Срыв в системе слежения за фазой аппаратуры потребителе ГНСС при работе в районе размещения локальных навигационных систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Военный учебно-научный центр Военно-воздушных Сил “Военно-воздушная академия им. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (ВУНЦ ВВС «ВВА»)

СРЫВ В СИСТЕМЕ СЛЕЖЕНИЯ ЗА ФАЗОЙ АППАРАТУРЫ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ГНСС ПРИ РАБОТЕ В РАЙОНЕ РАЗМЕЩЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ

В.В. Цитиридис, В. В. Неровный,

В. А. Миронов, Н. Д. Голомазов

Аннотация

помехоустойчивость навигационный спутниковый аппаратура

Проведена оценка помехоустойчивости навигационной аппаратуры потребителей ГНСС при воздействии на неё сигналоподобных помех, источниками которых могут быть локальные навигационные системы. Получены количественные показатели помехоустойчивости аппаратуры потребителей ГНСС.

Ключевые слова: помехоустойчивость; навигационный BPSK сигнал; сигналоподобная помеха; срыв слежения.

Abstract

the probability of failure of phase tracking of the navigation user equipment when working in the area of the local navigation system

The estimation of noise immunity of navigation equipment of GNSS consumers under the influence of signal-like noise, the sources of which can be local navigation systems. The obtained quantitative indicators of a noise stability of user equipment of GNSS.

Keywords: noise immunity; navigation BPSK signal; signal like noise; default of track.

Введение

Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) имеют ряд преимуществ перед другими навигационными системами. Они обладают высокой точностью, непрерывностью и глобальностью навигационного обеспечения.

Однако, ГНСС имеют и серьезный недостаток: навигационная аппаратура потребителя (НАП) в условиях плотной городской застройки не всегда может обнаружить сигналы от необходимого количества навигационных космических аппаратов (НКА).

Одним из направлений развития навигации является разработка локальных навигационных систем (ЛНС). Данные системы разворачиваются в зонах, где необходимы высокие точность и стабильность навигации, как правило, в условиях плотной городской застройки. Такие системы в настоящее время уже существуют и работают за рубежом («LocataNet» - ЛНС, развернута в австралийском Сиднее) и разрабатываются в России (проект «Псевдоспутник» ООО «Веда-Проект») [1, 2].

Локальная навигационная система «LocataNet» разработана в Австралии фирмой Locata Corporation [1]. Данная система использует те же сигналы, что и «Navstar GPS» - код C/A с частотой следования кодовых символов 10,23 МГц при частоте следования кодовых символов 1,023 МГц в GPS. Местоположение пользователя определяется посредством вычисления дальности до нескольких (как минимум трех) синхронизированных по времени базовых станций (передатчиков), излучающих навигационные сигналы. В Сиднее развернуто восемь таких станций. Передатчики «LocataNet» - стационарные объекты, их координаты известны. Мощность передатчика «LocataNet» составляет около 1 Вт. Мощность передатчиков НКА системы GPS - до 50 Вт [1].

Локальная навигационная система «Псевдоспутник» разрабатывается как функциональное дополнение к ГНСС ГЛОНАСС, GPS с применением сети наземных псевдоспутников [2]. Наземные псевдоспутники излучают навигационные сигналы на частотах L1, L2 ГЛОНАСС, L1 GPS, подобные сигналам НКА, которые могут быть приняты существующей НАП с минимальными программными модификациями. Так же аппаратура данной системы позволяет доработать передатчики для работы на частотах 2400; 5000 и 6000 МГц.

Мощность сигнала ЛНС на входе приемника НАП значительно превышает мощность сигнала НКА, что может привести к срыву навигационно-временных определений (НВО) в НАП. Представляет интерес оценка помехоустойчивости аппаратуры потребителя в условиях воздействия сигналоподобных помех, источниками которых могут быть вышеперечисленные системы.

Навигационная аппаратура состоит из двух взаимосвязанных схем слежения: схема слежения за задержкой (ССЗ) и схема слежения за фазой (ССФ). Помехоустойчивость НАП в когерентном режиме определяется помехоустойчивостью ССФ [3]. Таким образом, для оценки помехоустойчивости аппаратуры потребителя ГНСС в целом достаточно оценить помехоустойчивость ССФ.

В работах [4, 5] приведено сравнение помехоустойчивости НАП при обработке навигационных сигналов с навигационной информацией (НИ) и без неё в условиях воздействия гауссовской помехи. В [4, 5] указано, что наличие НИ в сигнале ухудшает помехоустойчивость НАП. В монографии [6] исследовалось воздействие на НАП сигналоподобных помех. В ней получены характеристики помехоустойчивости для НАП, работающей с сигналами без модуляции навигационной информацией.

Целью данной статьи является исследование и получение количественных характеристик помехоустойчивости НАП, работающей с навигационными сигналами типа BPSK, содержащими НИ, в условиях воздействия сигналоподобной помехи, а так же сравнение этих характеристик для каждого из сигналов.

Расчет помехоустойчивости аппаратуры потребителей ГНСС

а. Основные определения и допущения

Синтез дискриминатора фазы для НАП ГНСС приведен в ряде работ [3, 6, 7].

При синтезе наблюдаемый процесс на входе приемника НАП представлен в виде:

(1)

где: - сигнал штатных НКА; - белый гауссовский шум (БГШ).

Модель сигнала штатных космических аппаратов на входе устройства обработки информации НАП представлена выражением:

, (2)

где: - амплитуда сигнала; - дальномерный код; - кодовая последовательность, содержащая навигационную информацию; - несущая частота; - начальная фаза сигнала; - время задержки сигнала.

В выражении (2) и далее , - кодовые последовательности, которые могут с течением времени принимать фиксированные значения ±1, посредством чего осуществляется фазовая манипуляция. Параметр , в данном случае является неизвестным, случайным и неинформативным. На интервале наблюдения он является постоянным, т.е. .

Для оценки помехоустойчивости ССФ воспользуемся методикой определения статистических характеристик оптимальных дискриминаторов следящих систем, приведенной в работе [6]. В соответствии с данной методикой для оценки помехоустойчивости дискриминаторов необходимо определить их дискриминационные и флуктуационные характеристики.

За модель сигнала псевдоспутников ЛНС, который при моделировании используется в качестве сигналоподобной помехи, примем выражение:

, (3)

где: - сигнал псевдоспутника локальной навигационной системы; - амплитуда сигнала, - дальномерный код; - кодовая последовательность, содержащая навигационную информацию; - несущая частота; - начальная фаза сигнала; - временная задержка сигнала псевдоспутника ЛНС.

Для исследования помехоустойчивости аппаратуры потребителей ГНСС в когерентном режиме была разработана модель в программной среде MATLAB/Simulink, имитирующая работу дискриминатора фазы в НАП ГНСС в условиях воздействия сигналоподобных помех. Напряжение на выходе дискриминатора фазы описывается выражением:

, (4)

где: , (5)

. (6)

Формулы (5), (6) описывают синфазный и квадратурный корреляторы [3].

б. Описание математической модели

Разработанная модель представлена на рисунке 1. В модели наблюдаемая реализация на входе дискриминатора фазы имеет вид:

, (7)

В выражении (7) отсутствует БГШ , т.к. мощность помехового сигнала на входе приемника на несколько порядков больше мощности шумов, которые представляют на этапе синтеза дискриминатора в виде БГШ.

Структура модели включает в себя:

ѕ блок формирования навигационного сигнала;

ѕ блок формирования сигналоподобной помехи;

ѕ дискриминатор задержки;

ѕ блок вычисления отношения помеха/сигнал;

ѕ блок вычисления вероятности срыва слежения.

Рис. 1 Модель дискриминатора фазы

Блок формирования навигационного сигнала формирует фазоманипулированный псевдослучайной последовательностью сигнал с заданным значением амплитуды, частоты, начальной фазы и задержки. Закон фазовой манипуляции соответствует структуре навигационного сигнала. Скриншот модели данного блока представлен на рисунке 2.

Рис. 2 Блок формирования навигационного сигнала

Блок формирования сигналоподобной помехи (рисунок 3) формирует фазоманипулированный случайной последовательностью сигнал с заданным значением амплитуды и частоты. Начальная фаза сигнала меняется в начале каждого испытания. После чего в смесителе формируется аддитивная смесь навигационного сигнала и помехи, которая поступает на вход дискриминатора фазы.

Рис. 3 Блок формирования сигналоподобной помехи

Дискриминатор фазы формирует заданную дискриминационную характеристику в соответствии с выражением (4). С выхода дискриминатора фазы напряжение поступает на вход блока вычисления вероятности срыва слежения. Схема дискриминатора фазы представлена на рисунке 4.

Рис. 4 Дискриминатор фазы

При каждом новом испытании изменяется значение коэффициента усиления G усилителя, который определяет соотношение помеха/сигнал.

При проведении оценки помехоустойчивости НАП для модели сигналоподобной помехи (3) были выбраны параметры сигнала BPSK (10). Подобный сигнал излучают псевдоспутники в ЛНС «LocataNet» [1]. Исследование проводилось для НАП, на вход которой поступают несущие навигационную информацию сигналы BPSK (1), BPSK (5), BPSK (10).

В качестве показателя эффективности функционирования ССФ в условиях помех используется вероятность срыва слежения за заданное время (время длительности навигационного сигнала) [3]. Под срывом слежения в данном случае понимается выход мгновенного значения ошибки слежения за фазой за пределы апертуры дискриминационной характеристики дискриминатора CCФ.

Наиболее простым методом вычисления вероятности срыва слежения является использование метода статистических испытаний (метод Монте-Карло).

Тогда вероятность срыва слежения можно определить как [6]:

, (8)

где - вероятность срыва слежения; - общее количество опытов; - значение статистики пересчитанной к входу фазового дискриминатора в опыте k; - индикаторная переменная, причём , если и , если ; - раскрыв апертуры дискриминационной характеристики.

На рисунке 5 представлены полученные в результате моделирования на ЭВМ зависимости вероятности срыва слежения от соотношения мощности помехи к мощности сигнала для НАП, работающей по навигационным сигналам типа BPSK (1), BPSK (5), BPSK (10).

Как указано в работе [10], при вероятности срыва слежения 0,5 и выше осуществление НВО в аппаратуре потребителя невозможно.

В таблице 1 приведены пороговые отношения «помеха/сигнал» q для НАП, работающей в условиях сигналоподобных помех.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5 Зависимости вероятности срыва слежения от соотношения q при работе НАП с навигационными сигналами: 1 - BPSK (1), 2 - BPSK (5), 3 - BPSK (10)

Заключение

По графику (рисунок 5) видно, что при воздействии сигналоподобной помехи наилучший показатель помехоустойчивости имеет НАП, работающая по навигационному сигналу BPSK (10) - срыв слежения наблюдается при q = 27 дБ. В сравнении с обработкой двух других навигационных сигналов в тех же условиях помехоустойчивость НАП выше на 13 дБ.

Критериальные отношения «помеха/сигнал» ССФ при обработке сигналов, не содержащих навигационную информацию, в условиях сигналоподобных помех получены в работе [6] и приведены в таблице 1. Там же приведены результаты, полученные авторами статьи для сигналов с навигационной информацией. Ухудшение помехоустойчивости для различных типов сигналов составляет 9…11 дБ.

Таблица 1

Сравнение помехоустойчивости НАП при обработке сигналов с навигационной информацией и без неё в условиях сигналоподобных помех

В работах [3, 4, 5,] указано, что наличие навигационной информации ухудшает помехоустойчивость приема на 4…7 дБ при воздействии гауссовской помехи.

Результаты, полученные при проведении исследований, могут быть полезны разработчикам НАП ГНСС при выработке мер, направленных на обеспечение электромагнитной совместимости аппаратуры потребителей ГНСС и ЛНС.

Литература

1. Locata-ICD-100E Locata Signal Interface Control Document. Locata Corporation Pty Ltd. Canberra. 2014. 105 с.

2. Проект «Псевдоспутник» [сайт]. URL: http://www.vedapro.ru/pseudo.php (дата обращения: 04.12.2018).

3. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования // Под ред. А.И. Перова, В.Н. Харисова. М.: Радиотехника. 2010. 800 с.

4. Ефименко В.С., Харисов В.Н. Влияние цифровой информации в навигационных сигналах на помехоустойчивость их приема // Радиотехника. 2013. №2. С. 17-20.

5. Миронов В.А., Радзиевский В.Г. Особенности навигационно-временного обеспечения радиоэлектронных систем в условиях информационного конфликта // Радиотехника. 1998. №6. С. 4 - 9.

6. В.В. Неровный. Помехоустойчивость мультисистемной аппаратуры потребителей ГНСС: монография. Воронеж: Издательско-полиграфический центр «Научная книга». 2018. 230 с.

7. Неровный В.В. Математическая модель оценки помехоустойчивости системы слежения за частотой аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем, использующей BPSK сигналы. // Теория и техника радиосвязи. 2013. №2. С. 46-50.

8. Перов А.И. Методы и алгоритмы оптимального приема сигналов в аппаратуре потребителей спутниковых радионавигационных систем: учеб. пособие для вузов. М.: Радиотехника. 2012. 240 с.

9. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М: Высшая школа. 2001. 315 с.

10. Шатилов А.Ю. Использование критерия срыва слежения при оценке помехоустойчивости следящих систем // Радиотехника. 2010. №11. С. 29 - 33.

Размещено на Allbest.ru