для последовательностей Касами, усеченных до длины 10230символов приведены на рисунках 1 и 2.

Установлено, что распределение10величинлепестковкорреляционныхфункцийдляразныхвидовпоследовательностей одинаковой длины является практически одинаковым.Рисунок 1 – Гистограмма величин лепестков ДАКФ последовательностейКасами длиной 10230 символовРисунок 2 – Гистограмма величин лепестков ДВКФ последовательностейКасами длиной 10230 символовИз сравнения строк таблицы 1 и анализа гистограмм можно сделатьвывод о том, что при одинаковой длине ПСП нет заметного отличия11корреляционных свойств рассмотренных кодовых ансамблей.

Следовательно,для использования в качестве дальномерных можно рекомендовать ПСП,порождаемые наиболее простыми схемами генерации.В сигналах GPS L1C и Galileo Е5а-Q, E5b-Q применяются различающиесяоверлейные коды для модуляции дальномерных сигналов разных НКА. Всигналах GPS L5 и Galileo Е5а-I, E5b-I, E1-C, также использующих оверлейноекодирование, применяется один и тот же оверлейный код для модуляциисигналов всех космических аппартов. В работе путем моделирования проведеносравнение авто- и взаимокорреляционных свойств дальномерных кодов,промодулированных одинаковыми и разными оверлейными кодами. Былиисследованы авто- и взаимокорреляционные свойства дальномерных иоверлейных кодов из ансамблей сигналов Galileo E5a-Q.

Найдены величинылепестков ДАКФ и ДВКФ кодовых последовательностей для обоих случаев,представленные в таблице 2.исследованияДля сравнения были проведены аналогичныекорреляционныхсвойствдвухслойныхкодовыхпоследовательностей, полученных на основе последовательностей Кассами,усеченных до длины 10230 символов, которые обладают более простой схемойгенерации, чем коды Galileo.Таблица 2 – Корреляционные свойства сигналов при оверлейном кодированииДальномерныекодыОверлейныекодыДАКФρ2max, дБДАКФρ2m, дБДВКФρ2max, дБДВКФρ2m, дБGalileo E5aРазныеОдинаковыеРазныеОдинаковые-12.3-12.9-12.3-12.9-57.4-57.4-57.4-57.4-41.2-29.8-42.4-31.5-60.0-59.9-60.2-60.0КасамиИз полученных результатов можно сделать вывод о том, чтоиспользование последовательностей Касами и последовательностей Galileo соверлейным кодированием, практически не различается по корреляционнымсвойствам.

При этом применение разных оверлейных кодов в сигналах разных12космических аппаратов практически не влияет на средние величины лепестков,но значительно уменьшает максимальную величину лепестков ДВКФ. Такимобразом, применение разных оверлейных кодов для модуляции дальномерныхсигналов в разных космических аппаратов может быть оправдано в случаеустановки жестких требований по величине максимальной ПМД.Втретьейглавепроведенобзорсуществующихметодовпомехоустойчивого кодирования в сигналах ГНСС и предложены новыеспособы повышения помехоустойчивости при передаче навигационныхданных.В подавляющем числе современных и перспективных навигационныхсигналов ГНСС с кодовым разделением передача информационных символовосуществляется путем модуляции ФМ2 или ОФМ2 отрезков, из одного либонескольких периодов уникальной для каждого космического аппаратадальномерной ПСП.

Эта ПСП (прямая или инвертированная) модулируетсоответствующий несущий сигнал. Под ПСП здесь понимается дальномерныйкод, либо дальномерный код, подвергнутый дополнительным преобразованиям,таким как, изменение формы чипа для получения BOC модуляции, оверлейноекодирование и пр. – в любом случае возможных посылок всего две, и этипосылки противоположны. Таким образом, для передачи информациииспользуются только бинарные противоположные сигналы – один битпередается одним или несколькими периодами некоторой ПСП или ееинверсией.Разделение спутниковых сигналов в приемнике основано на вычислениистепени корреляции принимаемого сигнала с опорной немодулированной ПСП,на интервале интегрирования, который не может превышать длительностиинформационныхсимволов.Длядостижениянизкогоуровняпомехмножественного доступа (ПМД) количество N элементарных символов ПСП,укладывающихсяинформационногонаинтервалесимвола)должноинтегрированиябытьдостаточно(длительностибольшим(в13перспективных сигналах N>4·103).

При полосе W, выделенной для ГНСС,длительность информационного символа ограничивается величиной 2N/W ипоэтому скорость передачи информации не может превышать W/2N. Т. е. прииспользовании модуляции ФМ2 или ОФМ2 требование низкого уровня ПМДограничивает скорость передачи информационных символов, а используемаядля этого полоса W/2N составляет ничтожную часть W.Для преодоления указанного ограничения в работе предложено вместомодуляции ФМ2 (ОФМ2) использовать многозначную передачу информации,при которой каждому космическому аппарату вместо одной выделяется 2mуникальных для этого космического аппарата квазиортогональных ПСП.

Придлине периода ПСП >4·103 нетрудно подобрать нужное количество таких ПСПс низким уровнем ПМД для всех космических аппаратов системы.Передача каждой такой ПСП означает передачу m двоичных символов, т.е. скорость передачи НС R возрастает в m раз. Известный из теории связиосновнойнедостатокортогональныхсигналов,заключающийсявсущественном расширении их спектра по сравнению с ФМ2 (примерно в 2m/mраз), не проявляется в ГНСС, где для обеспечения высокой точностиместоопределений для размещения сигналов выделены полосы в десяткимегагерц. Это существенно больше, чем ширина полосы Δf=(R·2m)/m прилюбых m, приемлемых с точки зрения сложности построения приемногоустройства, которая возрастает по мере роста m.В диссертации были вычислены зависимости вероятности ошибки на битпри m=6;8;10 для когерентного приема ортогональных сигналов и модуляцииФМ2 в канале с аддитивным белым гауссовым шумом.

Результаты показывают,что энергетический выигрыш когерентного приема ортогональных сигналов посравнению с используемой в настоящее время ФМ2 составляет при m=6 около3,5 дБ, при m=8 около 4,5 дБ, при m=10 около 5 дБ. Для сравнения быливычислены также характеристики некогерентного (не предполагающегоиспользования ФАП) приема, из которых следует, что при некогерентномприеме ортогональных сигналов уступает когерентному приему менее чем на 114дБ. Это открывает перспективу использования некогерентного приемаортогональных сигналов в условиях низкого отношения сигнал/шум, когданарушается работоспособность ФАП и, следовательно, когерентный приемстановится невозможным.Также было рассмотрено каскадное помехоустойчивое кодирование, где вкачестве внутреннего кода используются ортогональные многопозиционныесигналы, а внешним кодом является многоосновный (M=256) код РидаCоломона(РС).Дляпомехоустойчивостисравнениядругихбылиметодовполученыхарактеристикипомехоустойчивогокодирования:сверточного кода со скоростью R=1/2 и длиной кодового ограничения K=7,применяемого в перспективных сигналах Galileo и в сигналах L2C и L5системы GPS, а также кодов Хемминга, применяемых в старых сигналахГЛОНАССиGPS.помехоустойчивостиНарисункерассмотренных3приведеныметодовхарактеристикипомехоустойчивогокодирования.

 Рисунок3–Вероятностьпомехоустойчивого кодирования  битовойошибкиразныхметодов15Из сравнения полученных результатов можно заключить, что применениеортогональных многопозиционных сигналов в сочетании с кодом РС привероятности битовой ошибки 10-6 по сравнению с используемым в настоящеевремя сверточным кодированием дает энергетический выигрыш более 2,5 дБ,по сравнению с кодами Хемминга около 5 дБ, по сравнению с безызбыточнымкодированием сигналов ФМ2 около 8 дБ. Следует отметить, что минимальновозможное значение битового отношения сигнал/шум определяется пределомШеннона и составляет -1,6 дБ.