Диссертация (Исследование характеристик шумоподобных сигналов на многопозиционных поднесущих и разработка алгоритмов их обработки для спутниковых радионавигационных систем), страница 4

Пусть в ячейках записана двоичная последовательность 1,0,0,0 в качестве начального блока.Рис.1.2. Формирование М-последовательности с помощью сдвигового регистра с 4 ячейками памятиТогда на выходе ячейки 4 при каждом новом такте будем иметь:00010011001111. Длина (период) полученной последовательности равна 15, чтосоответствует максимально возможной длине 2 4  1  15 ПСП, формируемой регистром сдвига с 4-мя ячейками памяти.Периодическая АКФ МП практически не имеет боковых пиков. Их значенияравны -1.

Апериодическая АКФ данной МП приведена на рис.1.3.17Рис.1.3. Апериодическая АКФ М-последовательности длины 15.Для формирования сигнала гражданского применения L1 в ГЛОНАСС используются МП длины 29-1 = 511. На их основе формируются двоичные ФМнсигналы (BPSK). Для передачи применяется двоичная фазовая модуляция. Максимальный боковой пик АКФ (в данном случае он составляет 24) и его отношение к основному пику (24/511 = 4,7%) позволяют оценить вероятность нахождения ложного соответствия опорного и принимаемого сигнала при его корреляционной обработке.

Обратное соотношение характеризует получаемый выигрыш при обработке сигнала [35].Сигналы различных спутников, если они передаются на одной частоте, создают взаимные помехи. Для их учета служит функция взаимной корреляции(ВКФ). Эта функция для различных ПСП сигнала L1 ГЛОНАСС не столь критична, так как в этой СРНС используется принцип частотного разделения каналов спутников.В случае GPS в сигнале L1 используется ПСП длины 2n -1 = 1023. Характеристики их АКФ играют важную роль, однако здесь действует принцип CDMA,или кодового разделения сигналов.

С учетом необходимости разделения сигналов разных спутников важны характеристики их ВКФ. С целью минимизации18боковых пиков ВКФ используется особый класс ПСП, который называют последовательностями Голда. Последовательности Голда могут быть сгенерированы путем суммирования по модулю 2 циклических сдвигов двух МП одинаковой длины. Результирующие коды Голда имеют ту же длину, что и исходныеМП.В табл.

1.2 приведены предпочтительные пары МП для генерации кодовГолда; их число равно 2n + 1, где n – длина сдвигового регистра; длина кода N =2n − 1. ВКФ ПСП Голда принимает одно из трех значений в зависимости от n[64,71,74].Таблица 1.2. Пары М-последовательностей для генерации кодов Голда.n Длина кода9 51110 102311 2047Пары Мпоследовательностей[9,4][9,6,4,3][9,6,4,3][9,8,4,1][10,9,8,7,6,5,4,3][10,9,7,6,4,1][10,8,7,6,5,4,3,1][10,9,7,6,4,1][10,8,5,1][10,7,6,4,2,1][11,2][11,8,5,2][11,8,5,2][11,10,3,2]ЗначенияВКФУровень боковых пиков31−1336%63−1656%63−1653%ВКФ ПСП сигнала GPS L1 принимают всего три значения, и не превышают6% от значения основного пика АКФ ПСП Голда [35].Текущая точность ГЛОНАСС и GPSПотребителей в первую очередь интересует доступность рассмотренныхсигналов и точность СРНС. Считается, что в настоящее время точность определения координат системой ГЛОНАСС несколько отстает от аналогичных показателей для GPS.

В 2013 г., по данным контроля информационноаналитического центра Федерального космического агентства РФ, текущиеошибки навигационных определений ГЛОНАСС по долготе и широте составляли от 3 до 8,5 м (при 7–8 видимых спутниках), а ошибки GPS – от 2 до 8,8 м(при 6–11 спутниках). При совместном использовании обеих СРНС, насчитывающих в среднем 14–19 КА, ошибки (в зависимости от точки приема) равны 2–5 м. Однако принимаются меры по увеличению точности систем.

К 2013 г. точность ГЛОНАСС, благодаря пополнению орбитальной группировки, увеличе19нию точности эфемерид, улучшению потребительских устройств и постепеннойзамене спутников более совершенными, возросла до 3 м.В целом точность систем соответствует расчетным данным при приемлемомуровне ошибок. Однако очевидно, что для качественного перехода на так называемый дециметровый уровень необходимо использование новых сигналов повышенной точности и использование трех и более СРНС [44].Повышение точности СРНС с увеличением длины ПСПВажная характеристика сигналов СРНС – это период повторения ПСП всигнале.

Для L1 он составляет 1 мс, а значит, изменения фазы происходят с частотой 0,511 МГц (ГЛОНАСС) и 1,023 МГц (GPS). Между изменениями фазы(передача так называемого одного чипа – символа ПСП) проходит не менее3135 (ГЛОНАСС) и 1540 (GPS) полных периода электромагнитных колебаний.Эту характеристику будем называть количеством циклов на чип. Таким образом, самым логичным способом повышения точности позиционирования представляется использование более длинных ПСП; необходимо также увеличиватьскорость передачи чипов. Сигнал при этом занимает более широкую полосу частот. Во всех сигналах СРНС 2-го поколения это используется в полной мере.

Врезультате длина ПСП выросла на порядок (табл.1.3).Увеличение длины ПСП сигнала позволяет в итоге довести величину боковых пиков ВКФ до 2% от значения основного корреляционного пика АКФ. Данная характеристика улучшается пропорционально квадратному корню длиныПСП. В новых сигналах длина ПСП превышает 10 000 двоичных символов, чтодает хорошую помехозащищенность и гарантированное кодовое разделениеразных спутников (CDMA).

В сигналах для специальных потребителей используются, как правило, сверхдлинные последовательности, если стоит задача передавать навигационные данные, которые практически не поддаются дешифровке с помощью подбора ПСП [44].ГСНСТаблица 1.3. Характеристики ПСП сигналов СРНССигналЧастота, МГцДлинаЦиклов/чипGPSL11575,4210231540L2C1227,610230120L51176,4510230115E1B1575,4240921540Galileo20ГЛОНАССE5A1176,4510230115L11602,005113135,03L21246,005112438,36L2 (высокоточный)1246,005110243,8361.3. Структуры меандровых сигналов СРНСВторое поколение СРНС в настоящее время прочно ассоциируется с новымтипом сигналов. Так, в системе Galileo (в отличие от ГЛОНАСС и GPS 1-го поколения, где используются рассмотренные выше традиционные сигналы), появились так называемые меандровые, или BOC-сигналы (Binary Offset Carriermodulated signals).

Если у традиционных сигналов каждый чип ПСП дальномерного кода представляет собой одиночный прямоугольный импульс определенной длительности, то у меандровых – каждый расширяющий спектр символПСП имеет сложную форму и представляет собой некоторый отрезок меандрового колебания той же длительности с одинаковым числом меандровых импульсов (меандровый символ) [1,2]. Меандровое колебание (t )определяется од-ним из двух выражений:sin (t )  signsin  M t ,(1.3.1)- синусное меандровое колебание;cos (t )  signcos M t ,(1.3.2)- косинусное меандровое колебание, где функция sign(z) равна1, z  0sign( z )  0, z  0 1, z  0 M  2f M - круговая частота меандрового колебания, f M 1- частота меандTMрового колебания, TM  2 M - период меандрового колебания,  M - длительность импульса меандрового колебания (меандрового импульса) [1-3].Видно, что f M  1 .2 M21Идея меандровых сигналов не нова и связана с манчестерским кодом, прикотором каждый такт делится на две части.

Информация кодируется сменой потенциала (или фазы в случае BOC-сигнала) в середине каждого такта: единица –перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а ноль — обратным перепадом. В среднем ширина спектра при манчестерском кодировании в два раза шире, чем при обычном кодировании[1,2].Основные свойства BOC-сигналов определяются следующими параметрами:fc=1/τc – частотой следования символов в основной ПСП p(t) и fм=1/2τм – частотой меандрового колебания µ(t). Для обозначения типов меандровой модуляцииприменяется обозначение: BOC (fм, fc). Частоты fм, fc как правило кратны опорной синхрочастоте fоп в СРНС (в частности, для систем GPS и Galileo fоп = 1,023МГц). Поэтому часто используется сокращенная форма записи для обозначенияBOC-сигналов.

Например, в сигнале BOC(2,1) частота кода соответствует 1,023МГц, а частота меандра – 2,046 МГц. На рис.1.4 показан пример, где меандр µ(t)накладывается на ПСП p(t) и в итоге получается результирующий сигнал s(t)[1,2].22Рис.1.4. Сложение меандрового сигнала и основной ПСП.TMBOC сигналы(Time Multiplexed BOC)Помимо стандартных рассмотренных выше меандровых сигналов для получения улучшенных характеристик используются и более сложные составные сигналы, которые называются MBOC-сигналы (Multiplexed BOC). В СРНС GPS дляэтих целей используетсяТMBOC-модуляция (Time-Multiplexed BOC)[10,15,18].

В основе формирования этих мультиплексированных во времени меандровых сигналов лежит применение мультиплексированных во времени ПСП(ТМВОС-модулирующих функций)sTMBOC (t ) , суть построения которых за-ключается в том, что у них на каждом периоде используется несколько (обычнодва) различных видов меандровых символов (элементов), сменяющих во времени друг друга по заданному закону. В ТМВОС-сигнале используются два вида меандровых символов:232t ) ,0  t   c ; sign sin( c 2 (t )  c 0,0  t  c(1.3.3)- для BOC – модуляции типа BOC(1,1), т.е. при  с  2 M , N M  2 ; 12t ) ,0  t   c ;sign sin( c12 (t )  c0,0  t  c(1.3.4)- для ВОС - модуляции типа ВОС(6, 1), т.

е. при  с  12 M , N M  12 .Таким образом, меандровые символы сменяют друг друга по времени определенным образом. Пример TMBOC сигнала приведен на рис.1.5 [2,3].Рис.1.5. TMBOC сигнал.В ТМВОС-сигнале можно получить различные варианты распределенияэнергии между информационным сигналом и пилот-сигналом. В одном из нихпилот-сигналу отводится 75% энергии и информационному - 25%.