WWW.KONF.X-PDF.RU
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Авторефераты, диссертации, конференции
 

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

«Выбор сигнальных форматов для перспективных СРНС и их гидроакустических функциональных дополнений ...»

-- [ Страница 1 ] --

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ «ЛЭТИ»

им. В.И. Ульянова (Ленина)

На правах рукописи

Боровицкий Дмитрий Сергеевич

Выбор сигнальных форматов для перспективных СРНС и их гидроакустических

функциональных дополнений

Специальность 05.12.14 «Радиолокация и радионавигация»

Диссертация

на соискание ученой степени

кандидата технических наук



Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Ипатов Валерий Павлович Санкт-Петербург – 2015

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И НАПРАВЛЕНИЯ ДАЛЬНЕЙШЕГО РАЗВИТИЯ

СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ

1.1 Структура спутниковых радионавигационных систем

1.2 Принципы работы СРНС

1.3 Требования к СРНС

1.4 Архитектура существующих СРНС, их текущее состояние

1.5 Навигационные сигналы современных СРНС

1.5.1 Общие сведения о сигналах СРНС

1.5.2 Сигналы системы ГЛОНАСС

1.5.3 Сигналы СРНС GPS

1.5.4 Сигналы СРНС Galileo и Beidou

1.5.5 Сигналы QZSS и IRNSS

1.5.6 Дальнейшие пути модернизации пользовательского радиоинтерфейса СРНС

1.6 Средства функциональных дополнений СРНС

1.6.1 Система дифференциальной коррекции и мониторинга

1.6.2 Глобальная система дифференциальных поправок WAAS

1.6.3 Глобальная система дифференциальных поправок EGNOS

1.6.4 Системы и средства подводной навигации

1.7 Выводы по главе 1

2 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОВЕРЛЕЙНОГО КОДИРОВАНИЯ В

МОДЕРНИЗИРОВАННЫХ РАДИОИНТЕРФЕЙСАХ GPS И ГЛОНАСС

2.1 Каскадные дальномерные коды

2.2 Корреляционные функции сигналов с каскадным кодированием

2.3 Корреляционные характеристики перспективных сигналов GPS с каскадным кодированием

2.4 Влияние частотных расстроек на уровень ПМД при каскадном кодировании

2.5 Резюме по корреляционным характеристикам оверлейных кодов

2.6 Возможность сокращения времени поиска за счет оверлейного кодирования

2.7 Потенциальный выигрыш по времени поиска для перспективных сигналов СРНС с оверлейным кодированием

2.8 Влияние оверлейных кодов на процедуру битовой синхронизации

2.9 Моделирование битовой синхронизации по оверлейному коду

2.9.1 Общие замечания

2.9.2 Достоверность синхронизации при оверлейном кодировании

2.9.3 Временные затраты на синхронизацию по оверлейному коду

2.9.4 Ошибки в демодуляции символов

2.10 Выводы по главе 2

3 РАЗРАБОТКА ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО СИГНАЛА СИСТЕМЫ

ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ПОДВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ В УСЛОВИЯХ МЕДЛЕННЫХ

ЗАМИРАНИЙ В КАНАЛЕ

3.1 Особенности гидроакустического канала

3.2 К выбору способа модуляции гидроакустического канала

3.3 Постановка задачи

3.4 Энергетика канала

3.5 Структура гидроакустического сигнала

3.5.1 Вводные замечания

3.5.2 Преамбула гидроакустического сигнала

3.5.3 Информационное сообщение

3.6 Устранение межсимвольной интерференции, обусловленной многолучевым распространением гидроакустического сигнала

3.7 Выводы по главе 3

4 РАЗРАБОТКА ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО СИГНАЛА СИСТЕМЫ

ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ПОДВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ В УСЛОВИЯХ БЫСТРЫХ

ФЛЮКТУАЦИЙ В КАНАЛЕ

4.1 Выбор и обоснование типа модуляции сигнала для гидроакустического канала с быстрыми замираниями

4.1.1 Выбор способа модуляции гидроакустического сигнала и определение вероятности символьной ошибки в канале связи

4.1.2 О пропускной способности некогерентного MFSK канала

4.2 Уточнение структуры навигационного гидроакустического сигнала

4.2.1 Общие замечания

4.2.2 Преамбула гидроакустического сигнала

4.2.3 Информационное сообщение

4.2.4 Помехоустойчивость сигнала в райсовском канале

4.2.5 Примеры выбора сигнального формата





4.3 Точность измерения запаздывания некогерентного пакета

4.4 Выводы по главе 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

АКФ – автокорреляционная функция БЧХ-код – код Боуза-Чоудхури-Хоквингема ВКФ – взаимная корреляционная функция ГЛОНАСС – спутниковая радионавигационная система (Россия) КА – космический аппарат КИК – командно-измерительный комплекс КФМ – квадратурная фазовая манипуляция МСИ – межсимвольная интерференция НАП – навигационная аппаратура потребителя НИР – научно-исследовательская работа ПВ – плотность вероятности ПМД – помеха множественного доступа ПО – подводный объект ПСП – псевдослучайная последовательность РГБ – радиогидроакустический буй СРНС – спутниковая радионавигационная система СТ – стандартная точность СФД – средство функционального дополнения ФМ – фазовая модуляция ЦУ – центр управления ЧМ – частотная манипуляция ЭВМ – электронная вычислительная машина ЭП – энергопотенциал AltBOC – alternative BOC Beidou – глобальная система местоопределения, КНР BOC – binary offset carrier; двоичный сдвиг несущей BPSK – binary phase shift keying; бинарная фазовая манипуляция CDMA – code division multiple access; множественный доступ с кодовым разделением FDMA – frequency division multiple access; множественный доступ с частотным разделением Galileo – глобальная система местоопределения, Европейский Союз GPS – Global Positioning System; спутниковая радионавигационная система (США) IRNSS – Индийская Спутниковая Региональная Система Навигации ITU – international telecommunication union; международный союз электросвязи LDPC-код – low density parity check code; низкоплотностной код MFSK – multiple frequency shift keying; многопозиционная частотная манипуляция QPSK – quadrature phase shift keying; квадратурная фазовая манипуляция QZSS – квазизенитная спутниковая система, Япония

ВВЕДЕНИЕ

Диссертация посвящена вопросам кодирования сигналов спутниковых радионавигационных систем (СРНС), а также разработке сигналов гидроакустического функционального дополнения СРНС в различных условиях распространения акустических волн в водной среде.

Актуальность темы исследования. Спутниковые радионавигационные системы (в частности, отечественная система ГЛОНАСС) являются универсальным средством для глобального координатно-временного и навигационного обеспечения пользователей на поверхности Земли и в околоземном пространстве. Система ГЛОНАСС способна формировать единую для всего Мирового океана координатную основу в виде Государственной геоцентрической системы координат ПЗ-90.11 и привязку объектов к национальной шкале координированного времени UTC(SU). В настоящее время СРНС находятся в стадии модернизации пользовательских радиоинтерфейсов. Одним из трендов является введение оверлейного кодирования, целями которого могут быть улучшение корреляционных свойств дальномерных сигналов и характеристик битовой синхронизации данных.

Одним из наиболее важных и перспективных направлений развития мировой цивилизации в начале 21 века является освоение и исследование пространств и ресурсов Мирового океана.

Деятельность человечества на океанских просторах и в их глубинах должна осуществляться с проведением необходимого комплекса конкретных мер по обеспечению ее безопасности, в том числе, по созданию благоприятных в навигационном отношении условий.

Навигационные сигналы СРНС испытывают сильное затухание в водной среде и непригодны для позиционирования под водой. Средства автономной навигации подводных объектов, измерительные системы, построенные на базе сигналов оптического диапазона, в том числе лазерные системы сине-зеленого диапазона, не способны в силу своих недостатков самостоятельно обеспечить высокую точность навигации при выполнении достаточно продолжительных подводных миссий. В свою очередь акустические сигналы по сочетанию «дальность-погрешность измерений» в водной среде имеют существенный выигрыш перед сигналами радио и оптического диапазонов. На базе акустических сигналов разработаны и успешно эксплуатируются разнообразные системы и комплексы подводной связи, локации и навигации. Накопленный за предыдущие десятилетия опыт позволяет реализовывать режимы навигации под водой акустическими методами с субметровой точностью на дистанциях в несколько километров.

Особенностью подводной навигации, в отличие от навигации в других средах, является сильное ослабление и искажение гидросферой навигационного поля, что приводит к ограничению размеров типовой зоны навигационного обслуживания под водой до масштабов локальной системы. Расширение размеров такой зоны применением энергетических мер невозможно и может быть реализовано только путем наращивания в акватории количества локальных навигационных систем. Как следствие, возникает проблема отождествления пространственно-временных параметров подводного объекта, определяемых перед погружением по СРНС, а затем под водой по другим системам и средствам, функционирующим в собственных системах координат и шкалах времени.

Тенденции развития СРНС и средств подводной навигации таковы, что в вопросах синтеза сигналов подобных систем традиционно существует достаточно обширное поле для аналитических методов. Хотя задача синтеза навигационных сигналов является очень специфической, для СРНС и гидроакустических систем навигации применим единый подход в выборе сигналов.

Современные навигационные системы основаны на использовании широкополосных сигналов, которые имеют солидный набор преимуществ по сравнению с простыми сигналами. В итоге, соблюдая общий подход при синтезе навигационных сигналов, можно успешно решить задачи модернизации радиоитерфейсов СРНС и разработки сигнала для гидроакустических СФД.

Цели и задачи работы. Целью диссертационного исследования является выработка рекомендаций по совершенствованию сигналов радио- и гидроакустических навигационных систем. Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи:

1. Исследовать влияние оверлейного кодирования на корреляционные характеристики навигационных сигналов СРНС, а именно оценить влияние уровня боковых лепестков автокорреляционной функции оверлейного кода на значение средней мощности помехи множественного доступа (ПМД) и определить оптимальную структуру внутреннего кода для минимизации средней мощности ПМД и максимального выброса взаимной корреляции.

2. Получить выражение для оценки времени поиска сигналов с каскадной архитектурой, и на его основании выявить преимущества оверлейной конструкции в части процедуры осуществления холодного старта навигационного приемника.

3. Проанализировать влияние оверлейного кодирования на процедуру битовой синхронизации данных, передаваемых в составе навигационного сигнала, и определить выигрыш (или проигрыш) каскадных кодов по сравнению с традиционными сигналами СРНС и сигналами с манчестерским кодом в части достоверности и скорости синхронизации, а также правильности демодуляции битовых символов.

4. Синтезировать гидроакустические сигналы для средств функциональных дополнений (СФД) СРНС для случаев медленных и быстрых замираний в канале: определить их структуру, выбрать способ модуляции, а также рассчитать мощность передающего устройства.

5. Оптимизировать параметры преамбульной части гидроакустических сигналов для рассматриваемых случаев.

6. Составить перечень наилучших помехоустойчивых кодов для передачи навигационного сообщения в составе гидроакустического сигнала в медленно и быстро замирающих каналах.

Научная новизна работы. Новыми результатами, нашедшими отражение в работе, являются:

1. В части сигналов СРНС с оверлейным кодированием.

1.1. Получено аналитическое выражение для средней мощности ПМД ансамбля навигационных сигналов с оверлейным кодированием.

1.2. Проведено исследование влияния внешнего кода на ПМД при типичных для СРНС доплеровских расстройках.

1.3. Исследовано влияние оверлейного кода на продолжительность поиска навигационного сигнала в режиме холодного старта, а также произведена оценка потенциального выигрыша по времени поиска для перспективных сигналов СРНС с оверлейным кодом.

1.4. Выявлены преимущества новой конструкции дальномерного кода при проведении процедуры битовой синхронизации по сравнению с традиционным сигналом и сигналом с манчестерским кодированием.

2. В части разработки гидроакустических сигналов для средств функциональных дополнений СРНС в каналах с медленными и быстрыми замираниями.

2.1. Произведена оценка энергетики канала.

2.2. Предложена структура гидроакустического сигнала в каждом рассмотренном случае, произведен выбор способа модуляции, выбраны параметры преамбулы.

2.3. Предложен каталог помехоустойчивых кодов, пригодных для кодирования потока данных в зависимости от целей разработчика (по выбору скорости передачи данных, аппаратной сложности, доступного энергоресурса).

Внедрение результатов работы. Теоретические и практические результаты диссертационного исследования использованы в нижеследующих научно-исследовательских работах:

1. НИР «Сигнал-РИРВ». Разработка предложений по определению классов обслуживания пользователей сигналами с открытым доступом. Оптимизация форматов кодирования и модуляции перспективных сигналов ГНСС ГЛОНАСС, предусмотренных «Концепцией развития навигационных сигналов ГНСС ГЛОНАСС». 2008 г.

2. НИР «Сигнал-РИРВ». Разработка спектрально эффективных модуляционных форматов навигационных сигналов СРНС ГЛОНАСС. 2009 г.

3. НИР «Сигнал-РИРВ». Исследование нелинейных методов уплотнения (типа AltBOC) перспективных сигналов ГЛОНАСС. Обобщение основных результатов исследований, выполненных РИРВ в рамках НИР «Сигнал». 2011 г.

4. НИР «Комплекс-РИРВ». Комплексные исследования и научно-техническое обоснование направлений развития и использования глобальной навигационной системы ГЛОНАСС, а также других систем и технологий координатно-временного и навигационного обеспечения, этап 3. Исследование направлений расширения функциональных возможностей системы ГЛОНАСС. 2011 г.

5. НИР «Развитие-РИРВ-Э1». Системные и комплексные научные исследования направлений развития системы ГЛОНАСС в части проведения эксперимента с использованием макета акустического гидромаяка и разработки предложений по перечню критически важных элементов перспективной системы ГЛОНАСС, этап 1. Комплексные и прикладные исследования направлений расширения пространственной зоны функционирования системы ГЛОНАСС в части проведения эксперимента с использованием макета акустического гидромаяка. 2012 г.

6. НИР «Развитие-РИРВ-Э2» Разработка концепции построения системы навигации на основе акустических гидромаяков и исследование путей навигационного обеспечения в помещениях для потребителей различного типа на основе псевдоспутников. 2013 г.

Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач были использованы методы теории сигналов, теории вероятностей и математической статистики, методы математического моделирования и численного анализа.

Практическая ценность работы. Практическим выходом диссертации являются разработанные варианты структуры гидроакустического сигнала для двух вариантов состояния канала, а также рекомендации по подбору оверлейного кода для разрабатываемого поколения радиоинтерфейсов СРНС.

Положения, выносимые на защиту:

1. Малый уровень боковых лепестков АКФ оверлейного кода достаточен для близости средней мощности ПМД к теоретическому пределу 1 / N.

2. Если внутренний ансамбль каскадного кода является минимаксным, введение оверлейного кода увеличивает пиковый уровень ПМД, в противном же случае оверлейное кодирование может привести к снижению ПМД как в отсутствие, так и при наличии доплеровских расстроек.

3. Каскадная конструкция дальномерного кода может существенно сократить продолжительность процедуры поиска сигнала без потерь в уровне ПМД при условии соблюдения рекомендаций по выбору внутреннего и внешнего кодов.

4. Наличие оверлейной компоненты существенно ускоряет и облегчает процедуру битовой синхронизации по сравнению с традиционным сигналом и сигналом с манчестерским кодированием в случае, если внешний код обладает хорошими корреляционными свойствами.

5. В зависимости от состояния гидроакустического канала, а именно преобладания медленных или быстрых флюктуаций, необходимо использовать либо когерентные (в случае медленно замирающего канала), либо некогерентные сигналы.

6. Структура синтезированных гидроакустических сигналов в обоих рассмотренных случаях (медленных и быстрых замираний в гидроакустическом канале) включает преамбулу с хорошими автокорреляционными свойствами и навигационное сообщение, кодированное канальным кодом.

7. При типичных значениях энергетики гидроакустического канала для передачи данных наиболее эффективными помехоустойчивыми кодами являются сверточные коды и коды, основанные на итерационных методах декодирования (турбо, LDPC).

Содержание работы. Диссертация содержит введение, четыре главы, заключение и библиографический список.

Во Введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, показана научная новизна работы, а также практическая ценность полученных в ней результатов.

В первой главе произведен обзор современного состояния спутниковых радионавигационных систем, описаны их структура, принципы функционирования и требования к ним. Описаны действующие и перспективные сигналы современных и разрабатываемых СРНС, выявлены направления дальнейшего развития пользовательских радиоинтерфейсов систем. Также рассмотрены средства функциональных дополнений СРНС, в частности, радиогидроакустические системы.

Во второй главе рассмотрен вопрос применения оверлейного кодирования в модернизированном радиоинтерфейсе СРНС. Получено аналитическое выражение для оценки уровня помехи множественного доступа для сигналов с оверлейным кодом. Произведена оценка корреляционных свойств сигналов с каскадной архитектурой и сформулированы рекомендации по выбору внутреннего кода сигналов СРНС. Исследовано влияние оверлейного кодирования на процедуру поиска сигнала и выявлено, что рассматриваемые коды способны сократить время поиска сигналов СРНС. Проанализировано влияние оверлейных кодов на процедуру битовой синхронизации и установлено, что наличие оверлейной компоненты существенно ускоряет и облегчает процедуру битовой синхронизации по сравнению с традиционным сигналом при грамотно подобранном внешнем коде.

В третьей главе рассмотрен вариант построения гидроакустического сигнала системы позиционирования объектов в водной среде в условиях медленных замираний в канале.

Проанализирована энергетика канала. Исследованы варианты построения преамбулы сигнала.

Приведены оценки надежности обнаружения и точности измерения запаздывания сигнала и многолучевой помехи. Предложены форматы рационального кодирования информационного потока и модуляции гидроакустического сигнала.

В четвертой главе предложена структура гидроакустического сигнала системы позиционирования объектов в водной среде при быстрых замираниях в канале распространения.

Дана оценка пропускной способности канала. Изложены подходы к построению преамбулы пакета, передаваемого гидроакустическим маяком. Для типовых условий оценена шумовая ошибка измерения дистанции от объекта до гидроакустического маяка. Предложены варианты помехоустойчивого кодирования данных, передаваемых по гидроакустическому каналу.

Загрузка...

Проанализировано влияние канального кодирования на вероятность битовых ошибок в гауссовском и райсовском каналах.

В Заключении дается перечень основных результатов диссертационной работы.

Основные результаты диссертационной работы отражены в следующих публикациях:

Публикации в журналах из перечня ведущих рецензируемых изданий, рекомендованных в действующем списке ВАК:

В.П. Ипатов, Д.С. Непогодин1. К применению оверлейных кодов в модернизированном 1.

радиоинтерфейсе GPS // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2010. Вып. 4. с. 3–10.

2. Боровицкий Д.С., Ипатов В.П. Разработка гидроакустического сигнала системы подводной навигации // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2013. Вып. 2. с. 18–25.

3. Боровицкий Д.С., Ипатов В.П. К построению канала передачи данных системы подводной навигации // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2013. Вып. 5. с. 55–59.

4. Д.С. Боровицкий, В.П. Ипатов. К разработке гидроакустического сигнала системы позиционирования подводных объектов в условиях быстрых замираний // Изв. вузов России.

Радиоэлектроника. 2014. Вып. 1. с. 25–29.

5. Д.С. Боровицкий, В.П. Ипатов. К разработке канала передачи данных системы позиционирования подводных объектов в условиях быстрых замираний // Изв. вузов России.

Радиоэлектроника. 2015. Вып. 1. с. 8-11.

1 Фамилию Непогодин читать в редакции Боровицкий. Свидетельство о перемене имени серия I-АК №546125 зарегистрировано отделом ЗАГС Фрунзенского района Комитета по делам ЗАГС Правительства Санкт-Петербурга 22.09 2012 г.

Патент на изобретение

6. Система определения и контроля местоположения подводного объекта. Патент №2561012 Рос. Федерация: Баринов С.П., Боровицкий Д.С., Иванов В.Н.; заявитель и патентообладатель СПб, АО «Российский институт радионавигации и времени». – №2014116546 заявл. 23.04.2014.; зарег. 27.07.2015.

в прочих рецензируемых изданиях:

7. С.Б. Болошин, В.П. Ипатов, Д.С. Непогодин, Б.В.Шебшаевич. Корреляционные свойства ансамблей каскадных дальномерных кодов. М: Новости навигации. №2, 2010, с. 20-24.

в сборниках трудов международных конференций:

8. Непогодин Д.С. Анализ корреляционных свойств сигналов каскадной архитектуры спутниковых радионавигационных систем. Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2010: Труды шестой международной конференции молодых ученых, 19апреля 2010 г.: Издательский дом СевНТУ, 2010 г., с.68.

9. Непогодин Д.С. Анализ влияния оверлейных кодов на процедуру битовой синхронизации в спутниковых радионавигационных системах. Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2011: труды седьмой международной конференции молодых ученых, 11-15 апреля 2011 г.: Издательский дом СевНТУ, 2011 г., с.110.

10. Непогодин Д.С. Разработка гидроакустического сигнала системы позиционирования подводных объектов. Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2012:

труды восьмой международной конференции молодых ученых, 23-27 апреля 2012 г.:

Издательский дом СевНТУ, 2012 г., с.54.

в сборниках трудов Всероссийских конференций:

11. Боровицкий Д.С. Разработка гидроакустического сигнала системы подводной навигации. Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Метрология гидроакустических измерений», том 1, Москва, 2013, с.231-235.

в сборниках трудов региональных конференций:

12. Гайворонский Д.В., Непогодин Д.С. Оптимизация структуры чипа дальномерного сигнала спутниковой радионавигационной системы. 64-я научно-техническая конференция, посвященная Дню Радио, СПб, 2009, с. 25-26.

13. Непогодин Д.С. К применению оверлейных кодов в модернизированном радиоинтерфейсе GPS. Сборник докладов студентов, аспирантов и молодых ученых, 63-я научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава СПБГЭТУ «ЛЭТИ». СПб, 2010, с.

14. Непогодин Д.С. Исследование эффективности битовой синхронизации оверлейных кодов. Сборник докладов студентов, аспирантов и молодых ученых, 65-я научно-техническая конференция, посвященная Дню Радио. СПб, 2010, с.39-40.

15. Непогодин Д.С. Разработка гидроакустического сигнала системы подводной навигации. XIV конференция молодых ученых «Навигация и управление движением (XIV КМУ 2012)». СПб: журнал Гироскопия и навигация №2 (77), 2012, с.154.

16. Боровицкий Д.С. Разработка варианта гидроакустического сигнала системы подводной навигации в условиях быстрых замираний в канале. XV конференция молодых ученых «Навигация и управление движением (XV КМУ 2013)». СПб: журнал Гироскопия и навигация №2 (81), 2013, с.155.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И НАПРАВЛЕНИЯ ДАЛЬНЕЙШЕГО РАЗВИТИЯ

СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ

–  –  –

Рисунок 1.1 – Структурная схема СРНС [1] Космодром обеспечивает вывод КА на требуемые орбиты как при развертывании СРНС, так и при периодическом пополнении их числа по мере выработки ресурса каждым из них [2-4].

Контроль над работой бортовых систем и траекторией полета КА на участке его вывода на орбиту производят командно-измерительные средства космодрома.

Подсистема КА представляет собой совокупность источников навигационных сигналов, передающих также большой объем служебной информации. На навигационных КА размещаются различные приборы, среди которых средства пространственной стабилизации, аппаратура траекторных измерений, телеметрическая система, аппаратура командного и программного управления и т.д. Также КА несут на своем борту системы энергопитания и терморегулирования. Бортовой эталон времени и бортовая ЭВМ непосредственно взаимодействуют с навигационными блоками.

Исходя из требований к системам радионавигации, сеть навигационных КА выбирается определенным образом. Прежде всего, критериями выбора являются необходимость обеспечения требуемой кратности глобального покрытия зонами видимости, а также нужная точность определения координат. Все навигационные КА сети излучают навигационные сигналы, отличающиеся кодовой последовательностью или несущей частотой.

Назначением КИК является снабжение навигационных КА служебной информацией, которая требуется для проведения навигационных сеансов, а также слежение за спутниками и управления ими. Для решения этих задач выполняется ряд действий, связанных с телеметрическим контролем состояния СРНС и управлением их работой. Для этого осуществляется определение параметров движения спутников, управление их движением, и проводится сверка и согласование бортовой и потребительской шкал времени.

Навигационная аппаратура потребителя служит «для выбора из всей совокупности видимых спутников рабочего созвездия, расчета для выбранной группы спутников значений угловых координат, дальности и радиальной скорости, поиска в каждом из каналов сигналов навигационных КА по пространству, временной задержке и доплеровскому смещению частоты, а также по кодовому номеру КА, измерения временной задержки сигнала и его доплеровского смещения» [7]. Среди других не менее важных функций аппаратуры потребителей можно выделить декодирование эфемеридной информации, обработку эфемеридной и измерительной информации от всех КА для решения задачи определения координат и составляющих вектора скорости объекта, а также оценку точности полученного решения навигационной задачи.

1.2 Принципы работы СРНС

Одним из методов решения навигационной задачи является дальномерный метод измерения координат. Определение местоположения объекта на Земле или над ее поверхностью предполагает знание трех координат, таких как широта, долгота и высота. Для их нахождения позиционирующийся объект должен выполнить измерение расстояний (дальностей) до трех фиксированных точек (маяков), чьи координаты с высокой точностью заранее известны.

Результаты этих измерений дают возможность составить три уравнения с тремя неизвестными, которые и окажутся искомыми координатами объекта. Найдя решение системы уравнений, объект завершит процедуру позиционирования.

В радионавигации дальности определяются через измерение задержек распространения сигналов, переданных маяками: расстояние рассчитывается путем умножения задержки распространения на скорость света. При этом необходимо обеспечить жесткую синхронизацию всех маяков и их работу в едином системном времени. Однако шкала времени любого индивидуального пользователя априори сдвинута относительно системной временной шкалы, и из-за случайности и нестабильности ухода частоты временной сдвиг бортовых часов оказывается еще одной – четвертой неизвестной. Определяя момент прихода сигнала маяка относительно местной шкалы времени, объект не сможет измерить истинную задержку распространения из-за того, что в результат войдет временное смещение. Существует несколько вариантов решения проблемы. Наиболее целесообразным является однопутевой метод измерения дальности, предполагающий пассивность потребителей и обеспечивающий обслуживание неограниченного числа пользователей. Для этого необходимо измерить время прихода сигналов от четырех маяков (в случае спутниковой навигации – от КА), что устранит рассогласование местных часов относительно системных. Измеренное время прихода содержит как истинную задержку распространения сигнала маяка, так и неизвестный сдвиг временных шкал. Полученные измерения дают возможность определить так называемые псевдодальности, иными словами, сумму истинных расстояний и произведения сдвига часов на скорость света.

Итак, под псевдодальностью от i-го КА до потребителя понимают измеренную дальность Dизмi до этого КА, отличающуюся от истинной дальности Di на неизвестную, постоянную за время определения навигационных параметров величину D ', зависящую от величины расхождения временных шкал между КА и потребителем t, так, что D ' ct ( c – скорость света). Таким образом, псевдодальность до i-го КА выражается равенством:

–  –  –

где ( xi, yi, zi ) – эфемериды КА, а ( x, y, z ) – подлежащие измерению координаты пользователя.

Навигационным параметром является Dизмi, а поверхностью положения – сфера с центром в точке фазового центра антенны КА, причем радиус Di этой сферы изменен на неизвестную величину D '. Полученная таким образом система из четырех уравнений имеет решение и, следовательно, местоположение потребителя при измерениях псевдодальностей определяется как точка пересечения четырех поверхностей положения. В итоге потребитель определяет как свои географические координаты, так и сдвиг временных шкал, осуществляя одновременно и позиционирование, и измерение времени.

1.3 Требования к СРНС

Первоначальными требованиями при разработке СРНС были обеспечение глобальности, помехозащищенности, независимости от рельефа местности и растительности, а также высоты застройки при любых гидрометеорологических условиях, времени года и суток.

Сегодня услуги СРНС востребованы не только в военной области, но и в гражданской навигации, а именно при геологических работах, при спасении терпящих бедствие людей, для обеспечения безопасности движения и т.д. Такое их применение выдвинуло новые требования к их построению, среди которых выделяют доступность, непрерывность обслуживания и целостность.

1.4 Архитектура существующих СРНС, их текущее состояние

Среди существующих СРНС особого внимания заслуживают американская GPS (Global Positioning System) и российская ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система).

GPS является полноценно функционирующей системой, которая постоянно поддерживается и обновляется. Архитектура GPS содержит три основных сегмента.

Космический сегмент (рисунок 1.2) включает 24 основных спутника (и нескольких резервных).

Эти КА располагаются на шести почти круговых орбитах высотой около 20000 км, которые смещены относительно друг друга на 60° по долготе, наклонены к плоскости экватора на 55° и имеют сидерический период обращения около 12 часов. На каждой орбите размещается по четыре спутника. Подобное пространственное расположение позволяет одновременно наблюдать в любой момент времени и в любой точке Земли не менее четырех спутников.

Рисунок 1.2 – Космический сегмент системы GPS [8] Контрольный сегмент включает главную станцию управления и пять станций мониторинга.

Последние работают в режиме постоянного слежения за всеми спутниками, и в их задачи также входят измерение координат и параметров эталонов КА, тестирование их состояния и передача данных по специальной выделенной линии связи на главную станцию управления. Та, в свою очередь, вычисляет текущее и прогнозируемое положение спутников, а также сдвиг временных шкал и другие параметры и транслирует новые данные на одну из трех наземных станций управления, расположенных рядом со станциями мониторинга.

Пользовательский сегмент включает всех потребителей, оборудованных специализированными приемниками GPS.

Еще одной современной СРНС является российская система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ системы ГЛОНАСС определяет задачи системы следующим образом:

определение местоположения, скорости движения, точного времени морских, воздушных, сухопутных и других видов потребителей.

Система ГЛОНАСС состоит из трех подсистем: подсистемы КА, подсистемы контроля и управления (ПКУ), навигационной аппаратуры потребителей (НАП).

Подсистема космических аппаратов системы ГЛОНАСС (рисунок 1.3) состоит из 24-х спутников, находящихся на трех круговых орбитах на средней высоте 19100 км. Наклонение плоскости орбиты составляет 64,8°, а период обращения равен 11 часам 15 минутам.

Орбитальные плоскости разнесены по долготе на 120°. В каждой орбитальной плоскости размещаются по 8 спутников с угловым разносом 45°. Выбранная конфигурация подсистемы КА позволяет обеспечить непрерывное и глобальное покрытие земной поверхности и околоземного пространства навигационным полем.

Подсистема контроля и управления состоит из Центра управления системой ГЛОНАСС и сети станций измерения, управления и контроля, рассредоточенной по всей территории России.

В задачи подсистемы контроля и управления входит контроль правильности функционирования подсистемы космических аппаратов, непрерывное уточнение параметров орбит, а также выдача на спутники временных программ, команд управления и навигационной информации» [6].

Навигационная аппаратура потребителей состоит из навигационных приемников и устройств обработки, предназначенных для приема навигационных сигналов спутников системы и вычисления собственных координат, скорости и времени.

Рисунок 1.3 – Подсистема космических аппаратов системы ГЛОНАСС [1]

В настоящее время идет разработка еще нескольких СРНС – европейской системы Galileo, китайской BeiDou и др. Ожидается, что новые системы будут полностью совместимы с существующими.

Сроки ввода в эксплуатацию системы Galileo неоднократно сдвигались. В настоящее время ожидается, что европейская система войдёт в строй до 2020 г. после вывода на орбиту всех 30-ти запланированных КА (27 штатных и 3 резервных) (см. рисунок 1.4). Работу космического сегмента будут обеспечивать три центра управления и глобальная сеть передающих и принимающих станций.

Космический сегмент сегодня представляет собой группировку из четырех спутников, расположенных на высоте 23 222 км и имеющих период обращения 14 ч 4 мин и 42 с. Три орбитальные плоскости наклонены под углом 56° к экватору, что после вывода на орбиту всех КА обеспечит одновременную видимость из любой точки земного шара, по меньшей мере, четырёх КА.

Рисунок 1.4 – Космический сегмент системы Galileo [9] СРНС Galileo изначально задумывалась как система гражданского назначения с сервисноориентированным подходом к предоставлению навигационных услуг различным категориям потребителей.

Так, помимо открытой службы (Open Service) предусматриваются сигналы для службы повышенной надежности (Safety-of-Life Service), коммерческой службы (Commercial Service), правительственной службы (Public Regulated Service) и поисково-спасательной службы (Search and Rescue).

Разрабатываемая КНР глобальная спутниковая радионавигационная система BeiDou (ранее Compass) в будущем заменит экспериментальную региональную навигационную систему Beidou на основе четырех геостационарных спутников. Космический сегмент данной СРНС включает 35 КА, из которых 5 спутников расположены на геостационарных орбитах для совместимости с региональной системой, 27 на средних орбитах и 3 на наклонных геосинхронных орбитах. Геостационарные КА расположены на высоте 35786 км и меридианах 58,75°E, 80°E, 110,5°E, 140°E и 160°E, соответственно. Среднеорбитальные КА задействованы на орбите высотой 21528 км, наклоненной на 55° к плоскости экватора. Геосинхронные КА расположены на орбитальной плоскости, находящейся на высоте 35768 км относительно Земной поверхности, наклоненной под углом в 55° к плоскости экватора. В настоящее время космический сегмент состоит из 5 геостационарных, 4 среднеорбитальных и 5 наклонных геосинхронных КА [10]. Согласно плану формирование космической группировки завершится в 2015 г. и обеспечит полное равномерное покрытие Земного шара.

Японская система QZSS (Quasi-Zenith Satellite System – квази-зенитная спутниковая система) проектируется как региональное дополнение GPS. Основной задачей QZSS является предоставление услуг связи и позиционирования для мобильных устройств. В настоящее время система находится на стадии развертывания. Первый КА был запущен в 2010 г. [11], запуск еще трех спутников планируется осуществить к концу 2017 г. Космическая группировка системы будет состоять из трех (и более спутников), расположенных на высокоэллиптических орбитах и разнесенных под углом в 120°. Покрытие, создаваемое созвездием КА, охватывает страны Южной Азии, Австралию и Океанию. Особенности орбитальной конфигурации позволят космическим аппаратам находиться более 12 часов в сутки в пределах сектора в 20° относительно зенита.

Индийская региональная СРНС IRNSS (Indian Regional Navigation Satellite System) на сегодняшний день находится в стадии разработки. Систему предполагается использовать как в гражданских целях (открытый доступ к навигационной информации), так и для военных нужд (с применением кода высокой точности с санкционированным доступом). Космический сегмент СРНС IRNSS включает семь спутников, три из которых расположены на геостационарных орбитах, а четыре – на геосинхронных орбитах с наклонением в 29° по отношению к плоскости экватора. Также предусмотрены два резервных спутника. Целью такой спутниковой группировки является обеспечение непрерывной видимости со всеми управляющими станциями Индийского региона. В настоящее время на орбите находится один КА, запущенный в 2013 г. [12,13].

–  –  –

В СРНС применяются широкополосные (шумоподобные) сигналы, обладающие неоспоримыми преимуществами, среди которых особо выделяются возможность вложить в сигнал требуемую энергию в условиях ограниченности пиковой мощности и осуществимость кодового разделения при множественном доступе [7]. Именно эти и ряд других достоинств широкополосных сигналов определили их применение в системах спутниковой радионавигации.

Рассмотрим теперь один из видов широкополосных сигналов, а именно дискретные сигналы с распределенным спектром. Дискретный сигнал представляет собой

–  –  –

где ai и Fi - соответственно комплексная амплитуда и частота i -го чипа. При этом последовательность { ai, i..., 1,0,1,...} определяет амплитудную модуляцию элементарных импульсов, а последовательности { i arg ai, i, 1, 0, 1, } и { Fi, i..., 1, 0,1,...} задают закон их модуляции по фазе и частоте соответственно.

В зависимости от конкретных деталей модуляции чипов можно выделить несколько категорий дискретных сигналов. Опишем лишь сигнал с фазовой манипуляцией, поскольку именно сигналы такой структуры используются в современных СРНС. Сигнал называется фазоманипулированным (ФМ), если комплексные амплитуды элементарных импульсов и их частоты остаются неизменными ( ai 1; Fi 0, i 0,1,, N 1), а манипуляция осуществляется

–  –  –

Часто последовательность комплексных амплитуд чипов {ai, i 0,1,..., N 1} именуют кодовой последовательностью, или кодом.

В настоящее время существует необходимость повышения точности СРНС. Ошибки в определении координат, радиальной скорости и времени обусловлены эффектами распространения радиоволн и шумами. Одним из факторов, влияющих на точность измерений, является многолучевое распространение. Излучаемый антенной радиосигнал может достичь приемника как по линии прямой видимости, так и путем переотражения от зданий, рельефа местности, летательных аппаратов и др. Таким образом, все эти сигналы могут перекрываться и интерферировать между собой. Такой эффект распространения радиоволн существенно влияет на интенсивность принимаемого сигнала от спутника. Другой неприятностью, влияющей на качество приема, является затенение. Оно обусловлено особенностями местности, а именно наличием густой растительности, высотных зданий, возвышенностей и т.п. Третьим фактором ошибки является задержка при распространении радиоволн в ионосфере. Также неблагоприятным фактором будет поглощение радиоволн в тропосфере.

В связи с этим требуется постоянно проводить исследования с целью модернизировать используемые сигналы СРНС. Приоритетными задачами совершенствования радиоинтерфейса СРНС являются улучшение точности позиционирования, повышение иммунитета к нешумовым и многолучевым помехам, обеспечение работоспособности при пониженном уровне принимаемых сигналов КА и т.д. Параметры навигационных сигналов, требующие особого анализа, следующие: полоса частот, мощность сигнала, структура кода, чиповая скорость, период кода, скорость навигационных данных и их структура и др.

1.5.2 Сигналы системы ГЛОНАСС

В системе ГЛОНАСС используется частотное разделение сигналов (FDMA – Frequency Division Multiple Access), и каждый штатный КА в орбитальной группировке непрерывно излучает широкополосные навигационные радиосигналы в двух диапазонах частот 1600 МГц и 1250 МГц. Российская система ГЛОНАСС является единственной в мире СРНС, в основе которой лежит технология FDMA, в то время как остальные системы (GPS, Galileo, Beidou и др.) основаны на кодовом разделении сигналов КА.

Навигационные измерения в двух диапазонах частот позволяют исключить в приемнике ионосферные погрешности измерений. Каждый КА имеет цезиевый атомный стандарт частоты, используемый для формирования бортовой шкалы времени и навигационных сигналов с частотами L1 = 1600 МГц и L2 = 1250 МГц. Шумоподобные навигационные радиосигналы в опорном генераторе КА различаются несущими частотами:

f k f 0 k f, где k - номер несущей частоты, f 0 - несущая частота, а f – разнос частот соседних спутников.

–  –  –

где k - условный порядковый номер пары несущих частот f вk и f нk для навигационных радиосигналов диапазонов 1600 МГц и 1250 МГц.

Так как для взаимно противоположных КА в орбитальных плоскостях можно применять одинаковые несущие частоты, то для 24 штатных КА минимально необходимое число несущих частот в каждом диапазоне частот равно 12.

Навигационный радиосигнал на частоте L1 является двухкомпонентным. Радиопередатчик формирует два одинаковых по мощности шумоподобных фазоманипулированных навигационных сигнала на заданной несущей частоте. Сигналы находятся в квадратуре (взаимный сдвиг по фазе составляет ), и один из них занимает существенно большую полосу частот.

Более узкополосный навигационный радиосигнал на частоте диапазона 1600 МГц образуется с помощью манипуляции фазы несущего колебания на периодической двоичной псевдослучайной последовательностью (ПСП1) с тактовой частотой F1 = 0,511 МГц и периодом повторения T1 = 1 мс. Данная последовательность образуется сложением по модулю 2 трех двоичных сигналов, а именно ПСП дальномерного кода, передаваемой со скоростью 511 кбит / с, сигналов цифровой информации навигационного сообщения, передаваемой со скоростью 50 бит / с и вспомогательного меандрового колебания, транслируемого со скоростью 100 бит / с.

ПСП дальномерного кода есть m-последовательность, обладающая хорошими корреляционными свойствами. Так, квадрат корреляционного пика ансамбля равен [7]:

max, N где N - длина последовательности.

Более широкополосный навигационный радиосигнал в диапазоне 1600 МГц образуется манипуляцией фазы несущего колебания на периодической двоичной последовательностью (ПСП2) с тактовой частотой F2 =5,11 МГц. Путем инвертирования ПСП передаются двоичные символы цифровой информации длительностью 20 мс. Первый из рассмотренных сигналов в данном диапазоне доступен для всех без исключения потребителей в зоне видимости КА, а второй сигнал на этой частоте может использоваться гражданскими пользователями только с разрешения Минобороны России.

Сигнал в диапазоне L2 предназначен для военных нужд, поэтому его структура не разглашается. Навигационный радиосигнал диапазона 1250 МГц, излучаемый КА первой модификации, является однокомпонентным широкополосным шумоподобным сигналом. Он образуется посредством манипуляции фазы несущего колебания на периодической двоичной ПСП ( F2 = 5,11 МГц) без инвертирования, или без передачи цифровой информации.

Любой навигационный сигнал содержит служебную информацию, которая включает в себя оперативную (эфемериды спутника, оцифровку меток времени спутника, сдвиг шкалы времени спутника относительно шкалы времени системы, относительное отличие несущей частоты излучаемого радиосигнала от опорной частоты центрального хранителя времени) часть и неоперативную (параметры орбит всех спутников системы, поправки к шкале времени системы относительно шкалы UTC (SU), округленные значения сдвигов шкалы времени каждого спутника относительно шкалы времени системы, признак работоспособности всех 24 спутников системы и пр.), касающейся всей системы в целом и очередной группы из 5 КА.

Оперативная информация характеризует один спутник и содержится в его сигнале, а неоперативная относится к характеристикам всей системы навигационных КА. Элементы служебной информации, также как и несущая частота и дальномерный код формируются от общего бортового стандарта частоты.

Полный объем оперативной и неоперативной информации скомпонован в виде суперкадра длительностью 2,5 мин. Каждый суперкадр содержит 5 кадров длительностью 30 с. Кадры в свою очередь содержат по 15 строк, длительность каждой из них 2 с, из которых 1,7 с занимает цифровая информация, а последние 0,3 с выделены для передачи метки времени. В каждом кадре оперативная информация, относящаяся к конкретному КА, занимает первые четыре строки, остальные строки отведены для неоперативной информации [14,15].

Минимальная мощность принимаемого потребителем системы сигнала ГЛОНАСС на выходе линейно поляризованной изотропной антенны, имеющей коэффициент усиления 3 дБ, ориентированной на угол места 5° у поверхности Земли составляет минус 161 дБВт в диапазоне L1 и минус 167 дБВт в диапазоне L2. Уровень мощности внеполосных излучений от каждого КА ГЛОНАСС должен быть ослаблен не менее чем на 40 дБ относительно мощности немодулированной несущей. В полосе частот 1610,6…1613,8 МГц и 1660,0…1670,0 МГц сигнал должен быть ослаблен до уровня, установленного Рекомендацией МСЭ-R.RA-769 до минус 194 дБВт/м2 [14].

В настоящее время ведется работа по модернизации пользовательского радиоинерфейса СРНС ГЛОНАСС. Процесс обновления затронет также и космический сегмент системы в части постепенной замены морально устаревших КА «ГЛОНАСС» орбитальной группировки на следующее поколение спутников «ГЛОНАСС-М», а в дальнейшем на КА «ГЛОНАСС-К1» и «ГЛОНАСС-К2». Новые КА отличаются большим сроком службы (до 10 лет), уменьшенными массогабаритными характеристиками и повышенной стабильностью стандарта частоты.

Согласно имеющимся источникам [16-22] КА модернизированной системы ГЛОНАСС будут излучать навигационные сигналы в трех частотных диапазонах L1, L2 и L3 (~1200 МГц). При этом согласно мировому тренду утверждено введение сигналов с кодовым разделением (CDMA – code division multiple access) во всех трех диапазонах с сохранением принципа преемственности.

Новшеством является введение двухкомпонентных сигналов, имеющих составляющую с навигационными данными и составляющую без навигационной информации – пилот-сигнал.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 
Похожие работы:

«АЛЯМКИН ДМИТРИЙ ИВАНОВИЧ РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ДВУХФАЗНОГО ВЕНТИЛЬНО – ИНДУКТОРНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НАСОСОВ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ Специальность 05.09.03 – электротехнические комплексы и системы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель: доктор технических наук, профессор...»

«БАЯНОВ Владимир Андреевич КИНЕТИКА ОБРАЗОВАНИЯ ГЕРМАНОМОЛИБДЕНОВОГО ГЕТЕРОПОЛИАНИОНА В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ Специальность 02.00.04 – физическая химия Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук Научный руководитель: кандидат химических наук, доцент О.В. Рахимова Санкт-Петербург 2015 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1. ГЕТЕРОПОЛИСОЕДИНЕНИЯ: ТИПЫ СТРУКТУР И ОБЛАСТИ...»









 
2016 www.konf.x-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, диссертации, конференции»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.