Методика и средства повышения помехоустойчивости приёмовычислителей спутниковых навигационных систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.17, кандидат технических наук Огнев, Владимир Анатольевич

• Огнев, Владимир Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Огнев, Владимир Анатольевич

Список использованных сокращений.

Введение.

1. Особенности обработки информации в СНС. Оценка помехозащищённости существующих ПВ.

1.1. Структура СНС. Принципы выполнения навигационных определений в ПВ. Проблема обеспечения помехоустойчивости ПВ.

1.2. Математическая модель существующих сигналов СНС. Анализ структуры ПВ с двухэтапной обработкой сигналов СНС.

1.3. Анализ факторов, влияющих на процесс получения навигационной информации в СНС.

1.3.1. Виды помех и их математические модели.

1.3.2. Влияние структуры используемых сигналов на помехоустойчивость ПВ.

1.3.3. Влияние динамики объекта на помехоустойчивость ПВ.

1.4. Оценка помехоустойчивости существующих ПВ.

1.5. Подходы к улучшению работы ПВ в условиях действия помех. 29 ^ ,1.6. Повышение помехоустойчивости ПВ за счёт обработки перспективных сигналов СНС.

1.6.1. Анализ свойств сигналов в модернизируемых и новых СНС

1.6.2. Проблема синтеза перспективного ПВ.

1.7. Выводы.

2. Синтез структуры ПВ, использующего при работе перспективные сигналы СНС.

2.1. Постановка задачи синтеза следящих схем ПВ.

2.2. Синтез дискриминаторов следящих систем для когерентного режима работы ПВ.

2.3. Синтез дискриминаторов следящих систем для некогерентного режима работы ПВ.

2.4. Анализ статистических свойств синтезированных дискриминаторов. Линеаризация моделей следящих схем ПВ.

2.5. Построение сглаживающих фильтров схем слежения за параметрами информационного и пилот-сигнала.

2.6. Алгоритм выделения навигационной информации в некогерентном режиме.

2.6.1. Основные этапы выделения навигационной информации из сигналов НКА.

2.6.2. Алгоритм битовой синхронизации.

2.6.3. Алгоритм идентификации битов для когерентного режима.

2.6.4. Алгоритм идентификации битов для некогерентного режима, использующий только информационную компоненту сигнала.

2.6.5. Алгоритм идентификации битов для некогерентного режима использующий информационный и пилот-сигнал.

2.7. Выводы.

3. Анализ характеристик перспективного ПВ методом

• компьютерного моделирования.

3.1. Задачи имитационного моделирования.

3.2. Разработка имитационной модели.

3.2.1. Общая структура модели.

3.2.2. Генерация полезного сигнала.

3.2.3. Генерация помех.

3.2.4. Блок "Модель приёмовычислителя".

3.3. Разработка упрощённой имитационной модели.

3.4. Методика проведения вычислительного эксперимента, результаты моделирования и оценка их достоверности.

1 3.4.1. Методика проведения вычислительного эксперимента и оценка достоверности получаемых результатов.

3.4.2. Результаты исследования помехоустойчивости следящих схем ПВ в когерентном режиме.

3.4.3. Методика и результаты исследования надёжности выделения битовой информации в когерентном режиме.

3.4.4. Результаты исследования помехоустойчивости следящих схем ПВ в некогерентном режиме.

3.4.5. Результаты исследования надёжности выделения битовой информации в некогерентном режиме.

3.5. Выводы.

4. Экспериментальная проверка работы синтезированного ПВ.

4.1. Цель эксперимента.

4.2. Проблемы проведения эксперимента.

4.3. Описание макета приёмовычислителя.

4.4. Разработка устройства поиска сигналов СНС.

4.4.1. Задача обнаружения сигналов.

4.4.2. Определение размеров области поиска и требований к точности оценки информативных параметров.

4.4.3. Использование преобразований Фурье для ускорения обнаружения сигналов НКА.

4.4.4. Выбор порога обнаружения.

4.4.5. Алгоритм синхронизации по фазе вторичного кода пилот-сигнала.

4.5. Результаты эксперимента.

4.5.1. Проверка работоспособности макета.

4.5.2. Результаты работы УПС.

4.5.3. Результаты работы следящих схем.

4.6. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика и средства повышения помехоустойчивости приёмовычислителей спутниковых навигационных систем»

Актуальность данной работы обусловлена тем, что к 2015 году ожидается ввод в эксплуатацию новых сигналов (GPS L1C и GALILEO Е1) спутниковых навигационных систем. Эти сигналы характеризуются повышенной скоростью передачи информации. Вместе с тем, известно, что при заданном способе передачи информации при фиксированном отношении "сигнал/шум" увеличение скорости передачи данных приводит к росту вероятности неправильного приёма информации, то есть к снижению помехоустойчивости информационных коммуникаций между приёмовычислителем и навигационными спутниками.

Помимо этого, в работах других авторов отсутствует теоретическое обоснование структуры перспективного приёмовычислителя, способного обрабатывать сигналы GPS L1C и GALILEO El.

Целью работы является разработка средств, обеспечивающих выделение приёмовычислителем цифровой информации из новых сигналов систем GALILEO и GPS при низких отношениях "сигнал/помеха", что обеспечит надёжность информационных коммуникаций между навигационными спутниками и приёмовычислителями.

Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи исследования:

1) проведён анализ структуры существующих приёмовычислителей и выявление факторов, влияющих на их помехоустойчивость;

2) проведён анализ методов повышения помехозащищённости приёмовычислителей СНС;

3) построена математическая модель перспективных сигналов СНС и проанализированы их свойства;

4) построена математическая модель приёмовычислителя, использующего перспективные сигналы СНС;

5) разработана имитационная модель синтезированного приёмовычислителя для оценки его характеристик;

6) г разработан макет приёмовычислителя для экспериментальной проверки правильности синтезированных алгоритмов обработки сигналов СНС.

Методы исследований. При решении перечисленных задач были использованы прикладные методы теории вероятностей и теории случайных процессов, методы теории оптимальной фильтрации, а также методы математического моделирования и теории надёжности.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что в ней для приёмовычислителей, ориентированных на обработку новых (GPS L1C и GALILEO El) сигналов СНС: предложено унифицированное математическое описание новых и существующих сигналов; синтезированы оптимальные (по критерию минимизации среднеквад-ратической ошибки) алгоритмы оценки информативных параметров, использующие как информационную, так и пилот-компоненту сигналов; предложены алгоритмы выделения данных для некогерентного режима работы ПВ; на базе разработанных алгоритмов создана* математическая модель ПВ, с использованием которой получены оценки помехоустойчивости синтезированного приёмовычислителя.

На защиту выносятся:

1. Унифицированное математическое описание новых и существующих сигналов.

2. Математическая модель приёмовычислителя СНС.

3. Алгоритмы оценки информативных параметров сигналов.

4. Алгоритм!выделения навигационных сообщений для некогерентного режима работы ПВ.

5. Результаты исследования помехоустойчивости следящих схем ПВ и различных алгоритмов выделения навигационных сообщений.

Практическая значимость работы состоит в том, что создан программный комплекс, позволяющий проводить моделирование работы приёмовычислителей с целью оптимизации их параметров. С использованием разработанной имитационной модели можно прогнозировать характеристики приёмовычислителей до их непосредственной реализации в виде макетов.

Внедрение результатов. Основные результаты работы внедрены в Московском конструкторском бюро "Компас", что подтверждено соответствующим актом.

Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на конференциях «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества», МГТУ ГА, 18-19 мая 2006 г.; «Студенческая наука», МГТУ им. Н.Э. Баумана, ноябрь 2008 и 2009, «Студенческая научная весна» МГТУ им. Н.Э. Баумана, апрель 2008 и 2009; «Тенденции и гармонизация развития радионавигационного обеспечения», МАДИ, 26 ноября 2008 г.

Публикация результатов. Основные результаты опубликованы в 5 статьях (из них 3 - в изданиях из перечня ВАК) и 7 тезисах докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Основная часть диссертации содержит 164 страниц текста, 68 рисунков, 16 таблиц и библиографию из 61 наименований. Общий объем работы 166 страниц.

Заключение диссертации по теме «Теоретические основы информатики», Огнев, Владимир Анатольевич

Выводы по работе

В работе получены следующие результаты:

1 предложено унифицированное описание новых (GALILEO El и GPS L1 С) и существующих (ГЛОНАСС L1 СТ и GPS L1 С/А) сигналов СНС и с его использованием синтезированы оптимальные (по критерию минимизации среднеквадратической ошибки) схемы оценки информативных параметров (задержки, частоты, фазы) сигналов СНС;

2 разработана математическая модель перспективного ПВ, способного обрабатывать как существующие (ГЛОНАСС L1 СТ и GPS L1 С/А), так и новые (GALILEO El и GPS L1 С) сигналы СНС, пригодная для описания работы ПВ в когерентном и некогерентном режимах;

3 создана имитационная модель, позволяющая исследовать помехоустойчивость следящих схем ПВ и надёжность выделения НС;

4 предложена методика определения помехоустойчивости следящих схем ПВ и вероятности неправильной идентификации битов НС в ПВ;

5 получены оценки помехоустойчивости автономных и комплексирован-ных СС синтезированного ПВ и надёжности выделения НС при использовании различных алгоритмов битовой идентификации;.

6 разработан инструментарий (программно-аппаратная платформа), позволяющий использовать реальные сигналы СНС при отладке алгоритмов работы ПВ, что обеспечивает высокую достоверность получаемых результатов;

7 создан научно-технический задел для создания в ходе ОКР опытных образцов ПВ, обрабатывающих новые сигналы (GALILEO El и GPS L1 С) СНС.

Заключение

Дальнейшее повышение помехоустойчивости выделения передаваемой навигационными спутниками информации возможно за счёт учёта в ПВ особенностей формата кадров НС. Например, согласно [39], часть информационных полей НС сигнала GPS L1C меняются с интервалом 2 ч, что позволит построить алгоритмы выделения битовой информации по результатам приёма сигналов от НКА на нескольких периодах повторения НС.

В целом надёжность работы ПВ может быть повышена за счёт дальнейшего расширения набора одновременно обрабатываемых сигналов. В частности в ближайшей перспективе интерес представляет синтез алгоритмов обработки сигналов с кодовым разделением доступа частотного диапазона L3 системы ГЛОНАСС (первый НКА типа "ГЛОНАСС-К" начал излучать этот навигационный сигнал в апреле 2011 г.). Для построения такого ПВ может использоваться методика, аналогичная предложенной в данной работе.

158

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Огнев, Владимир Анатольевич, 2011 год

1. Madden D. GPS Program Update // ION GNSS 2009 Panel Session. Savannah (USA), 2009. P. 3349 3366.

2. Revnivykh S. GLONASS Status and Progress // ION GNSS 2010. Portland (USA), 2010. P. 609-633.

3. Oosterlinck. R. Galileo Programme Status // ION GNSS 2010. Portland, (USA), 2010. PP. 634-659.

4. Перов А. И., Харисов В. H. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования. Изд. 3-е, перераб. М.: Радиотехника, 2005. 688 с.

5. Deshpande S. Modulated Signal Interference in GPS Acquisition // ION GNSS 2004. Long-Beach (USA), 2004. P. 76 86.

6. Gershanoff H. Russian GPS Jammer Introduced // Journal of Electronic Defense. 1999. V. 22, Issue 8. P. 28.

7. James C. Vulnerability Assessment of the U.S. Transportation Infrastructure that Relies on GPS // ION NTM 2001. Long-Beach (USA), 2001. P. 975 981.

8. Глобальная- навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ. Редакция 5.1. URL. http://rniikp.ru/ru/pages/about/publ/ICD GLONASS, rus.pdf (дата обращения апрель 2011)

9. Перов А. И. Статистическая теория радиотехнических систем. М.: Радиотехника, 2003. 400 с.

10. Cutright С., Burns J.R. , Braasch M.S. Characterization of Interference Mitigation Performance versus Quantization Error in Software Radios // ION Annual Meeting 2003. Albuquerque (USA), 2003. P. 323-332.

11. Варакин JI.E. Системы.связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь, 1985. 384 с.

12. Casabona М., Rosen М. Discussion of GPS Anti-jam Technology // GPS Solutions. 1999. Volume 2, Number 3. P. 18-23.

13. Cannon M., Deshpande S. Interference Effects on the GPS Signal Acquisition // ION NTM 2004. San Diego (USA), 2004. P. 1026 1036.

14. Spilker J., Natali F. Interference Effects and Mitigation Techniques //Global Positioning System: Theory and Applications. Volume 1. American-Institute of Aeronautics and Astronautics Inc. Piscataway (USA), 1996. P. 717-771.

15. Wen H., Yih-Ru P.; Countermeasures for GPS signal spoofing // ION GNSS-2005. Long-Beach (USA), 2005. P. 1285 1290.

16. Иванов C.P., Огнев B.A. Методика упрощённой оценки влияния негауссовых помех на приёмовычислители спутниковых навигационных систем // Сб. аннотированных трудов кафедры «Компьютерные системы и сети», М: Эликс+, 2008. С. 33-35.

17. Перов А.И., Болденков Е.Н. Анализ помехоустойчивости системы ФАЛ приёмника1 сигналов спутниковых радионавигационных систем // Радиотехнические тетради. 2002. №24. С.46-50.

18. Кинкулькин И.Е., Трошин П.В1 Оценка уязвимости аппаратуры потребителей СРНС при воздействии1 внутриполосных помех // Новости навигации. 2008. №4. С. 60-71.

19. Перов А. И., Харисов В. Н. Некогерентный приём радиосигналов в теории оптимальной фильтрации // Радиотехника. 2003. №7. С. 52-61.

20. Parkinson В. W., Spilker J. J. Global Positioning System: Theory and Applications. Volume I. Reston (USA): American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1996. 620 p.

21. Иванов C.P., Огнев B.A. Методы повышения помехоустойчивости аппаратуры потребителей спутниковых навигационных систем // Информационные технологии. 2009. №4. С. 55-61.

22. Falcone К., Dimos G. Small affordable anti-jam GPS antenna (SAAGA) development // ION GPS-99: Nashville (USA), 1999. P. 1149 1156.

23. Rosen M., Braasch M. Low-Gost GPS Interference Mitigation^ Using Single Aperture Cancellation Techniques // ION NTM-98. Long Beach (USA), 1998. P. 47-58.

24. Kim S., litis R. GPS C/A Code Tracking with Adaptive Beamforming and Jammer Nulling // 36-th IEEE Proceedings. Section Signals, Systems and Computers, Piscataway (USA), 2002. Volume 2. P. 975 979.

25. Vorobyov S., Gershman, A. Robust Adaptive Beamforming Using Worst-Case Perfomance Optimization: A Solution to the Signal Mismatch Problem // IEEE Transaction on Signal Processing. 2002. Vol. 51, No. 2. P. 313-324.

26. Перов А.И. Синтез оптимального алгоритма обработки сигналов в приемнике спутниковош навигации при' воздействии гармонической, помехи // Радиотехника*. 2005. №7. С. 34-38.

27. Уидроу Б., Стирнс С. Адаптивная обработка сигналов. М.: Радио и связь, 1989. 440 с.

28. Gunawardena S., Soloviev A. Real Time Block Processing Engine for Software GNSS Receiver // ION AM2004. San Diego (USA), 2004. P. 108 114.

29. Шилов А.И. Бакитько P. В. Предварительная? обработка шумопо-добных сигналов при наличии сильных интерференционных помех // Радиотехника. 2005. №7. С. 12-17.

30. Бакитько Р. В. Использование весовых функций для предварительной обработки шумоподобных сигналов при наличии сильных интерференционных помех // Радиотехника. 2006. №6. С 13-17.

31. Petovello М., Lashapelle G. Ultra-Tight GPS/INS for Carrier Phase Positioning In Weak-Signal Environment //NATO RTO SET-104. Symposium on Military Capabilities Enabled by Advances in Navigation Sensors". Antalya (Turkish), 2007. P. 97-106.

32. Wang G., Sinclair D. A< Neutral Network and Kalman Filter Hybrid Approach for GPS/INS Integration. URL. http://www.gmat.unsw.edu.au/snap/publications/wangia etal2006c.pdf (дата обращения апрель 2011)

33. Benson D. Interference Benefits of a Vector Delay Lock Loop (VDLL) GPS Receiver, MITRE corporation. URL. www.mitre.org/work/tech papers/tech papers07/07./07 0345.pdf (дата обращения апрель 2011)

34. Соловьёв Ю.А. Системы спутниковой навигации. М.: Эко-Трендз, 2000. 270 с.

35. Joint Statement on Galileo and GPS Signal Optimization By the European Commission (EC) and the United States (US) Brussels 24 March 2006. URL. www.losangeles.af.mil/shared/media/document/AFD-070803-062.pdf (дата обращения апрель 2011).

36. Galileo Open- Service. OS SIS ICD. Draft 1. April 2008. URL. http://www.gsa.europa.eu/go/galileo/os-sis-icd (дата обращения апрель 2011)

37. Avila-Rodriguez, J.A., Hein. The MBOC Modulation: The Final Touch to the Galileo Frequency and Signal Plan // ION GNSS 2007. Fort Worth (USA);2007. P. 1515 1529.

38. Avila Rodriguez J.-A., Macabiau J. CBOC An Implementation of MBOC // http://forschung.unibw-muenchen.de : Forschung University. URL. http://forschung.unibw-muenchen.de/papers/lria01mxa32kvbfsni8pwdx8iupwl.pdf&sa=U&ei=RqqITb7hOJHoOc3zvZIO&ved=

39. OCAsOFiAA&usg=AFOiCNEgPt qghH9Dml7ckvd7810hdEnyg (дата обращения апрель 2011)

40. Betz J. Binary Offset Carrier Modulations for Radionavigation //NAVIGATION. Journal of The Institute of Navigation. 2001-2002. Vol. 48, № 4. P. 227-242.

41. Julien О. Design of Galileo L1F Receiver Tracking Loops. PhD Thesys. DEPARTMENT OF GEOMATICS ENGINEERING. Calgary (Canada). 347 p.

42. Julien O., Macabiau C. Two for One. Tracking Galileo CBOC Signal with TMBOC // Inside GNSS. 2007. Spring. P. 50-57.

43. Macabiau C., Avila Rodriguez J.-A., Hein G. On Potential CBOC/TMBOC Common Receiver Architectures // ION GNSS 2007. Fort Worth (USA), 2007. P. 1530-1542.

44. Ярлыков M.C. Меандровые радиосигналы (ВОС-сигналы) в спутниковых радионавигационных системах нового поколения // Новости навигации. 2007. №3. С. 10-23.

45. C.A. Stephens. Controlled-Root Formulation for Digital Phase-Locked Loops // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 1995. Vol. 31, No.l.P. 78-95.

46. Аполлонов А., Баранов Э. Формирование радиопомех с изменяющейся частотой для имитации помеховой обстановки // Научный вестник Московского Государственного Университета Гражданской Авиации. 2009. № 139. С. 124-128.

47. Справочник. Надёжность в технических системах. Под редакцией проф. И.А, Ушакова. М: Радио и связь. 1985. 606 с.

48. GPS Simulators and Multi-GNSS test equipment // http://www.spirentfederal.com : GPS simulators. URL. http://www.spirentfederal.com/ GPS/ (дата обращения апрель 2011)

49. Аппаратура имитации ГЛОНАСС /GPS /GALILEO // http://www.navis.ru: ЗАО «КБ НАВИС». URL. http://www.navis.ru/ catalog 17.html (дата обращения апрель 2011)

50. ESA GALILEO System Simulation Facility // http://www.gssf.info: ESA - GALILEO System Simulation Facility home. URL. http://www.gssf.info/default.htm (дата обращения апрель 2011)

51. Determination of Galileo GIOVE-A LI BOC(l,l) PRN Codes // http://gps.ece.cornell.edu: GPS Laboratory. URL. http://gps.ece.cornell.edu/galileo/ (дата обращения апрель 2011)

52. Xilinx DS099 Spartan-3 FPGA Family data sheet // www.xilinx.com: Xilinx Home Page. URL www.xilinx.com/support/documentation/datasheets/ ds099.pdf (дата обращения апрель 2011)

53. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы. Учебник для вузов. Издание третье, переработанное и дополненное. М: Советское радио, 1977.512 с.

54. Болденков Е. Н. Разработка и исследование оптимальных алгоритмов обработки сигналов в аппаратуре спутниковой навигации. Дисс. канд. техн. наук. М.: МЭИ, 2007. 226 с.

55. Информационные технологии в радиотехнических системах: Учебное пособие для вузов (под ред. Федорова И.Б.). Изд. 2-е, перераб., доп. М: МГТУ имени Н.Э. Баумана. 2004. 768 с.

56. Харисов В.Н., Булавский Н.Т., Хамматов P.P. Распределение случайных помех множественного доступа // Радиотехника. 2009. №7. С. 112-116.

57. Харисов В.Н., Оганесян A.A. Потенциальные характеристики помехоустойчивости перспективных сигналов ГНСС. // Радиотехника. 2010. №7. С. 121-126.