Диссертация (Исследование характеристик шумоподобных сигналов на многопозиционных поднесущих и разработка алгоритмов их обработки для спутниковых радионавигационных систем), страница 6

При этом у АКФ ВОС(10,5) выделяется центральнаяобласть с шириной τк=2Тэ/35. Очевидно, что для того, чтобы обеспечить такуюже ширину основного корреляционного пика у шумоподобного сигнала традиционного типа необходимо, чтобы его тактовая частота f’ПСП=35fПСП. Это потребует расширения ширины полосы частот, занимаемой сигналом в 35 раз посравнению с исходным сигналом без меандровой поднесущей. Основной пикего АКФ показан на рис.1.17 жирной черной линией.35Рис.1.17. Идеализированные основные пики нормированных АКФ ВОС-сигналов.Из анализа рис. 1.17 следует, что наилучшими характеристиками АКФ обладают традиционные шумоподобные сигналы, но для получения такой же ширины их основного корреляционного пика, что и ширина центральной «обостренной» части АКФ меандровых сигналов, необходимо существенное расширениеих спектра.

Энергетические спектры огибающих вышеописанных сигналов приведены на рис.1.18.Рис.1.18.Спектральные плотности мощности огибающих навигационных сигналов.36Из его анализа следует, что при четном NМ спектр ВОС-сигнала расщепляется, и появляются два его боковых лепестка, смещенных относительно несущейчастоты на ± fМ , а степень «смещения» лепестков относительно несущей частоты определяется значением NМ. Это приводит к возможности «мягкого» частотно-кодового разделения сигналов разных СРНС, работающих в общем частотном диапазоне на одной и той же несущей частоте, когда их спектры разнесены,но частично перекрываются, а дополнительное разделение сигналов осуществляется по форме.Таким образом, показано, что отношение сигнал/помеха, требующееся дляизмерения параметров навигационного сигнала с допустимой погрешностью, всистемах с сигналами меандрового типа достигается при частичном их разнесении по частоте.

Но при кодовом разделении сигналов основным ресурсом, позволяющим повысить отношение сигнал/помеха, является значение базы измерительного сигнала. Любое требующееся значение последней может быть обеспечено при увеличении ширины общей полосы частот ΔFs, в которой работают всепользователи, а также длительности обрабатываемого в приемнике сигнала Тs.То есть при заданной ΔFs - длительности обрабатываемого сегмента применяемых ПСП Ns [43].Об относительно небольшом значении Ns в гражданском сегменте современных СРНС косвенно свидетельствуют значения длин применяемых ПСП N.

Так,в ГЛОНАСС дальномерный код стандартной точности представляет собой периодическую двоичную М-последовательность (МП) с периодом Т=1 мс и частотой следования элементарных символов fПСП=511 кГц, а в системе GPS дальномерный С/А код является периодической последовательностью Голда с Т=1мс и fПСП=1,023 МГц, то есть значение N в этих случаях составляет 511 и 1023соответственно. Вместе с тем, период ПСП, используемых в качестве дальномерных кодов, может быть ограничен в основном сложностью устройства ихобработки, которая определяется величиной Ns. Именно значение Ns в значительной степени будет определять отношение сигнал/помеха на входе решающего устройства приемника пользователя, а, следовательно, и точность измерений. При этом основная доля помехи является системной (взаимной), и формируется на входе приемника от сигналов спутников данной СРНС, а также спут-37ников других СРНС, находящихся в зоне видимости в момент позиционирования.При увеличении ΔFs традиционных шумоподобных сигналов уменьшаетсядлительность основного пика их АКФ, а также увеличивается его «острота»,что дополнительно улучшает точность измерения времени.

В то же время АКФВОС-сигналов имеют значительные боковые пики в области «высокой корреляции». В результате этого повышение эффективности алгоритма их оптимального обнаружения, в процессе которого происходит и грубое измерение задержкипо времени и частоты, является проблематичным, по сравнению с сигналомтрадиционного типа. Доказано лишь возможное повышение точности измерения задержки ВОС(1,1) в схеме автоматической подстройки времени (АПВ) квазикогерентного типа, по сравнению с традиционным шумоподрбным сигналом[43].Таким образом, бинарные меандровые сигналы позволяют повысить точность измерения времени и эффективность использования спектра одновременно несколькими навигационными системами, по сравнению с традиционнымишумоподобными сигналами, лишь тогда, когда в приемниках пользователейприменяются относительно простые алгоритмы обработки при вычисленииАКФ ПСП относительно коротких длин.

На основании вышесказанного сформулирована основная цель диссертации.Выводы к главе 11. В результате обзора базовых характеристик современных СРНС показано,что точность позиционирования в их гражданском сегменте по применяемым измерительным сигналам составляет приблизительно 3-5 метров. Длядальнейшего повышения точности применяются дифференциальные методы (DGPS) с привлечением наземных систем и сетей, что приводит ктерриториальным ограничениям возможности проведения высокоточныхнавигационных измерений. Поэтому задача совершенствования характеристик измерительных сигналов, применяемых в СРНС с целью повышения точности позиционирования, является актуальной.2.

Показано, что на основе традиционных двоичных ФНн сигналов, формируемых с использованием М-подобных последовательностей, можно повысить точность позиционирования при существенном увеличении их38длин, обрабатываемых в приемнике пользователя и расширения используемой полосы частот, что приводит к существенному усложнению приемника пользователя.3. Установлено, что альтернативой шумоподобным сигналам с большимибазами в настоящее время считаются ВОС-сигналы, позволяющие обеспечить частичное разнесение спектров сигналов, имеющих одну и ту же несущую частоту. То есть, кроме традиционного кодового разделения, ониобеспечивают еще и частичное частотное разделение, что приводит куменьшению уровня взаимных помех, которое ранее достигалось путемувеличения длины применяемых ПСП.4.

Выявлено, что появление у АКФ всех меандровых сигналов боковых пиков в пределах длительности времени «высокой корреляции», значениякоторых по модулю достигает 50% и более от центрального пика, приводит к высокой вероятности ошибочной синхронизации по боковому пику.5. В соответствии с вышесказанным целью настоящей работы является расширение класса сигналов, применяемых в СРНС, т.е. рассмотрение возможности их формирования на основе многопозиционных ПСП, позволяющих использовать и многопозиционные поднесущие ПСП, а также исследование характеристик этих новых модификаций сигналов и разработка устройств их обработки.

Предполагается, что эти сигналы будут обладать улучшенными характеристиками корреляционных функций и энергетических спектров, по сравнению с ВОС-сигналами, что приведет к повышению электромагнитной совместимости СРНС, увеличению помехоустойчивости абонентских приемников и более высокой точности позиционирования.392. РАЗРАБОТКА МЕАНДРОВЫХ СИГНАЛОВ С МНОГОПОЗИЦИОННЫМИ ПОДНЕСУЩИМИ И ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ИХКОРРЕЛЯЦИОННЫХ ФУНКЦИЙС целью повышения эффективности корреляционных и спектральных характеристик ВОС-сигналов, в данной главе предлагается формировать сигналына основе многопозиционных ПСП, позволяющих использовать и многопозиционные поднесущие.

Показано, что у новых сигналов, как и у ВОС-сигналов, выделяется центральная область основного пика действительной части АКФ, аостальные ее значения в области высокой корреляции почти одинаковы по величине, и в несколько раз меньше, чем у меандровых сигналов [43]. Спектральные свойства полученных новых сигналов будут исследованы в следующей главе.2.1. Структурные свойства навигационных сигналов, формируемых на основе многопозиционных ПСПДля формирования навигационных сигналов меандрового типа применяютсядве ПСП. Одна из них с тактовой частотой fПСП модулируется другой (поднесущей) ПСП, тактовая частота fм которой обычно в несколько раз выше fПСП. (Вдальнейшем модулируемую ПСП будем обозначать как ПСПм, а модулирующую – как ПСПм).

В настоящее время в навигационных системах применяютсятолько двоичные (бинарные) ПСП. Кроме того, ПСПм всегда имеет вид меандра.Это позволяет выделить относительно узкую область «высокой корреляции»навигационного сигнала в пределах основного пика его АКФ, но появляютсязначительные по величине боковые пики.С целью улучшения характеристик навигационных систем рассмотрим сигналы на основе многопозиционных ПСПм, позволяющих использовать и многопозиционные поднесущие ПСПм. При этом сигнал остается меандровым, поскольку в данном случае меандр формирует общую его структуру, то есть определяет временные интервалы, через которые происходит или не происходитсмена фазы колебания несущей частоты в соответствии со структурой ПСП.Тогда комплексный навигационный сигнал на длительности периода ПСПмT  NTe  NN M TM , фронт которого приходится на условно нулевой момент време-ни t=0, будет описываться выражением:40N 1sc (t )  a j 0 S1 (t  jTe )exp(j 2 a jpN 1)iÌ0 S2 (t  iTÌ )exp( exp( j 2 ck / m)exp(2 f0t  0 ) , 0  t  T ,j 2 bijp)(2.1)где N – длина ПСПм; Тe =1/ fПСП – длительность ее элементарных импульсов; NM– число импульсов ПСПм, укладывающихся на длительности одного импульсаПСПм; ТМ=1/fм – длительность импульсов ПСПм; a – размерный множитель,j=0,1,…,(N-1) – номер элементарного символа aj ПСПм;1, 0  t  Te ,S1 ( t )   0, t  Te ,1, 0  t  T M ,S 2 (t )   0, t  T Ì ,- прямоугольные импульсы с длительностями Тe и ТМ соответственно;i=0,1,…,(NM -1) – номер элементарного символа bij ПСПм, передаваемого вместес j-ым символом ПСПм; a j , bij {0,1,..., p  1} , р – целое число; ck  {0,1,..., m  1} – символ потока навигационных данных при m-ичной их передаче и упаковке сигнального созвездия по кругу; т – целое число.

Такая упаковка обеспечивает отсутствие амплитудной модуляции навигационного сигнала, а лишь фазовую манипуляцию колебания несущей частоты f0 с начальной фазой φ0 [43].Требующаяся скорость передачи двоичных информационных битов в навигационных системах, с помощью которых передаются эфемериды, уход часов,статус спутника и т.д., составляет лишь 50-100 бит/с. Поэтому даже в случаедвоичной их передачи по каналу связи, когда ck {0,1}, m  2 , на длительностиодного информационного бита укладываетсянесколько десятков периодовмПСП при fПСП=1,023 МГц и N=1023, что теоретически нейтрализует ухудшениекорреляционных свойств кодов.

Кроме того, это позволяет в (2.1) описать манипуляцию колебания несущей частоты информационными символами с помощьюслучайного комплексного множителя exp( j 2 c k / m ) , не зависящего от времени.В дальнейшем этим множителем пренебрежем, поскольку АКФ сигнала и егоэнергетический спектр от него не зависят [43].Очевидно, что действительный сигнал, соответствующий (2.1), имеет рфазную манипуляцию, т.е.sc (t )  a N 1j0S 1 ( t  jT e ) N Ì 1i0S 2 ( t  iT Ì ) c o s ( 2  f 0 t   i j ) , (2.2)41где ij 2   a j (  ) p b ij  0,p(2.3)а (+)р – обозначение суммирования символов aj и bij по модулю р.