Диссертация (Исследование характеристик шумоподобных сигналов на многопозиционных поднесущих и разработка алгоритмов их обработки для спутниковых радионавигационных систем)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯМОСКОВСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СВЯЗИ И ИНФОРМАТИКИНа правах рукописиБОЙКОВ ВЛАДИМИР ВИКТОРОВИЧИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ШУМОПОДОБНЫХ СИГНАЛОВНА МНОГОПОЗИЦИОННЫХ ПОДНЕСУЩИХ ИРАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ИХ ОБРАБОТКИ ДЛЯ СПУТНИКОВЫХРАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМСпециальность 05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы и устройствателевиденияДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководительд.т.н., профессорГоргадзе Светлана ФеликсовнаМосква – 2015СодержаниеСокращения и обозначения ................................................................................... 4Введение ....................................................................................................................

51.1. Обзор базовых свойств современных СРНС ................................................................... 111.2. Структуры шумоподобных сигналов, применяемых в СРНС ......................................... 161.3. Структуры меандровых сигналов СРНС ..........................................................................

211.4. Формы основных корреляционных пиков меандровых сигналов ................................... 281.5. Энергетические спектры одиночных импульсов меандровых сигналов ........................ 311.6. Сравнительный анализ характеристик навигационных сигналов ...................................

35Выводы к главе 1...................................................................................................................... 382.РАЗРАБОТКАМЕАНДРОВЫХСИГНАЛОВСМНОГОПОЗИЦИОННЫМИ ПОДНЕСУЩИМИ И ИССЛЕДОВАНИЕХАРАКТЕРИСТИК ИХ КОРРЕЛЯЦИОННЫХ ФУНКЦИЙ ........................ 402.1. Структурные свойства навигационных сигналов, формируемых на основемногопозиционных ПСП ......................................................................................................... 402.2. Исследование формы основного пика АКФ сигналов на основе многопозиционныхподнесущих ..............................................................................................................................

432.3. Исследование характеристик боковых пиков АКФ и корреляционных свойств сигналовна основе многопозиционных поднесущих. ........................................................................... 49Выводы к главе 2...................................................................................................................... 603. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ АНАЛИЗА И ИССЛЕДОВАНИЕСПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НАВИГАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ.................................................................................................................................. 623.1.

Разработка методики анализа энергетических спектров двоичных шумоподобныхсигналов.................................................................................................................................... 623.2. Спектральные свойства навигационных сигналов на многопозиционных поднесущих 66Выводы к главе 3...................................................................................................................... 804.РАЗРАБОТКАИАНАЛИЗЭФФЕКТИВНОСТИКВАЗИОПТИМАЛЬНЫХ УСКОРЕННЫХ АЛГОРОИТМОВ ПОИСКА ИОБНАРУЖЕНИЯ НАВИГАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ ................................... 814.1. Взаимодействие элементов структурной схемы устройства поиска и синхронизациишумоподобного сигнала ..........................................................................................................

814.2. Базовый алгоритм работы устройства поиска шумоподобного сигнала ........................ 824.3. Ускоренный поиск (обнаружение) шумоподобного сигнала .......................................... 854.4. Ускоренное обнаружение меандровых сигналов и сигналов с многопозиционнымиподнесущими............................................................................................................................ 944.5. Сопоставление вычислительной сложности алгоритмов ускоренного обнаружениянавигационных сигналов .........................................................................................................

974.6. Характеристики ускоренного обнаружения сигнала в УПС ........................................... 98Выводы к главе 4.................................................................................................................... 1002Заключение .......................................................................................................... 102Литература ...........................................................................................................

104Приложение 1 ....................................................................................................... 114Приложение 2 ....................................................................................................... 115Приложение 3 .......................................................................................................

117Приложение 4 ....................................................................................................... 1183Сокращения и обозначенияСРНС– Спутниковая РадиоНавигационная СистемаКА– Космический аппарат (спутник) СРНСПСП– ПсевдоСлучайная ПоследовательностьМП– последовательность максимальной длины (М-последовательность)МС– меандровые сигналыFDMA– Frequency Division Multiple Access/мультиплексирование с частотным разделениемCDMA– Code Division Multiple Access/мультиплексирование с кодовымразделениемФМ– фазовая модуляцияФМн– фазовая манипуляцияВОС– binary offset carrier modulatedМВОС– Multiplexed BOCTMBOC– Time-Multiplexed BOCCBOC– Composite BOCAltBOC– сигналы Alternative BOCГЛОНАСС – Глобальная навигационная спутниковая система (GLONASS)GPS– Global Positioning System (система глобального позиционирования)Galileo– совместный проект спутниковой системы навигации Европейскогосоюза и Европейского космического агентстваСлС– сложный сигналКФ– корреляционная функцияАКФ– автокорреляционная функцияВКФ– взаимнокорреляционная функцияДКФ– двумерная корреляционная функцияАПВ– автоматическая подстройка времени4ВведениеАктуальность исследования.

В настоящее время активно разрабатываютсяи применяются спутниковые радионавигационные системы (СРНС) – это, вчастности, GPS, частичная эксплуатация которой началась в 1973 году, ГЛОНАСС, внедряющаяся Федеральным Космическим Агентством (Росавиакосмос)под эгидой Министерства обороны РФ. Окончательный ввод в эксплуатациюспутниковой группировки европейской многоцелевой навигационной системыGALILEO предполагается в 2020 году. Также введены в эксплуатацию японскаяQuasi-Zenith Satellite System (QZSS), а также китайская СРНС COMPASS [1-5,711,28,29,31,67,69].В гражданском сегменте GPS и ГЛОНАСС применяются следующие измерительные сигналы: L1 C/A на несущей частоте 1575,42 МГц при кодовом разделении сигналов спутников (GPS), а также L1 на средней несущей частоте1602,00 МГц при частотном разделении (ГЛОНАСС). В военном сегменте и дляспециальных потребителей используют закрытые сигналы P(Y) и L2.

На их основе в вышеназванных системах удается обеспечить текущую точность позиционирования 3-5 метров по горизонтали и 5-10 метров по вертикали при покрытии 95% территории земной поверхности [28,44,69].Но в настоящее время во многих приложениях необходимая точность позиционирования составляет менее метра при реализации единых принципов формирования применяемых сигналов на всех функционирующих СРНС. Этодолжно привести к качественному скачку в обеспечении электромагнитнойсовместимости большого числа военных и гражданских СРНС, работающих в Lдиапазоне (L1 (1575,42 МГц) и L5 (1176,45 МГц)), а также возможности использования малогабаритных абонентских терминалов для приема сигналов нескольких спутниковых группировок одновременно. Поэтому в последнее времянаряду с традиционными шумоподобными сигналами в GPS, Galileo, а также вQZSS используются новые классы радиосигналов, основу которых составляюттак называемые ВОС (binary offset carrier modulated) -сигналы.

Это собственноВОС-сигналы, а также МВОС-сигналы (Multiplexed BOC), разновидностями которых являются TMBOC-сигналы (Time-Multiplexed BOC) и CBOC-сигналы(Composite BOC), а также AltBOC-сигналы (Alternative BOC) ) [1,2,4,23]. В5частности, сигналы ВОС(10,5) и ВОС (1,1) используются во всех вышеперечисленных СРНС, а МВОС(6,1,1/11) – в модернизированной GPS при формировании L1C-сигналов и в Galileo применительно к E1OS-сигналам.

Сигналы AltBOC(15,10) применяются в Galileo [4,23-25].Исследование характеристик новых типов сигналов и разработка устройствих обработки для спутниковых СРНС производилось в работах Вetz J.W., BlancoM. A., Cahn Ch. R., Progri F., Brumberg M., Michahon W., Wang J., AvilaRodriguez J.A., Hein G.W., Wallner S. A., Ярлыкова М.С., Харисова В.Н, ПероваА.И.

Как показал анализ этих работ, основной особенностью ВОС-сигналов является выделение центральной области у основного пика их автокорреляционных функций (АКФ), а у их разновидностей - TMBOC- и CBOC-сигналов «обострение» этого пика, по сравнению с традиционными шумоподобнымисигналами [1-11,12-27,32-34,37-42]. При этом отношение сигнал/помеха, требующееся для измерения параметров навигационного сигнала с допустимой погрешностью, в системах с ВОС-сигналами при их кодовом разделении достигается при частичном разнесении спектров этих сигналов по частоте. Но при кодовом разделении шумоподобных сигналов традиционного типа основным ресурсом, позволяющим повысить отношение сигнал/помеха, является значениебазы измерительного сигнала, которое обеспечивается при увеличении длиныобрабатываемой псевдослучайной последовательности (ПСП).

Точность измерения задержки таких сигналов повышается также при увеличении ширины ихспектра. Поэтому ВОС-сигналы позволяют повысить точность измерения времени и эффективность использования спектра одновременно несколькими навигационными системами, по сравнению с традиционными шумоподобными сигналами, лишь тогда, когда в приемниках пользователей применяются относительно простые алгоритмы обработки при вычислении АКФ сигналов с относительно малыми длинами применяемых ПСП. Но повышение эффективности алгоритма их обработки, в процессе которого происходит измерение задержки повремени и частоты, при учете формы основного пика АКФ применяемого ВОСсигнала, является проблематичным, по сравнению с традиционными шумоподобными сигналами [43].