| Разработка предложений по модернизации пользовательского радиоинтерфейса спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС
Диссертация
Автор: Гайворонский, Дмитрий Вячеславович
Название: Разработка предложений по модернизации пользовательского радиоинтерфейса спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС
Справка: Гайворонский, Дмитрий Вячеславович. Разработка предложений по модернизации пользовательского радиоинтерфейса спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС : диссертация кандидата технических наук : 05.12.14 / Гайворонский Дмитрий Вячеславович; [Место защиты: С.-Петерб. гос. электротехн. ун-т (ЛЭТИ)] - Санкт-Петербург, 2010 - Количество страниц: 183 с. ил. Санкт-Петербург, 2010 183 c. :
Объем: 183 стр.
Информация: Санкт-Петербург, 2010
Содержание:
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ
ВВЕДЕНИЕ
1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И НАПРАВЛЕНИЯ ДАЛЬНЕЙШЕГО РАЗВИТИЯ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ
11 Предпосылки появления спутниковой радионавигации
12 СРНС первого поколения
121 СРНС Цикада
122 СРНС Транзит
13 СРНС второго поколения
14 Принципы определения координат потребителя в СРНС
15 Архитектура СРНС
151 Космический сегмент
152 Командно-измерительный комплекс
153 Аппаратура потребителей
154 Особенности функционирования СРНС
16 СРНС ГЛОНАСС
17 СРНС Навстар (GPS)
18 Современное состояние СРНС
182 Galileo
183 Compass
184 QZSS
185 IRNSS
Введение:
3.2 Характеристики сигналов с расширяющей модуляцией типа ВОС .62
3.3 Альтернативные ВОС варианты структуры чипа с улучшенными разрешающими и точностными характеристиками.69
3 А Спектральные характеристики расширяющей модуляции.75
3.5 Выводы по главе.81
4 ВЫБОР СИГНАТУРНЫХ АНСАМБЛЕЙ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ПРИ ЧАСТОТНОМ РАЗДЕЛЕНИИ.82
4.1 Введение.82
4.2 Варианты сигнатурных ансамблей для сигнальных форматов с частотным разделением.82
4.2.1 Выбор общего дальномерного кода.82
4.2.2. Примеры оптимальных сигнатурных ансамблей с частотным
разделением.85
4.3. Оптимизация литерного разноса при частотном разделении.88
4.3.1 Уровень взаимных корреляций частотно-сдвинутых сигналов КА в доплеровской зоне.88
4.3.2 Распределение разности доплеровских частот сигналов КА (теоретический анализ).92
4.3.3 Распределение разности доплеровских частот сигналов соседних литер (результаты моделирования).96
4.3.4 Оптимальный разнос литерных частот.100
4.4 О нецелесообразности дополнения частотного разделения кодовым.102
4.5 Выводы по главе.106
5 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ И МОДЕРНИЗИРОВАННЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ СРНС GPS И GALILEO.107
5.1 Введение.107
5.2 Сигналы СРНС GPS.107
5.2.1 Существующие сигналы СРНС GPS.107
5.2.2 Перспективные сигналы СРНС GPS.110
5.2.3 Дальномерные коды L1C.111
5.2.4 Дальномерные коды L2C.114
5.2.5 Дальномерные коды L5.118
5.3 Сигналы СРНС Galileo.123
5.3.1 Общая характеристика сигналов.123
5.3.2 Дальномерные коды диапазона Е5.124
5.3.3 Дальномерные коды диапазона E2-L1-E1.128
5.4 Сводка результатов и выводы.131
6 ВАРИАНТЫ ВЫБОРА СИГНАТУРНЫХ АНСАМБЛЕЙ ДЛЯ РАДИОИНТЕРФЕЙСА С КОДОВЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ.134
6.1 Введение.134
6.2 Ансамбли Касами и их свойства в доплеровских зонах.135
6.3 Расширение ансамблей Касами присоединением последовательностей бент-функций.139
6.4 Ансамбли Камалетдинова.143
6.5 Ансамбли Кердока.149
6.6 Укороченные ансамбли с кодовым разделением.156
6.7 Сводка результатов.168
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.171
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.173
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И
СОКРАЩЕНИЙ
АКФ — автокорреляционная функция
ВКФ — взаимная корреляционная функция
ИСЗ — искусственный спутник Земли
КА — космический аппарат
КИК — командно-измерительный комплекс
ПБФ — последовательности бент-функций
ПВ — плотность вероятности пмд — помеха множественного доступа псп — псевдослучайная последовательность
РНС — радионавигационная система
СРНС — спутниковая радионавигационная система
ФМ — фазоманипулированный
AltBOC — alternative ВОС вое - binary offset carrier
BPSK - binary phase-shift keying свос — composite BOC
GPS — Global Positioning System
FEC — forward error correction
МВОС — multiplexed BOC
QPSK — quadrature phase-shift keying akj,u„vi,di — элемент последовательности с — скорость света ве — эксцентриситет земного эллипсоида
Е — энергия сигнала несущая частота
К — литерный разнос
F — доплеровская частота
Fm — максимальное абсолютное значение частотной расстройки h высота орбиты КА hx — расхождение шкал времени «спутник-потребитель»
К — число сигналов (мощность ансамбля)
N — длина сигнала
Ns — число видимых спутников.
R — скорость передачи данных
Re — радиус Земли
R{т) — корреляционная функция измеренная дальность «приемник - /' -й КА S{t), S(t) закон модуляции сигнала S0 (t) — закон модуляции чипа t — время
Att — время распространения сигнала «i -ый КА - потребитель»
Т — длительность сигнала, период процесса
W(-) — плотность вероятности
WQ — общая полоса сигнала x,y,z координаты потребителя х, > У( >z, координаты i -го К А as, — угол между плоскостью орбиты i-го КА и плоскостью, проходящей через этот КА, точку расположения приемника и центр Земли
• угол между прямыми спутник-потребитель и спутник-центр
А - длительность чипа сигнала
Д. - погрешность определения дальности до i -го КА
0 - угол места
X — длина волны нормированная двумерная корреляционная функция
PCO — нормированная корреляционная функция
7 — средний квадрат корреляции
Pmax - корреляционный пик
Prms — среднеквадратический уровень корреляций
Po,oi — однопроцентный квантиль корреляций
T — временной сдвиг
V — азимут
• двузначный характер в поле GF{p)
ВВЕДЕНИЕ
Диссертация посвящена разработке предложений по модернизации пользовательского радиоинтерфейса спутниковой радионавигационной системы (СРНС) ГЛОНАСС и анализу корреляционных свойств ансамблей сигналов при совместном использовании ими общей выделенной полосы частот.
Актуальность работы. В настоящее время для определения местоположения объекта на поверхности Земли и в околоземном пространстве нашли широкое распространение СРНС, главным преимуществом которых является всепогодное и непрерывное определение координат. Обширны сферы применения систем: авиация, судовождение, определение местоположения автомобиля на трассе или человека на местности и т.д. Ведущие державы считают своим долгом поддерживать в рабочем состоянии и постоянно модернизировать СРНС. Для обеспечения высокой точности определения координат кроме жестких требований к эталонам частоты передатчиков существует необходимость подбора таких дальномерных кодов, длина и внутренняя структура которых позволяют достичь потенциальной точности определения координат и удовлетворить требованиям устойчивости к преднамеренным и непреднамеренным помехам. Дальномерные коды, заложенные в первоначальные радиоинтерфейсы СРНС более 30 лет назад, на данном этапе уже не в полной мере отвечают требованиям к тактическим характеристикам СРНС, особенно в части работоспособности в условиях динамического разбаланса сигналов (позиционирование внутри помещений, в обстановке плотной застройки, под лесным покровом и т.п.). В этой связи возникла необходимость модернизации форматов сигналов СРНС.
Задача поиска новых классов сигналов усложняется многообразием применений навигационных систем. Так, для комплекса самолетной радионавигации и определения координат автомобиля в городе следует применять приемники различной сложности и разных по точности и энергетике сигналов. На первое место выходит задача обеспечения целостности и высокой надежности каждого компонента системы. По этим причинам и были введены несколько диапазонов, предназначенных для конкретного класса пользователей.
На современном этапе развернуты и доступны для работы две СРНС -американская GPS и российская ГЛОНАСС; европейская GALILEO будет введена в эксплуатацию в будущем.
Следует особо отметить, что сочетание высокого быстродействия аппаратуры потребителя и грамотное построение сигналов системы в будущем позволит значительно повысить точность определения координат пользователя в городской местности с плотной застройкой, а также внутри зданий. А современные возможности по миниатюризации приемников систем уже сейчас позволяют размещать приемные модули в мобильных телефонах, что оказывает неоценимую помощь по определению координат пользователя в чрезвычайных ситуациях в сложной помеховой обстановке.
Названные факторы обуславливают актуальность проведения исследований по поиску подходящих ансамблей дальномерных сигналов, перспективных для применения в новом поколении радиоинтерфейсов СРНС, всестороннему анализу их характеристик и разработке рекомендаций по их техническому воплощению.
Цели и задачи работы. Целью диссертационной работы является выработка предложений по модернизации пользовательского радиоинтерфейса СРНС ГЛОНАСС. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе предстояло решить следующие задачи:
1. на основе обзора литературных источников, посвященных системам GPS и Galileo, выделить перспективные направления модернизации радиоинтерфейса отечественной СРНС ГЛОНАСС;
2. систематизировать критерии выбора ансамблей сигналов с кодовым и частотным разделением; выявить классы ансамблей, отвечающие современным требованиям к пользовательскому интерфейсу СРНС;
3. проанализировать существующие методы расширения спектра за счет усложнения структуры чипов и по возможности предложить конструкции с лучшими разрешающими и точностными характеристиками;
4. скомплектовать каталог ансамблей дальномерных сигналов, которые могли бы быть рекомендованы для использования в новом поколении радиоинтерфейса СРНС ГЛОНАСС с учетом возможной вариабельности их ключевых параметров и технологической приемлемости;
5. выполнить детальный теоретический и численный анализ базовых характеристик отобранных сигналов и сформулировать предложения по аппаратной реализации устройств генерирования рекомендованных ансамблей.
Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач были использованы методы теории сигналов, теории вероятностей и математической статистики, современной абстрактной алгебры, численные методы и методы математического моделирования.
Научная новизна работы. В диссертации предложены методы улучшения характеристик дальномерных сигналов за счет применения расширяющей модуляции, ансамблей с частотным и кодовым разделением для нового поколения пользовательского интерфейса СРНС ГЛОНАСС. В частности, новыми являются следующие результаты:
1. Показана неэффективность применения модуляции типа ВОС с точки зрения повышения потенциальной точности местоопределения и ослабления влияния многолучевой помехи. Предложены альтернативные варианты структуры элемента дальномерного сигнала с лучшими разрешающими и точностными характеристиками.
2. Предложены варианты сигнатурных ансамблей для сигнальных форматов с частотным разделением, проведена оценка их качественных показателей при наличии доплеровского смещения частоты.
3. Аналитически и численно получена оценка распределения разности доплеровских частот сигналов космических аппаратов. Даны рекомендации по выбору оптимального разноса литерных частот сигналов с частотным разделением. На примере ансамбля Касами подтверждена бесперспективность идей комбинирования частотного и кодового разделения.
4. В рамках двух подходов (отсутствие и наличие априорных ограничений на длину) отобраны и рекомендованы для применения в CDMA радиоинтерфейсе ГЛОНАСС семейства бинарных сигналов, оптимальные по уровню помехи множественного доступа. Выполнен детальный анализ корреляционных свойств предлагаемых сигналов в зонах допле-ровских расстроек.
Практическая ценность работы. Основным практическим выходом работы является завершенный перечень ансамблей дальномерных кодов, рекомендуемых для использования в радиоинтерфейсе ГЛОНАСС с кодовым разделением.
Внедрение результатов работы. Теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы в НИР, выполняемых по следующим грантам и научным федеральным целевым программам:
1. государственный контракт № П480 от 4.08.2009г. в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. «Поиск новых методов обработки, передачи и управления потоками данных в радиотехнических системах»;
2. государственный контракт № П2145 от 5.11.2009г. в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. «Разработка предложений по модернизации пользовательского интерфейса спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС»;
3. аналитическая ведомственная целевая программа «Развитие научного потенциала высшей школы 2008-2010 гг.». Тема: «Разработка и исследование методов адаптации сложных когерентных сигналов с большими базами к помеховой обстановке» Шифр темы ФИЕТ/РС-91 per. № 2.1.2/2519, 2009-2010гг.; ? 4. «Разработка и исследование методов обработки сигналов перспективных радиоэлектронных средств» per. № 1.5.09 темплана СПбГЭТУ 2009-2010гг.
Теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы при проведении НИР «Сигнал» в ОАО «Российский институт радионавигации и времени (РИРВ)» 2007-2009 гг.
Предложения по выбору кодовой структуры дальномерного сигнала диапазона L3 ГЛОНАСС вошли в проект соответствующего интерфейсного контрольного документа, к настоящему моменту прошедшего стадию согласования во всех заинтересованных инстанциях.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на 63-й Научной сессии, посвященной Дню Радио (СПб, 2008); на 64-й Научной сессии, посвященной Дню Радио (СПб, 2009); на V международной молодежной научно-технической конференции «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций» (Севастополь, 2009); на 62-й конференции профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (СПб, 2009); на 61-й конференции профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (СПб, 2008); на VIII международном симпозиуме и выставке по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии (СПб, 2009).
Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 13 работ. Из них три работы опубликованы в центральных рецензируемых научных журналах, рекомендованных перечнем ВАК, одна работа в рецензируемом научно-техническом журнале, восемь работ содержатся в сборниках материалов научных конференций. Получен один патент. При участии автора написано пять отчетов по НИР.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка. Она изложена на 183 страни
|