Разработка методов пространственно-временной режекции помех в аппаратуре потребителей спутниковых радионавигационных систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.14, кандидат технических наук Иванов, Александр Михайлович

• Иванов, Александр Михайлович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Иванов, Александр Михайлович

Содержание.

Список сокращений.

Список иностранных аббревиатур.

Введение.

Глава 1. Постановка задачи.

1.1 Структура спутниковой радионавигационной системы.

1.1.1 Принцип радионавигационных измерений.

1.1.2 Структура навигационного сигнала.

1.1.3 Структура дальномерной последовательности.

1.1.4 Состав аппаратуры потребителя.

1.1.5 Необходимость подавления помех.

1.2 Виды помех.

1.3 Методы подавления помех.

1.4 Структура помехозащищенного оборудования пользователя.

1.4.1 Обзор существующих пространственных подавителей.

1.5 Основные результаты главы 1.

Глава 2. Алгоритмы пространственного подавления помех.

2.1 Обобщенная структура пространственного подавителя.

2.2 Критерии выработки управляющего воздействия.

2.3 Подавление помехи с помощью минимизации выходной мощности.

2.4 Алгоритм минимизации выходной мощности при линейном ограничении.

2.5 Прямое формирование нулей диаграммы направленности в направлении па помеху.

2.6 Учет ширины полосы помехи.

2.6.1 Пространственно-временной алгоритм.

2.6.2 Простраиственно-частотный алгоритм.

2.7 Оценка вычислительных затрат при реализации адаптивных алгоритмов.

2.7.1 Пространственный алгоритм.

2.7.2 Пространственно-временной алгоритм.

2.7.3 Пространственно-частотный алгоритм.

2.7.4 Сравнение алгоритмов по вычислительным затратам.

2.8 Критерии сравнения алгоритмов подавления.

2.9 Факторы, снижающие эффективность алгоритмов режекции.

2.10 Исследование качества работы алгоритмов режекции (моделирование алгоритмов пространственной режекции помех).

2.10.1 Структура программного макета.

2.10.2 Формирование входного сигнального воздействия.

2.10.2.1 Формирование полезного сигнала.

2.10.2.2 Формирование сигнала источников помех.

2.10.2.3 Формирование реализации шума.

2.10.2.4 Формирование суммарного входного воздействия подавителя помех.

2.10.3 Задание параметров расчета.

2.10.4 Программа расчетов.

2.10.5 Результаты расчетов.

2.10.5.1 Одна помеха.

2.10.5.2 Две помехи.

2.10.5.3 Зависимость от числа равномощных ШП помех по центру полосы пропускания УПЧ.

2.10.5.4 Зависимость от числа равномощных гармонических помех на разной частоте при одной ШП по центру полосы пропускапия УПЧ.

2.10.5.5 Шесть равномощных гармонических помех на одной частоте при одной ШП по центру полосы пропускания УПЧ.

2.10.6 Обсуждение результатов моделирования.:.

2.11 Основные результаты главы 2.

Глава 3. Адаптивные алгоритмы подавления внутридпапазонных узкополосных помех.

3.1 Искажения полезного сигнала при режекции узкополосных помех.

3.2 Режекция трансверсальным фильтром (временной алгоритм).

3.3 Режекция с помощью БПФ (частотный алгоритм).

3.4 Основные результаты главы 3.

Глава 4. Влияние неидентичности приемных каналов на качество работы подавителя.

4.1 Модель неидентичности приемных каналов.

4.2 Оценка влияния различных параметров неоднородности коэффициента передачи на качество подавления помехи.

4.2.1 Влияние коррелированное™ параметров неоднородности.

4.2.2 Влияние амплитудной неоднородности.

4.2.3 Влияние неоднородности ГВЗ.

4.3 Описание алгоритмов компенсации неидентичности коэффициентов передачи.

4.3.1 Выравнивание каналов с помощью трансверсального фильтра.

4.3.2 Частотный метод коррекции.

4.4 Критерии качества компенсации неидентичности.

4.5 Результаты моделирования по коррекции неидентичности для различных значений параметров алгоритмов коррекции.

4.6 Основные результаты главы 4.

Глава 5. Экспериментальное исследование пространственных методов помехоустойчивой обработки сигналов глобальных спутниковых радионавигационных систем.

5.1 Назначение макета пространственного подавителя помех.

5.2 Структура макета.

5.2.1 Структура программной части макета, выполняемой универсальной ЭВМ.

5.3 Коррекция по реальным записям сигналов с макета подавителя.

5.4 Результаты подавления.

5.4.1 Одна широкополосная помеха.

5.4.2 Одна гармоническая помеха.

5.5 Основные результаты главы 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов пространственно-временной режекции помех в аппаратуре потребителей спутниковых радионавигационных систем»

Актуальность темы.

Решению проблемы повышения помехозащищенности навигационной аппаратуры потребителей (ПАП) спутниковых радионавигационных систем (СРНС) в настоящее время уделяется большое внимание [1-5]. Одним из основных путей решения этой проблемы является включение в состав аппаратуры потребителей подавителей помех, обеспечивающих их пространственную и частотную фильтрацию.

Несмотря на значительный обьем исследований в этом направлении целый ряд вопросов в области пространственно-временной (частотной) обработки сигналов остается практически не освещенными. Это, прежде всего, вопросы по влиянию и методам устранения неидентичности приемных каналов, оценке области пространства, пригодной для навигации в условиях воздействия помех, эффективности подавления помех в сложной помеховой ситуации, техническая реализуемость алгоритмов т.д.

Среди незначительного числа работ, направленных на практическую реализацию подавителей помех, следует выделить [3, б — 8], в которых обсуждаются вопросы построения экспериментальных устройств, обеспечивающих пространственно-временную и частотную обработку сигналов. Общим для этих работ является цифровая реализация подавителей помех, включая управление характеристикой направленности. Аналогичные отечественные публикации практически отсутствуют.

Поэтому работы, проводимые в рамках настоящего исследования по разработке подавителя помех на основе пространственной обработки сигналов, а также исследования эффективности пространственно-временной и пространственно-частотной обработки сигналов, являются актуальными и соответствуют современным подходам и направлениям совершенствования НАП в части помехозащищенности.

Цель диссертационной работы.

Цель работы - разработка методов подавления преднамеренных и непреднамеренных (искусственных и естественных) помех в НАП GPS\rjIOHACC на основе пространственно-временной, пространственно-частотной и частотной одноканальной обработки сигналов, а также исследование характеристик подавителя помех с пространственной, пространственно-временной и пространственно-частотной обработкой сигналов СРНС.

Методы исследования.

Основным методом исследования в настоящей работе является статистический синтез и анализ алгоритмов режекции помех. Ввиду высокой сложности аналитического расчета эффективности рассматриваемых алгоритмов большое внимание уделяется компьютерному имитационному моделированию работы помехоустойчивой НАП с использованием метода Монте-Карло. Модель позволяет исследовать алгоритм подавления с различных сторон и изучить его поведение в различных условиях, а также позволяет выявить проблемные места при реализации алгоритма подавления на микропроцессорной системе или с помощью ПЛИС. Компьютерные модели исследуемых объектов написаны на языке программирования среды инженерных расчетов MATLAB. Для теоретического обоснования разрабатываемых алгоритмов используются методы статистической радиотехники, теории вероятностей, линейной алгебры, адаптивной обработки сигналов.

Научная новизна диссертационной работы.

1) Выполнен синтез пространственного, пространственно-временного и пространственно-частотного алгоритмов подавления помех с учетом особенностей сигналов СРНС (GPSMTUIOHACC), сигналов помех и технической реализуемости.

2) Выполнен сравнительный анализ алгоритмов многоканального и одноканального подавления помех для каналов СТ и ВТ ГЛОНАСС на основе пространственной, пространственно-временной и частотной обработки сигналов в различных помеховых ситуациях по совокупности критериев, включая вычислительную сложность.

3) Разработаны и исследованы оригинальные алгоритмы автоматической коррекции неидентичности и нестабильностей приемных трактов устройства подавления помех, существенно улучшающие качество подавления помех при наличии неидентичных приемных каналов.

4) Разработаны программные модели ряда алгоритмов подавления помех и тракта обработки сигналов, предназначенные для оптимизации алгоритмов подавления помех в СРНС.

Положения, выносимые на защиту.

1) Алгоритмы пространственного, пространственно-временного, просгранственно-частотного, частотного (одноканального) подавления помех в СРНС, отличающиеся от известных спецификой линейных ограничений и повышенным качеством режекции широкополосных помех при соблюдении условия технической реализуемости.

2) Методы коррекции неидентичности приемных каналов пространственного подавителя помех в частотной и временной областях, необходимые для сохранения высокого качества режекции помех при неидентичных приемных каналах.

3) Данные сравнительного анализа и количественные характеристики алгоритмов подавления помех в условиях идентичных и неидентичных приемных каналов устройства подавления для различных помеховых ситуаций: выходное отношение С/(П + Ш) минус 10 - минус 36 дБ, отношение П/Ш на выходе подавителя от минус 30 до 0 дБ, время сходимости алгоритмов адаптации 0.2 - 4 мс, вычислительная сложность алгоритмов от 20 ООО MIPS до 40 000 MIPS.

4) Схемы и характеристики алгоритмов автоматической коррекции приемных каналов устройства подавления помех: улучшение подавления широкополосных помех при неидентнчных каналах до 45 дБ. Область применения результатов.

Алгоритмы и данные об особенностях их функционирования в различных ситуациях, полученные в диссертационной работе, могут быть использованы при разработке помехоустойчивой НАП GPS/ГЛОНАСС как для специального (военного), так и общего гражданского применения. В первую очередь это НАП. устанавливаемая на летательные аппараты, а также морские и речные суда и корабли, автомобильный транспорт, контрольно-корректирующие станции.

Внедрение. Полученные в работе научные результаты использованы в НИР «ШИРОТА» в 2004 - 2005 гг. ОКР «АП-Т-50» в 2007 - 2008 гг., о чем имеются акты.

Апробация работы. Основные положения работы прошли апробацию на научно-технической конференции НТО РЭС, СПб., апрель 2006 (доклад, соавторы Немов А.В., Хоанг Т.К.), конференции РТП-2008, сентябрь 2008. Молния, Небуг, Туапсе (доклад "Особенности применения FIX-технологии для подавления внутридиапазонных помех в НАП GPStfTIOHACC", соавторы С.П. Ковита, А.В. Немов, Б.В Шебшаевич).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в следующих печатных трудах.

Публикации в изданиях из перечня ведущих рецензируемых изданий, рекомендованных в действующем перечне ВАК:

1. Писарев С.Б., Немов А.В., Иванов A.M. Фуксов М.М. Возможности пространственной режекции помех при приеме сигналов глобальных навигационных спутниковых систем// Известия ВУЗов России. Радиоэлектроника. 2003, вып.2. С-Пб. С. 61 - 72.

2. Иванов A.M., Пемов А.В. Подавление внутридиапазонных узкополосных помех в GPS/ГЛОНАСС // Известия ВУЗов России. Радиоэлектроника. 2008, вып.2. С-Пб. С. 58-65.

Прочие публикации:

1. Иванов A.M., Немов А.В., Хоанг Т.К. Адаптивный пространственно-временной фильтр для подавления помех в СРНС// Материалы юбилейной 60-й научнотехнической конференции НТО РЭС, посвященной Дню радио. СПб., 2005, апрель. С. 8- 10.

2. Иванов A.M., Немов А.В., Хоанг Т.К. Чувствительность методов режекции помех к влиянию дестабилизирующих факторов// Материалы 61-й научно-технической конференции НТО РЭС, посвященной Дню радио. СПб., 2006, апрель. С. 28 - 29. Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения. В первой главе дана общая характеристика защищаемой системы, определен класс помех, рассмотрена структура предлагаемой помехозащищенной ПАП. Во второй главе представлено оиисапие пространственных, пространственно-временных, пространственно-частотных алгоритмов подавления помех. Исследована их работа и получены потенциальные характеристики по подавлению помех в различных помехо-сигнальных ситуациях. В третьей главе рассмотрены алгоритмы подавления узкополосных помех, которые позволяют подавлять узкополосные помехи при незначительных потерях в полезном сигнале и экономят при этом степени свободы для подавления широкополосных помех пространственными методами. В четвертой главе рассмотрено влияние неидентичиости приемных каналов на качество подавления помех пространственным подавителем. Предложены и исследованы алгоритмы компенсации пеидептичности приемных каналов. В пятой главе представлены результаты по экспериментальному исследованию пространственных методов помехоустойчивой обработки сигналов спутниковых радионавигационных систем на 4-х канальном макете. Объем рукописи составляет 219 страниц, включает 193 иллюстрации и 25 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Радиолокация и радионавигация», Иванов, Александр Михайлович

5.5 Основные результаты главы 5

1. Продемонстрирована работоспособность предложенных алгоритмов подавления при прохождении сигналов через реальные приемные каналы.

2. Подтверждено, что при некогерентном накоплении огибающих ВКФ на интервале времени 1 с на фоне помех и работающем подавителе может быть достигнуто отношение С/(П+Ш) не менее 27дБ, что является достаточным для нормального функционирования НАП. с

Заключение

В диссертации описаны следующие основные результаты, полученные в ходе выполнения исследований по заявленной теме.

1) В первой главе рассмотрены пути, методы и средства повышения помехоустойчивости НАП. Там же определены основные параметры помеховой обстановки, предложена структурная схема помехозащищенной НАП. Во второй главе разработаны и исследованы адаптивные алгоритмы обработки сигналов в антенных решетках и алгоритмы частотно-временной селекции помех. В третьей главе рассмотрены методы режекции узкополосных помех. В четвертой главе рассмотрено влияние неидентичности приемных каналов и предложены методы ее коррекции. В пятой главе дано описание результатов полунатурного эксперимента на 4-х канальном макете помехоустойчивой НАП.

2) Разработаны и протестированы эффективные алгоритмы частотной режекции узкополосных помех, пространственной, пространственно-временной и пространственно-частотной режекции широкополосных помех. Подтверждена практическая реализуемость алгоритмов.

3) Обоснован выбор критериев качества для сравнения исследуемых алгоритмов: отношение С/(П+Ш) на выходе подавителя, отношение П/Ш на выходе подавителя, время сходимости, вычислительная сложность.

4) Разработаны и исследованы алгоритмы автоматической коррекции неидентичности приемных каналов АР. Результаты анализа на модели при различной конфигурации АР подтверждают высокую эффективность предложенных методов коррекции. Выходное отношение П/Ш для 7-ми элементной АР при идентичных каналах в зависимости от помеховой обстановки изменяется от 0 до -40 дБ, а при неидентичных каналах с коррекцией - от 0 до -20 дБ.

5) Разработаны модели помехо-сигпальной обстановки для стационарных и нестационарных (импульсных) широкополосных и узкополосных помех и программные модели 2-х, 4-х и 7-ми элементных бортовых адаптивных фазированных антенных решеток.

6) Произведен сравнительный анализ алгоритмов подавления помех для каналов СТ и ВТ ГЛОНАСС (С/А GPS) на основе пространственной и пространственно-временной обработки сигналов в различных помеховых ситуациях по совокупности критериев, включая вычислительную сложность.

7) Оценено время подавления (длительность переходного процесса установления вектора весовых коэффициентов). Время подавления возрастает с увеличением количества помех (0.2 - 2 мс) и существенно возрастает при неодинаковых мощностях помеховых колебаний (до 12 мс).

Разработанные алгоритмы подавления широкополосных помех при реализации разработанных процедур коррекции приемных каналов использованы в НИР «Широта», проведенной совместно ОАО «РИРВ» и СПбГЭТУ в 2002.2006 гг., а также в ОКР «АП-Т-50», проводимой в ОАО «РИРВ» в 2004.2008 гг.

Совместное применение алгоритма на основе БПФ для режекции узкополосных помех, частотного алгоритма цифрового корректора антенных каналов и адаптивного пространственно-частотного алгоритма подавления широкополосных помех позволяет технически реализовать высокие требования к качеству подавления помех и к количеству подавляемых источников помех в помехозащищенной НАП СРНС в реальной помехо-сигнальной обстановке.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Иванов, Александр Михайлович, 2008 год

1. Постановление правительства РФ от 25 августа 2008 г. № 641. Об оснащении транспортных, технических средств и систем аппаратурой спутниковой навигации ГЛОНАСС или ГЛОНАСС/GPS.

2. Sang .Т., Kubik К., Analysis of Interfered GPS Signals, ION GPS-97, Nashwille, 1997.

3. Reynolds D., Braun A., Reynolds Al., Miniaturized GPS Antenna Array Technology and Predicted Anti-Jam Performance/ ION GPS-99, p.777-786.

4. Robert S. Littlepage. The Impact of Interference on Civil GPS ION 55-Annual Meeting, 1999.

5. Иванов М.П., Кашинов В.В. Экспериментальная проверка помехозащищенности GPS // VII международная конференция «Радиолокация, навигация, связь» 24-26 апреля 2001, Воронеж, Россия.

6. Forssell, Т. Desen. Jamming: Susceptibility of Some Civil GPS Receivers/GPS World, 2003, №1, p.54-58.

7. Nailor J. and Sorber S. G-STAR™ Lockheed Martin's: Advanced GPS Anti-Jam Technology. -National Press Club, Washington. D.C., Nov. 15, 2000.

8. High-Performance RF-to-Digital Translators For GPS Anti-Jam Applications, MITRE Technical Report, 2003, MITRE center for Air Force C2 Systems. Bedford, Masachusetts.

9. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ. М.: КНИЦ ВКС, 1995.

10. Interface Control Document: NAVSTAR GPS Space Segment / Navigation User Interfaces (ICD-GPS-200). Rockwell Int. Corp. 1987.

11. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС / Под ред. В.Н. Харисова, А.И. Перова, В.А. Болдина. М.: ИПРЖР, 2006.

12. Сетевые спутниковые радионавигационные системы / В. С. Шебшаевич, П. П. Дмитриев, Н. В. Иванцев н др.; под ред. В. С. Шебшаевича. 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1993.

13. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации. М.: Эко-Трендз, 2000.

14. Brown A., et al, Miniaturized GPS Antenna Array Technology, ION 55-Annual Meeting, 1999.

15. Robert S. Littlepage, The Impact of Interference on Civil GPS ION 55-Annual Meeting, 1999.

16. Sang J., Kubik K., Analysis of Interfered GPS Signals, ION GPS-97, Nashwille, 1997.

17. Kenneth D Johnston, A Comparison of CW and Swept CW Effects on a C/A Code GPS Receiver, ION GPS-99, Nashwille, 1999.

18. Интернет-сайт: http://www.raytheon.co.uk/products/precision/navigation/index.html

19. Р. Т. Capozza, B.J. Holland, Т. M. Hopkinson, R.L. Landrau,\A Single Chip Narrowband

20. Frequency Domain Excisor for a Global Positioning System (GPS) Reciever, Custom Integrated Circuits Conference, may 16-19, San Diego California. v ^

21. Falcone K., Dimos G., Yang C., Small Affordable Anti-Jam GPS Antenna (SAAGA) Development/ION GPS-99, p. 1149-1156. ^

22. Leung S-C., Weiss Ira. Analysis of Algorithms for GPS Interfer Direction Finding //ION GPS-97, p.339-347. 4

23. W. W. Jones and K. R. Jones. Narrowband Interference Suppression Using Filter-Bank , Analysis/Synthesis Techniques, IEEE MILCOM Conference, San Diego, California, Paper 38.1.1, 1992.

24. M. Zhodrishsky, D. Chemiavsky, A. Kirsanov and other, In-band interference Suppression for GPS/GLONASS. ION GPS 99, pp.769-773.

25. R. Rifkin, J.J. Vaccaro. Comparison of Narrowband Adaptive Filter Technologies for GPS, MITRE Technical Report, March 2000, MITRE center for Air Force C2 Systems, Bedford, Massachusetts.

26. Интернет-сайт: www.Javad.com.

27. Applebaum S.P. Adaptive arrays. //IEEE Trans. Antennas propagation. Vol. AP-24, pp. 585598. Sept. 1976.

28. Монзинго P.А., Миллер Т. У. Адаптивные антенные решетки. //М.: Радио и связь, 1986.

29. Уидроу Б., Стирнз С. Адаптивная обработка сигналов. //Радио и связь. 1989.

30. Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех.— М.:Радио и связь, 1981.

31. Венскаускас К.К. Компенсация помех в судовых радиотехнических системах. //JL: Судостроение, 1989.

32. Адаптивная компенсация помех в каналах связи /Под ред. Ю.И. Лосева. М.: Радио и связь, 1988

33. Адаптивные фильтры: Пер. с англ. / Под ред. К.Ф.Н. Коуэна и П.М. Гранта. М.: Мир, 1988.

34. Ефименко B.C., Харисов В.Н. Эффективность пространственной обработки для СРНС // Радиотехника, 2002, № 7.

35. Журавлев А.К., Лукошкин А.П., Поддубный С.С. Обработка сигналов в адаптивных антенных решетках//Л.: Изд-во Ленингр. ун-та. 1983.

36. Айфичер Э.С, Джервис Б.У. Цифровая обработка сигналов, практический подход, 2-е издание.: Пер. с англ. М.: Издательский дом «Вильяме», 2004.- 992 с.

37. Писарев С.Б., Немов А.В., Иванов A.M., Фуксов ^f.M. Возможности пространственной режекции помех при приеме сигналов глобальных навигационных спутниковых систем// Известия ВУЗов России. Радиоэлектроника. 2003, вып.2. С-Пб. С.61-72. 4

38. Frost O.L. III. An algorithm for linearly constrained adaptive array processing. Proc. of the IEEE, vol. 60, Aug. 1972.

39. Griffiths L.J. A simple adaptive algorithm for real-time processing in antenna arrays. Proc. of the IEEE, vol. 57, Oct. 1969.

40. Иванов A.M., Немов A.B. Подавление внутридиапазонных узкополосных помех в GPS/TJIOHACC // Известия ВУЗов России. Радиоэлектроника. 2008, вып.2. С-Пб.

41. Марпл-мл. С. Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. //М.: Мир, 1990.

42. Ефименко B.C., Харисов В.Н., Давыденко И.Н., Папушой В.И. Модель компенсатора помех с коррекцией частотных характеристик каналов. М.: Радиотехника (Журнал в журнале) №7, 2003, с.62-68.