Обработка сигналов в радиотехнических системах

пОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ нАЗЕМНОЙ РАДИОНАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМОЙ при МАЛЫХ БАЗАх РАСПОЛОЖЕНИЯ РАДИОМАЯКОВ
Кириллов С.Н., Бахурин С.А., Дронов А.Н., Цыплаков А.А.
Рязанский государственный радиотехнический университет

390005 г. Рязань, ул. Гагарина 59 корп.1, E-mail: [email protected]
Современные спутниковые радионавигационные системы (СРНС) позволяют с достаточно высокой точностью определять координаты местоположения объекта навигации (потребителя). Так, например, требования к среднеквадратической ошибке (СКО) определения пространственных координат наземных потребителей на сегодняшний день варьируются от 1 см до 50 м [1]. Однако существует целый ряд проблем, таких как навигация в зданиях и закрытых помещениях, точное определение ориентации потребителя и др., которые не могут разрешить CРНС. Использование в таких условиях наземной радионавигационной системы (НРНС) с относительно небольшими базами расположения радиомаяков позволит существенно повысить точность определения координат и ориентацию объекта навигации в пространстве, расширить зону навигации, а также дополнительно снизить стоимость аппаратуры потребителя в виду простоты эксплуатации и высокой маневренности развертывания всей системы по сравнению с СРНС (Рис. 1).


Потребители

Радиомаяк

СРНС


Рис. 1

Проектирование предложенной НРНС включает следующие этапы:

• 
  определение методики выбора созвездия радиомаяков с учетом их места расположения;
  
• 
  разработка алгоритмов решения навигационной задачи в условиях малых баз радиомаяков;
  
• 
  разработка алгоритмов мониторинга помеховой обстановки в целях адаптации работы системы к действию различных мешающих факторов;
  
• 
  разработка совместных алгоритмов синтеза и обработки сложных дискретных сигналов;
  
• 
  разработка устойчивых алгоритмов вхождения в синхронизм робастных к действию комплекса помех.
  

Работа предлагаемой наземной системы навигации основана на взаимодействии со спутниковой системой и, после первичной обработки специальным образом синтезированных радионавигационных сигналов, вычислении вектора состояния объекта с помощью математического аппарата решения некорректных навигационных задач при малых базах радиомаяков. При этом возможен вариант такой работы, когда и сами радиомаяки перемещаются, например, во время отслеживания заданного объекта, находясь внутри движущегося автомобиля. Известно [2], что для определения пространственных координат потребителя используют дальномерный (псевдодальномерный), разностно-дальномерный или угломерный методы, а также их комбинации. При расположении радиомаяков на малых расстояниях друг относительно друга в разработанной системе для решения навигационной задачи используется метод регуляризации [3], который позволяет в 1,5 раза расширить область позиционирования с заданной точностью: , (1), где  - истинные значения пространственных координат потребителя;  - приближенное решение;  - функционал стабилизации решений задачи регуляризации;  - параметр оптимизации;  - матрица коэффициентов регуляризации.

Количество радиомаяков определяется необходимой для потребителя точностью, при этом как минимум необходимо иметь три радиомаяка, чтобы обеспечить пересечения трех поверхностей положения [2]. Конфигурация расположения радиомаяков определялась с учетом минимизации возможных переотражений и предварительного анализа местности в интересах выявления наиболее неблагоприятных для радиовидимости участков. В качестве альтернативы подобных предварительных измерений было предложено использовать дополнительную базовую станцию, располагавшуюся неподалеку от места дислокации радиомаяков, а также дополнительную радиолинию между радиомаяками и базовой станцией. Задачами базовой станции является изменение уровня мощности излучаемых радиомаяками сигналов (максимальная мощность излучения радиомаяков в данном случае равна 10 мВт) в зависимости от качества радиовидимости соответствующих радиомаяков приемником потребителя, а также управление координацией положения потребителя.

На рис. 2-а приведены зависимости СКО определения координат потребителя () от суммарной СКО определения координат радиомаяков () при различных базах:

, (2)

где  - количество точек местоположения радиомаяков, смещенных относительно их истинного положения;  - текущие координаты потребителя, измеренные радиомаяками при их -ом смещении. На рисунке 2-б показано влияние области неточного определения положения радиомаяков на увеличение ошибки определения координат потребителя.

И
, м

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0
з анализа представленных зависимостей следует, что с увеличением СКО определения координат радиомаяков (изменения их взаимного расположения в процессе эксплуатации) СКО определения координат объекта навигации также растет. С увеличением базы неточность позиционирования радиомаяков влияет на СКО определения координат потребителя меньше, так как доля ошибки при этом существенно меньше абсолютной величины базы.


0 0,05 0,1 0,15 , м

B=10 м

B=5 м

, м

, м

, м

0

2

4

0

2

15

10

5

0

4

Объект

Радиомаяк



а

б


Рис. 2

Малая величина баз радиомаяков приводит к возрастанию неоднозначности определения дальности до потребителя известным импульсным методом [2], в силу взаимного перекрытия кодовых последовательностей излучаемого и принимаемого навигационного сигналов. Подобные ситуации особенно часто возникают в условиях сильных переотражений и небольших дальностях до объекта относительно радиомаяков. В этом случае целесообразно для предварительного измерения параметров потребителя использовать фазовый метод, как наиболее точный из всех методов измерений [2]. При этом неоднозначность оценки устраняется за счет измерений с помощью дополнительных радиомаяков, а также за счет выбора соответствующей промежуточной частоты. Расположение радиомаяков вдоль одной плоскости позволяет дополнительно точно измерять ориентацию объекта (крен, курс и тангаж).

С целью мониторинга помеховой обстановки на основе быстрых спектральных преобразований и аппарата теории вейвлет анализа разработаны и исследованы алгоритмы анализа комплекса преднамеренных помех. Так, например, установлено, что при отношении сигнал-шум равном 0 дБ удается с вероятностью 0,95 правильно идентифицировать структуру до 80% кодовой последовательности имитационной помехи. При этом алгоритм обработки обладает высоким быстродействием и достаточно просто реализуется в программном виде, что существенно снижает сложность и стоимость разработки устройства обработки. Дополнительно.

Наиболее широкое распространение в радионавигационных системах GPS и ГЛОНАСС получили фазоманипулированные (ФМн) сигналы, что связано с простотой их формирования и обработки при высокой устойчивости к действию помех и скрытности [1]. С целью повышения помехоустойчивости разработанной НРНС дополнительно используются ФМн-сигналы, обладающие специальными свойствами симметрии. Установлено, что использование радионавигационных сигналов, обладающих специальными свойствами симметрии и алгоритмов их обработки [4], позволило помехоустойчивость к действию импульсных помех при длительности помехи не более 1/8 длительности полезного сигнала. В случае отсутствия импульсных помех сигнал на выходе устройства обработки обладает нулевым уровнем боковых лепестков, что уменьшает неоднозначность оценки координат объекта. При этом дополнительно возможна реализация двухканального алгоритма обработки на основе быстрого преобразования Фурье робастного к действию структурных и узкополосных помех. При этом структурная помеха подавляется в среднем на 13…15 дБ, а узкополосная – на 14…16 дБ.

Дополнительно разработаны алгоритмы совместного синтеза и обработки сложных дискретных сигналов на основе вейвлет-пакетного разложения и банков фильтров, позволяющие снизить влияние узкополосных помех на 32 дБ, а структурных – на 19 дБ.

Таким образом, разработанная НРНС с использованием малых баз радиомаяков позволяет в условиях действия комплекса преднамеренных помех, а также сильных переотражений, определять пространственные координаты и ориентацию объекта не хуже, чем при использовании СРНС. Предложенная НРНС обеспечивает быстрое развертывание системы, упрощает и снижает стоимость эксплуатации по сравнению со СРНС, функционирует в ограниченной и закрытой зоне действия с максимальной скрытностью, а также работает в составе внешней СРНС.

Литература

1. 
   Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации. М.: Эхо-Трендз, 2000. – 270 с.
   
2. 
   Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС / Под ред. В.Н. Харисова, А.И. Перова, В.А. Болдина. М.: ИПРЖР, 1998. – 400 с.
   
3. 
   Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. М: Наука, 1986. – 288 с.
   
4. 
   Дронов А.Н. Быстрые алгоритмы обработки фазоманипулированных сигналов, обладающих свойством симметрии // ВНТК «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании»: Тез. докл. / РГРТУ. Рязань, 2006. С.54-55.
   


INCREASING ACCURACY of the COORDINATES DETERMINATION by ground-based radio navigational SYSTEM with SMALL LOCATION of the RADIOBEACON
Kirillov S., Bahurin S., Dronov A., Cyplakov A.
Ryazan state radioengineering university
Modern satellite radio navigational systems (SRS) allow with it is enough pinpoint accuracy to define the coordinates of the location of the object to the consumer. So, for instance, requirements to mean-square mistake (MSM) of the determination of the spatial coordinates of the overland consumers for present-day day vary from 1 centimeter to before 50 metre. However exists variety of problems such as navigation in building and closed premiseses, exact determination to orientation of the consumer and others, which can not allow SRS. Use in such condition ground-based radio navigational system (GNS) with comparatively small base of the location radiobeacon will allow greatly to raise accuracy of the determination of the coordinates and orientation of the object to navigations in space, increase the zone to navigations, as well as in addition reduce the cost of the equipment of the consumer in view of simplicities of the usages and high maneuverability of the deployment of the whole system in contrast with SRS.

Designing offered MSM includes the following stages: determination of the methods of the choice of the constellation radiobeacon with provision for their place of the location; the development algorithm decisions of the navigational problem in condition of the small bases radiobeacon; the development algorithm monitoring noise situations in purpose of the adapting the functioning(working) the system to action different disturbing factor; the development joint algorithm syntheses and processing complex discrete signal, as well as firm algorithm of the entering in synchronism robusting to action of the complex of the hindrances.

The deskside of the location radiobeacon was defined with provision for minimization possible переотражений and preliminary analysis to terrain in interest of the discovery the most disadvantage for radio visibility area.

At location radiobeacon on small distances friend for friend in designed system for decision of the navigational problem is used method normalization, which allows in 1,5 times increase the area of the positioning with given by accuracy.

For increasing allowing abilities reasonable for preliminary measurement parameter consumer to use the phase method. At, the ambiguity of the estimation withdraws to account of the measurements by means of additional radiobeacon, as well as to account of the choice corresponding to intermediate. The location radiobeacon along one plane allows in addition exactly to measure the orientation of the object.

For the reason monitoring noise situations on base of the quick spectral transformations and device to theories wavelet analysis is designed and explored algorithms of the analysis of the complex of the intentional hindrances.

For the reason increasing of noise-immunity designed GNS are in addition used signals, possessing special characteristic to symmetries. At algorithm of the processing like signal allows to suppress the structured hindrance on 13…15 dB, but narrow-band - on 14…16 dB. Is it In addition designed joint algorithms of the syntheses and processing complex discrete signal on base вейвлет-packet decomposition and banks filter, allowing reduce the influence of the narrow-band hindrances on 32 dB, but structured - on 19 dB.



АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМ СИНХРОНИЗАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ РАДИОЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ К ДЕЙСТВИЮ ПОМЕХ
Кириллов С.Н, Слесарев А.С.
Рязанский государственный радиотехнический университет
Введение. Неотъемлемой частью космических радиолиний передачи цифровой информации является система фазовой синхронизации, основной элемент которой – контур фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) [1]. Система ФАПЧ формирует на приемном конце радиолинии опорное колебание, фаза которого должна как можно меньше отличаться от фазы принимаемого сигнала. Отклонения фазы опорного колебания относительно фазы принимаемого сигнала обусловлены рядом специфических особенностей космических радиолиний: низким отношением сигнал-шум, наличием доплеровского сдвига частоты, флуктуаций амплитуды и фазы сигнала, многолучевостью и другими факторами. В связи с этим задача анализа устойчивости систем синхронизации космических радиолиний передачи цифровой информации к действию шума и различного вида помех в настоящее время весьма актуальна.

Целью работы является определение оптимальных параметров контура ФАПЧ, обеспечивающих высокую устойчивость к воздействию шума и искажениям принимаемого сигнала, а также исследование путем имитационного моделирования эффективности воздействия на систему фазовой синхронизации различного вида помех.

Оптимизация параметров петлевого фильтра ФАПЧ.



Рис. 1.

На рис. 1а представлена блок-схема контура ФАПЧ. На входе контура действует смесь принимаемого сигнала и стационарного белого в полосе приемного устройства гауссовского шума , где - амплитуда сигнала; - центральная частота сигнала; - произвольная зависимость фазы от времени; и - независимые стационарные гауссовские процессы с постоянной спектральной плотностью в интервале частот от 0 до [2, 3]. На второй вход перемножителя поступает опорный сигнал , где - амплитуда опорного сигнала. Работа генератора, управляемого напряжением (ГУН), описывается выражением . Петлевой фильтр представлен своей импульсной характеристикой .

В [2, 3] показано, что при предположении об относительной малости фазовой ошибки контуру ФАПЧ, представленному на рисунке 1а, соответствует линейная модель, показанная на рисунке 1б, где ; - гауссовский случайный процесс с такой же спектральной плотностью мощности (СПМ), что и процессы , .

Переход из временной в частотную область приводит к эквивалентной схеме, представленной на рис. 2,

где использованы следующие обозначения: - частотный коэффициент передачи петлевого фильтра; - спектр процесса ; - СПМ процесса .



Рис. 2.

Дисперсия сигнала ошибки на выходе петлевого фильтра определяется выражением:

. (1), где ; - амплитудно-частотная характеристика петлевого фильтра; - фазочастотная характеристика петлевого фильтра; . Для определения передаточной характеристики фильтра решалась изопараметрическая вариационная задача минимизации (1) при различных ограничениях. Уравнение Эйлера имеет вид уравнений второго, четвертого или более высоких порядков. Проведен анализ реализуемых решений уравнения Эйлера в интересах повышения устойчивости контура ФАПЧ к действию помех.

Амплитуда и фаза сигналов космических радиолиний в результате прохождении через ионосферу приобретают флуктуационные искажения. Вследствие этого СПМ процесса искажается, что приводит к априорной неопределенности относительно и возрастанию дисперсии сигнала ошибки на выходе фильтра. Путем соответствующего выбора значения множителя Лагранжа получен фильтр, робастный к искажению СПМ принимаемого сигнала.

Экспериментальные исследования. С помощью имитационного моделирования произведен анализ воздействия различных видов помех на систему ФАПЧ с астатизмом 2-го порядка на основе петли Костаса [4], использующейся в космической радиолинии со сложными фазоманипулированными сигналами с периодической псевдослучайной манипулирующей последовательностью. Рассматривались шумовая, гармоническая, станционная помехи, ретранслированная помеха с постоянной частотной расстройкой относительно сигнала, а также уводящие по частоте ретранслированная и имитационная помехи. Наибольшая эффективность воздействия на контур ФАПЧ достигнута с помощью уводящих по частоте ретранслированной и имитационной помех. Ретранслированная помеха представляет собой переизлученную и усиленную смесь сигнала и шума, частота которой линейно изменяется. При достаточном коэффициенте усиления происходит захват ретранслированной помехи системой ФАПЧ подавляемого приемника, и частота контура ФАПЧ меняется в соответствии с изменением частоты помехи. После того, как частотная расстройка помехи и полезного сигнала превысит ширину полосы захвата системы ФАПЧ по частоте, воздействие помехи прекращается. Уводящая по частоте имитационная помеха действует аналогичным образом, но требует определения псевдослучайной манипулирующей последовательности сигнала подавляемой радиолинии. Важной особенностью применения уводящих по частоте помех является повышение требуемой мощности помехи при увеличении скорости увода частоты подавляемой системы ФАПЧ.



Рис. 3.

На рис. 3а представлены зависимости нормированной мощности передатчика помех от скорости изменения частоты ретранслированной (РП) и имитационной (ИП) уводящих по частоте помех при постоянном значении ширины эквивалентной шумовой полосы подавляемой системы ФАПЧ для двух значений отношения сигнал-шум . Из анализа зависимостей следует, что мощность передатчика ретранслированных помех должна быть на 10..20 дБ выше мощности передатчика имитационных помех. При повышении растет требуемая мощность передатчика помех. Для ретранслированной помехи наблюдается гораздо более сильная зависимость от отношения сигнал-шум . На рисунке 3б изображены зависимости нормированной энергии имитационной помехи от скорости изменения частоты помехи. Как следует из анализа этих зависимостей, существует оптимальное значение , обеспечивающее минимум энергии помехи. Может быть введен комбинированный критерий: , (2)

где , - ширина полосы захвата системы ФАПЧ по частоте, - коэффициент запаса по величине увода частоты ФАПЧ.

Выводы. Полученные результаты позволяют повысить устойчивость систем фазовой синхронизации к действию помех и искажению сигнала, а также определить наиболее опасные типы помех. Оптимизация параметров помех позволяет получить существенный выигрыш в энергетике передатчика помех.

Литература

1. 
   Цифровые системы фазовой синхронизации / М.И. Жодзишский, С.Ю. Сила-Новицкий, В.А. Прасолов и др.; Под ред. М.И. Жодзишского. – М.: Сов. радио, 1980. – 208 с.
   
2. 
   Витерби A. Исследование динамики систем фазовой автоподстройки частоты в присутствии шумов с помощью уравнения Фоккера-Планка // ТИИЭР, 1963, т.51, №12
   
3. 
   Линдсей В. Системы синхронизации в связи и управлении. М.: Сов. радио, 1978. – 600 с.
   
4. 
   Прокис Дж. Цифровая связь. М.: 2000. – 800 с.
   


The Analysis of Information Transmission Space Radio Links Synchronization Systems Stability to Interferences Influence

Kirillov S. Slesarev A.

Ryazan State Radio Engineering University
The digital information transmission space radio links integral part is phase locking system, the main element of which is phase lock loop. At the receive end of radio link phase lock loop produces reference oscillation, the phase of which must differ from phase of receiving oscillation as little as possible. Reference oscillation phase deviations are caused by a number of space radio links specific features: low signal-to-noise ratio, the presence of Doppler frequency shift, amplitude and phase fluctuations, multipath propagation and by other factors. Because of this the task of information transmission space radio links clock system stability analysis is very actual nowadays.

The goal of this work is definition of phase lock loop optimal parameters, which provide high stability to noise influence and received signal distortions, as well as effectiveness examination of different kinds of interferences influence on phase lock system by means of simulation.

For the purpose of increase of clock system stability to noise influence the calculation of loop filter frequency response, which minimizes phase lock loop error signal variance, was carried out. For this purpose the phase lock loop linear model, which is obtained under the assumption of loop phase error relative smallness, is used. The transfer from time to frequency domain was carried out, whereupon isoparametric variational problem of error signal variation minimization along loop filter frequency response was solved. Realizable Euler equation solutions analysis for the sake of increase of phase lock loop stability to interferences influence was produced. Phase lock loop robustness to received signal power spectral density distortion was increased.

By means of simulation the analysis of different kinds of interferences influence on 2^nd order phase lock loop on basis of Costas loop, which was used in space radio links with periodical pseudorandom manipulating sequence phase-shift keyed signals, was carried out. Frequency pull-off retransmitted and simulated interferences showed the highest effectiveness. As a result of experimental analysis it was ascertained that retransmitted interferences transmitter power must be 10..20 dB higher than simulated interferences transmitter power. It was shown that when increasing phase lock loop frequency pull-off rate and decreasing signal-to-noise ratio the required interferences power was rising. The calculation of optimal according to minimum energy criterion simulated interference frequency pull-off rate was carried out.
