Методы программной реализации приемников спутниковых радионавигационных систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.14, кандидат технических наук Семенов, Сергей Александрович

• Семенов, Сергей Александрович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Семенов, Сергей Александрович

Глава 1. Общая структура программных навигационных приемников.

1.1. Основные подходы к построению аппаратно-программных комплексов навигационных приемников.

1.2. Основные типы программных навигационных приемников.

1.3. Основные особенности программных навигационных приемников.

1.4. Области применения программных навигационных приемников.

1.5. Структура аппаратно-программного комплекса цифровой части программного навигационного приемника.

1.5.1. Особенности программных навигационных приемников с постобработкой данных.

1.6. Выводы по главе 1.

Глава 2. Существующие методы поиска, обнаружения и слежения за навигационными сигналами.

2.1. Модуль поиска и обнаружения.

2.2. Слежение за параметрами сигнала и формирование измерений для решения навигационной задачи.

2.3. Алгоритмы верхнего уровня.

2.4. Выводы по главе 2.

Глава 3. Программный многоканальный коррелятор навигационного сигнала.

3.1. Общий подход к построению программного коррелятора.

3.2. Генерация опорного сигнала промежуточной частоты.

3.2.1. Зависимость фазы сигнала на выходе коррелятора от способа генерации опорного сигнала промежуточной частоты.

3.2.2. Практические схемы вычисления опорного сигнала промежуточной частоты

3.3. Генерация битов СА кода.

3.4. Многоканальный аккумулятор.

3.5. Синхронные и асинхронные корреляторы.

3.5.1. Асинхронный коррелятор.

3.5.2. Синхронный коррелятор.

3.6. Выводы по главе 3.

Глава 4. Программная реализация канальных алгоритмов.

4.1. Фазовые соотношения на выходе коррелятора.

4.2. Влияние конечной точности вычислений и сравнение вычислительной емкости различных подходов формирования измерений.

4.3. Построение совместной петли слежения за фазой и задержкой.

4.4. Анализ ошибок, возникающих при переходе к упрощенной модели слежения

4.5. Выделение битов навигационного сообщения в условиях синхронного коррелятора

4.5.1. Определение положения границы бита навигационного сообщения.

4.6. Выводы по главе 4.

Глава 5. Эффективные алгоритмы плавающей арифметики на основе специального представления операндов.

5.1. Общие аспекты, точность и быстродействие.

5.2. Вычисление квадратного корня.

5.3. Вычисление синуса и косинуса.

5.4. Методика тестирование библиотечных процедур.

5.5. Выводы по главе 5.

Глава 6. Результаты экспериментальной проверки программных блоков спутникового навигационного приемника.

6.1. Тестирование МКК.

6.1.1. Методика тестирования МКК.

6.1.2. Результаты тестирования МКК.

6.2. Раздельное тестирование модулей слежения за фазой и задержкой сигнала.

6.2.1. Методика тестирования петли слежения за фазой сигнала.

6.2.2. Результаты тестирования петли слежения за фазой сигнала.

6.2.3. Методика тестирования петли слежения за задержкой сигнала.

6.2.4. Результаты тестирования петли слежения за задержкой сигнала.

6.3. Тестирование совместной работы петель слеженияза фазой и задержкой сигнала

6.3.1. Методика тестирования совместной работы петель слежения за фазой и задержкой

6.3.2. Результаты тестирования совместногй работы петель слежения.

6.4. Выводы по главе 6.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы программной реализации приемников спутниковых радионавигационных систем»

Под программной реализацией навигационного приемника понимается такой подход, при котором все или большая часть операций по цифровой обработке навигационных сигналов и данных выполняется на программируемых процессорах общего назначения, либо на цифровых сигнальных процессорах (Digital Signal Processor, DSP). Толчком к развитию такого подхода оказалось появление новых высокопроизводительных процессоров, например Pentium IV, TMS320C62xx или новое поколение ADSP фирмы Analog Devices серии Tiger Shark на которых, в принципе, можно выполнять цифровую обработку множества навигационных сигналов за практически приемлемое время.

В последние годы сформировалось целое направление исследований с целью создания программно-реализованного GPS приемника (Software GPS Receiver). Развитие программных навигационных приемников происходит по двум основным направлениям:

1. Приемники с обработкой отсчетов промежуточной частоты в режиме постобработки [2], [15], [19], [20];

2. Приемники с обработкой отсчетов промежуточной частоты в режиме реального времени [6], [7], [14], [21].

Практическая реализация программных навигационных приемников наталкивается на существенные трудности из-за того, что возможности программируемых процессоров по многоканальной обработке широкополосных сигналов, в том числе навигационных, все еще, как правило, недостаточны. Во всяком случае, они уступают возможностям, открывающимся при аппаратной реализации многоканальной обработки навигационных сигналов. Поэтому в большинстве случаев применение аппаратных средств цифровой обработки сигналов, таких как заказные СБИС или программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), позволяет достичь более высоких функциональных характеристик при меньших габаритах и энергопотреблении приемника.

Несмотря на большое число работ по программным навигационным приемникам, в них отсутствует детальная проработка особенностей программной реализации основных функциональных блоков в зависимости от области применения. Это затрудняет или делает невозможным рациональный выбор объема и содержания функций составных частей навигационного приемника, реализуемых программным образом, что в конечном итоге может привести к неконкурентоспособности разрабатываемого программного приемника по отношению к традиционным приемникам на основе заказных СБИС. В связи с этим является актуальной поставленная в настоящей работе проблема разработки методов программной реализации навигационных приемников, превосходящих по совокупности своих характеристик в определенном классе приложений традиционные приемники на основе заказной СБИС.

Объект исследования настоящей диссертационной работы - полностью программные навигационные приемники.

Предметом исследования являются вычислительные алгоритмы, являющиеся составной частью полностью программного навигационного приемника, в том числе цифровой обработки сигналов и данных.

Цель работы заключается в разработке эффективных вычислительных алгоритмов, которые позволят создать полностью программный навигационный приемник, по своим характеристикам не уступающий традиционным.

Для достижения этой цели в диссертационной работе решаются следующие задачи: 1. Проводится сопоставительный анализ архитектур и областей применения аппаратно-программных комплексов навигационных приемников с различным объемом программно-реализуемых составных частей.

2. Анализируются существующие методы поиска, обнаружения и слежения за навигационными сигналами, применяемые в полностью программных навигационных приемниках.

3. Разрабатываются эффективные с вычислительной точки зрения алгоритмы корреляционной обработки, обеспечивающие программную реализацию многоканального коррелятора в режиме реального или почти реального времени.

4. Разрабатываются алгоритмы слежения за фазой и задержкой навигационного сигнала, реализуемые и близкие к оптимальным.

5. Разрабатываются эффективные с вычислительной точки зрения алгоритмы работы с числами в плавающем представлении, предназначенные для работы в составе модулей формирования измерений, вычисления координат спутников и решения навигационной задачи.

6. Экспериментальная проверка основных программных блоков навигационного приемника.

Методы исследования базировались на математическом аппарате цифровой обработки сигналов, математической статистики и моделирования методом Монте-Карло.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в том, что впервые проанализирован весь комплекс программного обеспечения навигационного приемника с точки зрения полностью его программной реализации. Впервые представлены алгоритмы цифровой обработки сигналов, в полном объеме реализующие многоканальный коррелятор, работающий в режиме реального времени. Разработан новый алгоритм слежения за задержкой и фазой на основе фильтра Калмана. Разработаны специальные представления данных и алгоритмы работы с ними, необходимые для эффективной реализации на целочисленных программируемых процессорах.

Теоретическая значимость результатов диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработан метод программной реализации многоканальных корреляторов навигационных сигналов на процессорах общего назначения.

2. Синтезирован оптимальный алгоритм слежения за навигационным сигналом.

3. Доказана эффективность и реализуемость алгоритмов слежения за фазой и задержкой навигационного сигнала на основе фильтра Калмана.

4. Выявлены основные аспекты, требующие анализа при разработке конкурентоспособного полностью программного навигационного приемника.

Практическая ценность диссертации состоит в том, что ее результаты могут быть непосредственно использованы при разработке полностью программного навигационного приемника. Разработанные алгоритмы успешно реализованы в ряде навигационных приемников с полностью программным подходом или с использованием простейшего аппаратного коррелятора.

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработанная архитектура позволяет создать полностью программный навигационный приемник, сравнимый по совокупности потребительских характеристик с традиционными приемниками в ряде приложений.

2. На основе полученных соотношений между измеряемыми величинами на выходе коррелятора и параметрами сигнала, синтезированы вычислительно эффективные алгоритмы слежения за фазой и задержкой сигнала, обладающие высокими характеристиками.

3. Разработанные принципы построения операционной оболочки позволяют реализовать высококачественный программный навигационный приемник на базе широкой совокупности современных процессоров.

4. Синтезированные алгоритмы генерации опорных последовательностей и параллельного суммирования обеспечивают эффективную программную реализацию многоканального коррелятора.

5. Предложенное представление плавающих чисел и разработанные алгоритмы, реализующие основные действия над операндами в таком представлении, позволяет достичь необходимой точности при вычислительных затратах, существенно меньших, чем для стандартного представления.

Основные публикации по теме диссертации:

A.Fridman, S.Semenov. Architectures of Software GPS Receivers. GPS Solutions, Vol.3, No.4, Spring 2000, pp. 58-64. John Wiley & Sons, Inc.

A.Fridman, S.Semenov "Architecture of Software of TFAG50 Low-Cost Low Power GPS/GLONASS Receiver", Proceeding of the 14th International Technical Meeting ION GPS-2001, pp.768-777, Salt Lake City, September, 2001.

Р.В.Бакитько, П.А.Гридин, В.П.Полыциков, С.А.Семенов, А.Е.Фридман. Двухчастотный GPS приемник с многоканальным коррелятором на FPGA. Доклад на конференции НИИКП, Москва, 2003

Заключение диссертации по теме «Радиолокация и радионавигация», Семенов, Сергей Александрович

6.4. Выводы по главе 6

1. Алгоритмы, разработанные в диссертационной работе, были промоделированы с помощью методов Монте-Карло. Показано, что результаты их работы практически совпадают с теоретически ожидаемыми.

2. Результаты, полученные при тестировании петель слежения показали, что разработанные алгоритмы слежения, помимо высокой вычислительной эффективности, обладают высокой точностью, возможностью следить за слабыми сигналами (не более 30 Дб) и в условиях высокой динамики пользователя (свыше 15g).

Глава 7. Заключение

Проведенный анализ областей применения программных приемников спутниковой навигации показал, что во многих случаях программная реализация основных функциональных блоков, в том числе многоканального коррелятора, позволяет создавать навигационные устройства, превосходящие по совокупности потребительских характеристик традиционные навигационные приемники, в которых основные операции по обработке сигналов реализуются на специализированных СБИС или ПЛИС.

Для решения поставленной проблемы создания конкурентоспособного программного навигационного приемника решен ряд задач с целью наиболее полного использования преимуществ программируемых процессоров и учета ограниченности вычислительных ресурсов, в частности:

1. Предложена общая структура программного навигационного приемника, с разбиением всего программного комплекса на независимые модули (задачи), связанные друг с другом посредством выделенной памяти и использующие операционную оболочку для арбитража вызовов и распределения вычислительных ресурсов процессора.

2. Разработаны специальные алгоритмы, используемые при создании эффективной в вычислительном отношении программы, реализующей многоканальный коррелятор. Полное использование возможностей современных процессоров по обеспечению организации параллельных вычислений, оптимальное соотношение между используемой памятью и количеством тактов процессора позволило реализовать многоканальный коррелятор, обрабатывающий входные данные в режиме реального времени (или почти реального времени). В частности, использование параллельного сумматора с оптимизированным алгоритмом обновления разрядов снижает затраты на вычисление свертки почти на порядок.

3. Использование в петлях слежения механизма фильтрации Калмана позволяет синтезировать субоптимальные системы слежения за задержкой и фазой. На основе анализа статистических свойств измерений фазы и задержки в работе показано, что без потери эффективности единая система распадается на две почти независимых: подсистема система слежения за фазой и подсистема система слежения за задержкой. Каждая из этих подсистем основана на фильтре Калмана с соответствующей размерностью пространства состояний. При этом сокращается количество вычислений, что очень важно при работе петель слежения в составе программного навигационного приемника.

4. На основе анализа возможных принципов построения системы поиска и обнаружения навигационных сигналов показано, что наиболее целесообразным для применения в программном навигационном приемнике является схема "временных сверток".

5. Показано, что избыточная точность при формировании измерений псевдодальности и фазы, вычислении координат спутников и решении навигационной задачи приводит к неоправданному многократному увеличению вычислительных затрат, особенно при использовании целочисленных процессоров. В работе на основе анализа динамических диапазонов используемых величин предлагается специальное плавающее представление, являющееся оптимальным с точки зрения точности и вычислительных затрат. Кроме того, предложены эффективные алгоритмы, реализующие наиболее "времяемкие" функции, а именно: тригонометрические и вычисления квадратного корня.

6. Полученные в работе результаты моделирования различных модулей программного навигационного приемника подтвердили пригодность используемых подходов в качестве базовых алгоритмов программного навигационного приемника.

7. Многие из предложенных алгоритмов могут быть использованы не только в составе полностью программного приемника, но и в том случае, если используется упрощенный аппаратный коррелятор, например, не имеющий в своем составе петель слежения за параметрами сигнала. Высокая эффективность разработанных алгоритмов позволяет на их основе разрабатывать навигационные приемники высокого класса, как, например, описанные в [24] и [27].

В заключение следует отметить, что вследствие высоких темпов появления новых высокопроизводительных процессоров, с одной стороны, и расширения функциональных возможностей новых СБИС и ПЛИС, с другой стороны, проблема рационального выбора между аппаратной и программной реализацией основных функциональных блоков разрабатываемых навигационных приемников сохранит свою актуальность в обозримом будущем. Конечно, при этом потребуются дополнительные усилия, направленные на оптимизацию алгоритмов применительно к новым вычислительным платформам, однако подходы и алгоритмы, разработанные в настоящей работе, могут служить ориентиром для будущих исследований.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Семенов, Сергей Александрович, 2005 год

1. В. Н. Харисов, А. И. Перов, В. А. Болдин "Глобальная Спутниковая Радионавигационная Система ГЛОНАСС", Москва, ИПРЖР, 1998

2. Gabriele Belle et al "The U. S. Air Force Academy GPS Flight Experiment Using The Navsys TIDGET", Proceeding of the 10th International Technical Meeting ION GPS-97, pp.783-795, Nashville, Tennessee, September, 1997

3. David M. Lin, James B. Y. Tsui "Acquisition Schemes for Software GPS Receiver", Proceeding of the 11th International Technical Meeting ION GPS-98, pp.317-325, Nashville, Tennessee, September, 1998

4. Sergey V. Lyusin, Ilia G. Khazanov, Sergey V. Likhovid "Fast Acquisition by Matched Filter Technique for GPS/GLONASS Receivers", Proceeding of the 11th International Technical Meeting ION GPS-98, pp.307-315, Nashville, Tennessee, September, 1998

5. John J. Schamus, James B. Y. Tsui "Acquisition to Tracking and Coasting for Software GPS Receiver", Proceeding of the 12th International Technical Meeting ION GPS-99, pp.325-328, Nashville, Tennessee, September, 1999

6. Andrey Bochkovski et al "SoftFlex: An Advanced Approach to Design of GNSS Receiver With Software Correlator", Proceeding of the 12th International Technical Meeting ION GPS-99, pp.353-362, Nashville, Tennessee, September, 1999

7. Vimala C. et al "Accord's Next Generation High Performance GPS/WAAS Receiver based on the Soft-Correlator", Proceeding of the 13th International Technical Meeting ION GPS-2000, pp.329-336, Nashville, Tennessee, September, 2000

8. Ville Eerola "Rapid Parallel Signal Acquisition", Proceeding of the 13 th International Technical Meeting ION GPS-2000, pp.810-816, Nashville, Tennessee, September, 2000

9. David M. Lin, James B. Y. Tsui "Comparison of Acquisition Methods for Software GPS Receiver", Proceeding of the 13th International Technical Meeting ION GPS-2000, pp.2385-2390, Nashville, Tennessee, September, 2000

10. David M. Lin, James B. Y. Tsui "An Efficient Weak Signal Acquisition Algorithm for a Software GPS Receiver", Proceeding of the 14th International Technical Meeting ION GPS-2001, pp.115-119, Salt Lake Sity, September, 2001

11. Dr. Chung Yang "FFT Acquisition of Periodic, Aperiodic, Puncture and Overlaidth

12. Code Sequences in GPS", Proceeding of the 14 International Technical Meeting ION GPS-2001, pp. 137-147, Salt Lake Sity, September, 2001

13. Alexander Fridman, Serguei Semenov "Architecture of Software of TFAG50 Low-Cost Low Power GPS/GLONASS Receiver", Proceeding of the 14th International Technical Meeting ION GPS-2001, pp.768-777, Salt Lake Sity, September, 2001

14. Kent Krumvieda et al "A Complete IF Software GPS Receiver: A Tutorial about the Details", Proceeding of the 14th International Technical Meeting ION GPS-2001, pp.789-811, Salt Lake Sity, September, 2001

15. R. Pratt, D. J. Molyneux "Post Processing Algorithms for Translator-Type GPS Receiver", Proceeding of the 15th International Technical Meeting ION GPS-2002, pp.695-702, Nashville, Tennessee, September, 2002

16. David M. Lin, James B. Y. Tsui "A Weak Signal Tracking Technique for a Stand-Along Software GPS Receiver", Proceeding of the 15th International Technical Meeting ION GPS-2002, pp.2534-2538, Nashville, Tennessee, September, 2002

17. John J. Schamus, David M. Lin, James B. Y. Tsui "Real Time Software GPS Receiver", Proceeding of the 15th International Technical Meeting ION GPS-2002, pp.2561-2565, Nashville, Tennessee, September, 2002

18. Jr. Tomas, "Digital Signal Processor and processing method for GPS receivers," US Patent US4821294

19. Alison K. et al. "GPS tracking system," US Patent US5379224

20. Analog Devices, Engineer To Engineer Note EE 24

21. S. Bondarenko et al "A High Energy (up to 120 Gev) Hadron Shower Detector", Nuclear Instruments and Methods, vol. C, pp. 712-732, 1996

22. M.L. Psiaki "Smoother-Based GPS Signal Tracking in a Software Receiver", Proceeding of the 14th International Technical Meeting ION GPS-2001, pp.29002913, Nashville, Tennessee, September, 2001

23. Alexander Fridman, Serguei Semenov "Architectures of Software GPS Receivers", GPS Solutions, Vol. 3, No. 4, Spring 2000, pp. 58-64

24. Verhaegen, Van Dooren "Numerical aspects of different Kalman filter implenentation", IEEE Transactions on Automatic Control, Vol. AC-31

25. W. Parkinson, J. Spilker "Global Positioning System: Theory and Applications", Vol. I, pp. 363, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc., Washington.

26. Р.В.Бакитько, П.А.Гридин, В.П.Полыциков, С.А.Семенов, А.Е.Фридман. Двухчастотный GPS приемник с многоканальным коррелятором на FPGA. Доклад на конференции НИИКП, Москва, 2003