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

2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность исследования. В настоящее время активно разрабатываются и применяютсяспутниковые радионавигационные системы (СРНС) – это, в частности, GPS, частичная эксплуатация которой началась в 1973 году, ГЛОНАСС, внедряющаяся Федеральным КосмическимАгентством (Росавиакосмос) под эгидой Министерства обороны РФ. Окончательный ввод в эксплуатацию спутниковой группировки европейской многоцелевой навигационной системы GALILEO предполагается в 2020 году. Введены в эксплуатацию японская Quasi-Zenith Satellite System(QZSS), а также китайская СРНС COMPASS.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 частоте 1602,00 МГц при частотном разделении (ГЛОНАСС).

В военномсегменте и для специальных потребителей используют закрытые сигналы P(Y) и L2. На их основе ввышеназванных системах удается обеспечить текущую точность позиционирования 3-5 метров погоризонтали и 5-10 метров по вертикали при покрытии 95% территории земной поверхности.В настоящее время во многих приложениях необходимая точность позиционирования составляет менее метра при реализации единых принципов формирования применяемых сигналов на всехфункционирующих СРНС. Это должно привести к качественному скачку в обеспечении электромагнитной совместимости 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 время наряду с традиционными шумоподобными сигналами вGPS, Galileo, а также в QZSS используются новые классы радиосигналов, основу которых составляют так называемые ВОС (binary offset carrier modulated) -сигналы.

Это собственно ВОС-сигналы,а также МВОС-сигналы (Multiplexed BOC), разновидностями которых являются TMBOC-сигналы(Time-Multiplexed BOC) и CBOC-сигналы (Composite BOC), а также AltBOC-сигналы (AlternativeBOC). В частности, сигналы ВОС(10,5) и ВОС (1,1) используются во всех вышеперечисленныхСРНС, а МВОС(6,1,1/11) – в модернизированной GPS при формировании L1C-сигналов и в Galileoприменительно к E1OS-сигналам. Сигналы AltBOC(15,10) применяются в Galileo.Исследование характеристик новых типов сигналов и разработка устройств их обработки дляспутниковых СРНС проводилось в работах Вetz J.W., Blanco M. A., Cahn Ch.

R., Progri F., BrumbergM., Michahon W., Wang J., Avila-Rodriguez J.A., Hein G.W., Wallner S. A., Ярлыкова М.С., ХарисоваВ.Н, Перова А.И. Как показал анализ этих работ, основной особенностью ВОС-сигналов являетсявыделение центральной области у основного пика их автокорреляционных функций (АКФ), а у ихразновидностей - TMBOC- и CBOC-сигналов - «обострение» этого пика, по сравнению с традиционными шумоподобными сигналами. При этом отношение сигнал/помеха, требующееся для измерения параметров навигационного сигнала с допустимой погрешностью, в системах с ВОСсигналами 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 значение базы измерительного сигнала, которое обеспечивается при увеличении длины обрабатываемой псевдослучайной последовательности (ПСП).

Точность измерения задержки таких сигналов повышается также3при увеличении ширины их спектра. Поэтому ВОС-сигналы позволяют повысить точность измерения времени и эффективность использования спектра одновременно несколькими навигационнымисистемами, по сравнению с традиционными шумоподобными сигналами, лишь тогда, когда в приемниках пользователей применяются относительно простые алгоритмы обработки при вычисленииАКФ сигналов с относительно малыми длинами применяемых ПСП. Но повышение эффективностиалгоритма их обработки, в процессе которого происходит измерение задержки по времени и частоты, при учете формы основного пика АКФ применяемого ВОС-сигнала, является проблематичным,по сравнению с традиционными шумоподобными сигналами.

Доказано лишь возможное повышение точности измерения задержки ВОС(1,1) в схеме автоматической подстройки времени (АПВ)квазикогерентного типа.В соответствии с вышесказанным актуальной является задача разработки и исследования характеристик новых сигналов для СРНС, а также устройств их обработки.Целью настоящей работы является расширение класса сигналов, применяемых в СРНС, т.е.рассмотрение возможности их формирования на основе многопозиционных ПСП, позволяющихиспользовать и многопозиционные поднесущие ПСП, а также исследование характеристик этихновых модификаций сигналов и разработка устройств их обработки. Предполагается, что эти сигналы будут обладать улучшенными характеристиками корреляционных функций и энергетическихспектров, по сравнению с ВОС-сигналами, что приведет к повышению электромагнитной совместимости СРНС, увеличению помехоустойчивости абонентских приемников и более высокой точности позиционирования.Задачи исследования.

Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи:- анализ структурных свойств шумоподобных сигналов на многопозиционных поднесущих;- исследование характеристик корреляционных функций многопозиционных ПСП необходимойдлины;- исследование корреляционных свойств шумоподобных сигналов на многопозиционных поднесущих;- разработка метода анализа и исследования спектральные характеристики шумоподобныхсигналов;- сравнение характеристик сигналов на многопозиционных поднесущих и ВОС-сигналов;- разработка алгоритмов для устройств ускоренного поиска шумоподобных сигналов, а такжеанализ показателей их эффективности.Методы научного исследования.

Основные результаты работы получены с использованиемтеории спектрального и корреляционного анализа сигналов, статистической радиотехники, теорийвероятностей и математической статистики, а также статистического моделирования. Применялсяматематический аппарат теории численных методов и линейной алгебры, функций комплексногопеременного, теории полей с финитным числом элементов (полей Галуа).Научные результаты и их новизна1. В работе предлагается формировать навигационные сигналы с использованием двух ПСП,первая из которых является бинарной, либо многопозиционной и представляет собой основнойнавигационный код традиционного типа; она модулируется второй (поднесущей) многопозиционной ПСП, число элементарных символов в периоде которой соответствует одному элементарномусимволу первой ПСП.42.

С использованием методов корреляционного анализа сигналов показано, что использованиебинарных, либо многопозиционных ПСП и многопозиционных поднесущих для формированиянавигационных сигналов, как и двоичных ПСП с меандровыми поднесущими, позволяет выделитьцентральную область основного пика их АКФ. Остальные значения действительной части АКФ умногопозиционных сигналов в области высокой корреляции (основного пика АКФ) равны нулю,либо в 2…4, а в отдельных случаях и в 5 раз меньше, по сравнению с АКФ меандровых сигналов.При этом выделяющаяся центральная часть основного пика АКФ у многопозиционных сигналовнезначительно шире, чем у меандровых.3.

С использованием методов статистической радиотехники и компьютерного моделированияустановлено, что применение последовательностей Цирлера, являющихся многопозиционнымианалогами двоичных М-последовательностей, позволяет уменьшить значения дисперсий, а такжеквадратов максимальных значений боковых пиков действительных частей АКФ шумоподобныхсигналов в 2 раза.4.

Разработан метод анализа энергетических спектров шумоподобных сигналов, позволяющийвыразить их через значения АКФ применяемых ПСП. Использование этого метода позволило установить, что выбор структуры поднесущей позволяет управлять формой и расположением спектральной плотности мощности сигнала на частотной оси. В частности, оказывается возможнымконцентрировать спектр выше или ниже несущей частоты, либо распределить его в относительноширокой полосе частот.5. Разработаны варианты алгоритмов ускоренного обнаружения (поиска) шумоподобных сигналов с использованием быстрых спектральных преобразований в базисе функций Уолша и Виленкина-Крестенсона, применимые при обработке как BOC-сигналов, так и сигналов на многопозиционных поднесущих. Показано, что вычислительная сложность разработанных алгоритмов на несколько порядков меньше, чем традиционных корреляционных алгоритмов.Положения, выносимые на защиту1.

Флуктуации действительной части АКФ в области основного корреляционного пика в 3…5раз меньше у шумоподобных сигналов, формируемых на основе многопозиционных поднесущихПСП, по сравнению с ВОС-сигналами.2. Выбор структуры многопозиционной поднесущей позволяет гибко управлять формой энергетического спектра шумоподобного сигнала, например, концентрировать его выше или ниже несущей частоты, либо распределять в относительно широкой полосе частот.3. Уменьшение дисперсии боковых пиков действительных частей АКФ применяемых многопозиционных ПСП в 2 раза, по сравнению с бинарными ПСП, приведет к улучшению вероятностныххарактеристик обнаружения соответствующих сигналов в устройствах измерения их задержки повремени, что позволит в 2 раза уменьшить длину обрабатываемых ПСП и пропорционально снизитьвычислительную сложность алгоритмов обработки сигналов.4.