Обнаружение сигналов спутниковой навигации
Часть 2
В данной статье речь пойдет о непосредственном нахождении С/А кода в сигнале записи при помощи программного модуля (m-file).
Упрощенная
схема устройства поиска приведена на рис. 1. Входная реализация после
предварительного усиления, понижения частоты до промежуточной и усиления
усилителем промежуточной частоты (УПЧ) поступает на умножители каналов
формирования синфазной I и квадратурной Q составляющих.
Рисунок 1. Схема системы поиска сигнала
По команде
блока управления поиском в синтезаторе частот устанавливается частота fCH j , такая, что
fs - fCH j = fпр , где fs = f0 + fдоп j –
частота сигнала, принятого от НС,
fпр – промежуточная частота усилителя промежуточной
частоты (УПЧ). Блок управления поиском выдает также команды в блок управления
задержкой кода для формирования задержки τi опорного сигнала,
соответствующей анализируемой ячейке. Синтезатор частот вырабатывает опорное
колебание cos(ωсн j t). На
выходе генератора кода ПСП вырабатывается моделирующая функция h(t - ti), соответствующая заданной кодовой последовательности
(дальномерному коду) и сдвинутая на ti . На выходе
первого умножителя формируется опорный сигнал
h(t - ti)cos(ωсн j t), который поступает на умножитель канала
формирования синфазной составляющей I, а сдвинутое на p/2
колебание поступает на умножитель канала формирования квадратурной составляющей
Q. Напряжения с выходов умножителей поступают на интеграторы
со сбросом, начало и конец интегрирования в которых определяется командами,
поступающими от блока управления задержкой кода. В момент сброса (в конце интервала
интегрирования) напряжение с выходов интеграторов поступает на блок
формирования квадрата огибающей I 2+Q 2, а затем на пороговое
устройство, в котором принимается решение об обнаружении (не обнаружении)
сигнала. Данные об обнаружении сигнала передаются в блок управления поиском,
где принимается решение о последующем поиске или переходе в режим непрерывного
сопровождения. [1]
Перейдем к программной реализации в среде Matlab.
В нашем распоряжении имеется запись принятого радиосигнала, в которой мы должны обнаружить сигнал, модулируемый псевдослучайной цифровой последовательностью - С/А кодом (рис.3). Эта процедура называется фазовой манипуляцией. В первую очередь необходимо сгенерировать C/А код с помощью специального скрипта и в результате получить сигнал, сформированный при помощи данного кода (рис. 2).
Рисунок 2. Формирование сигнала, соответствующего спутнику с идентификатором PRN
Здесь PRN - идентификатор спутника, который мы будем изменять от 1 до 32 до момента обнаружения сигнала.
Рисунок 3. С/А-код
Далее на основе данных из файла записи сформируем комплексный сигнал, который назовем longSignal (рис.4). Он и будет главным объектом для поиска сигнала со спутника. Следует отметить, что сигнал, соответствующий спутнику PRN (caCodesSignal), имеет размерность 1х10000, когда longSignal - на порядок больше. Это важно отследить, так как при ограничении сигнала longSignal мы можем "отсечь" часть искомого сигнала, и обнаружение будет невозможным.
Рисунок 4. Сигнал на основе данных из записи
И, наконец, следующим шагом является непосредственно алгоритм обнаружения сигнала, а именно нахождение корреляционной функции между сигналами longSignal и caCodesSignal.
Корреляция сигналов описывается функцией
(1)Если под ν подразумевать задержку сигнала тау и ввести доплеровский сдвиг частоты fd, то корреляционная функция может быть записана в виде
(2)Эту функцию называют функцией неопределенности и широко используют при выборе формы сигнала. Наибольшее значение функции достигается при нулевых значениях задержки сигнала τ и доплеровского сдвига. На практике, при приеме сигнала с применением автокорреляции на фоне некоррелированного гауссовского шума, происходит пошаговый перебор значений τ и/или fd с вычислением в автокорреляторе значения функции (2). Обнаружение пика функции при некоторых значениях τ и f свидетельствует о максимально достоверном соответствии этих параметров истинным значениям. В соответствии с принципом неопределенности, повышение точности (заострение пика функции) при измерении τ приводит к снижению точности измерения fd, и наоборот, увеличение точности измерения доплеровского сдвига приводит к снижению точности измерения задержки сигнала.
Понятие потенциальной точности оценки относится исключительно к главному пику функции неопределенности. при выборе формы рабочего сигнала СНС необходимо добиваться, по возможности, отсутствия неоднозначности при оценке параметров при сохранении высокой разрешающей способности. [2]
Итак, для обнаружения сигналов необходимо учитывать доплеровское смещение частоты. Рассмотрим фрагмент программы (рис.5).
Рисунок 5. Нахождение ВКФ.
Здесь реализовано 2 цикла: по значениям доплеровской частоты fn и параметру k, определяющий периодичность тактов дискретизации. Чтобы варьировать значениями частоты "истинного" сигнала со спутника caCodesSignal, создадим функцию Carrier, которая по сути представляет собой формулу Эйлера с параметрами fn и k. При перемножении функций caCodesSignal и Carrier, получим новую - Newsignal, с которой и будем находить корреляцию принятого сигнала записи. Функция xcorr является функцией взаимной корреляции (ВКФ) двух сигналов. Таким образом, нам надо перебрать значения fn, пока на графике функции xcorr мы не увидим ярко выраженный пик. Наиболее удобно это реализовать с помощью цикла по всем значениям fn и команды pause, которая после каждого прохождения цикла приостанавливается до нажатия клавиши на клавиатуре. Это дает нам возможность отслеживать каждый график и переходить от одного к другому всего лишь нажатием "Пробела", например, а не вводить вручную каждый раз новое fn.
В итоге при выполнении всех этих действий был найден требуемый вид функции (рис. 6), а значит, можно утверждать, что сигнал был обнаружен при частоте Доплера fn = 2200 Гц со спутника с идентификатором PRN = 9.
Рисунок 6.Один из пиков ВКФ
Рисунок 7. Общий вид функции xcorr
Как видно из рис.7 пики повторяются каждую миллисекунду, что соответствует длительности сигнала стандартной точности.
Калинкин В.В.
Данная тема на форуме Radiolay.ru
Список используемой литературы:
1. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС Под Г-52 ред. В. Н. Харисова, А. И. Перова, В. А. Болдина. - М.: ИПРЖР, 1998. - 400 с. : ил.
2. Яценков В.С. Основы спутниковой навигации. Системы GPS NAVSTAR и ГЛОНАСС. — М: Горячая линия-Телеком, 2005. — 272 с: ил.