Обнаружение сигналов спутниковой навигации. Часть 3

Обнаружение сигналов спутниковой навигации

Часть 3

В данной заключительной статье подведем итоги работы по нахождению сигналов спутниковой навигации, а также приадем алгоритмы поиска сигналов НКА на практике.

В ходе работы мы столкнулись с таким понятием, как доплеровский сдвиг частоты, значение которого определяло правильность обнаружения сигнала. Рассмотрим особенности этого и других параметров подробнее.

Основные навигационные параметры, определяемые в СРНС - дальность и радиальная скорость. Соответствующими им радионавигационными параметрами (параметрами радиосигнала) служат задержка сигнала и доплеровское смещение частоты f_доп. Так как главным требованием, предъявляемым к СРНС, является высокая точность измерения навигационных параметров, то и основным требованием, предъявляемым к радиосигналам, так же будет высокая точность измерения задержки сигнала и доплеровского смещение частоты f_доп.

Требования к повышению точности задержки сигнала и доплеровского смещения частоты противоречивы. Для повышения точности измерения задержки необходимо расширять спектр сигнала, а для повышения точности измерения доплеровского сдвига частоты - увеличивать длительность сигнала.

Повышения точности совместных оценок задержки сигнала и доплеровского смещения частоты можно достигнуть за счет увеличения так называемой базы сигнала - В (произведение эффективной длительности сигнала на эффективную ширину спектра сигнала) и основным требованием к радиосигналам в СРНС является увеличение базы сигнала В >> 1. Такие сигналы называют шумоподобными. Известно, что помехоустойчивость радиотехнической системы определяется значением базы сигнала, а для большинства БПЛА скрытность и помехозащищенность является одним из определяющих требований.

Другое существенное требование — обеспечение многостанционного доступа. При определении навигационных параметров у потребителя должна быть возможность одновременного доступа к сигналам от различных спутников. Проблема многостанционного доступа решается путем временного, частотного или кодового разделения сигналов, например, в спутниковой навигационной системе GPS используется кодовое разделение, в СРНС ГЛОНАСС - частотное.Известно, что при ортогональности сигналов и их точной синхронизации методы временного, частотного и кодового разделения эквивалентны. Это объясняет использование различных способов разделения сигналов в современных СРНС. Это предопределяет такое требование к приемникам СРНС, как точная синхронизация сигналов.

Для предъявления требований к приемоиндикаторам СРНС, в части касающейся точностных характеристик, необходимо провести анализ источников погрешностей СРНС и оценить их влияние на точность навигационно-временных определений. [1]

В приемнике измеряется время распространения сигнала от ИСЗ и вычисляется дальность “спутник-приемник” (радиосигнал, как известно, распространяется со скоростью света). Поскольку для определения местоположения точки нужно знать три координаты (плоские координаты X,Y и высоту H), то в приемнике должны быть измерены расстояния до трех различных ИСЗ. Очевидно, при таком методе радионавигации (он называется беззапросным) точное определение времени распространения сигнала возможно лишь при наличии синхронизации временных шкал спутника и приемника.

Поэтому в состав аппаратуры ИСЗ и приемника входят эталонные часы (стандарты частоты), причем точность спутникового эталона времени исключительно высока (долговременная относительная стабильность частоты обеспечивается на уровне 10-13 - 10-15 за сутки). Бортовые часы всех ИСЗ синхронизированы и привязаны к так называемому “системному времени”. Эталон времени GPS- приемника менее точен, чтобы чрезмерно не повышать его стоимость. Этот эталон должен обеспечивать только кратковременную стабильность частоты - в течение процедуры измерений. [2]

Рисунок 1. Сегменты спутниковой навигационной системы GPS «NAVSTAR»

В составе современной спутниковой радионавигационной системы (СРНС) типа ГЛОНАСС и GPS функционируют три основные подсистемы: космических аппаратов (ПКА), состоящая из навигационных спутников (НС) (сеть навигационных спутников - космический сегмент);контроля и управления (ПКУ) (наземный командно-измерительный комплекс (КИК)) - сегмент управления;аппаратура потребителей (АП) СРНС (приемоиндикаторы (ПИ) - сегмент потребителей (Рис. 1).

Основной операцией, выполняемой в СРНС с помощью этих сегментов, является определение пространственных координат местоположения потребителей и времени, т. е. пространственно-временных координат (ПВК). Эту операцию осуществляют в соответствии с концепцией независимой навигации, предусматривающей вычисление искомых навигационных параметров непосредственно в аппаратуре потребителя.

Методы решения навигационных задач

Местоположение объекта определяется координатами пересечения трех поверхностей положения, являющихся геометрическим местом точек с одинаковым значением навигационного параметра.Для решения навигационной задачи, т.е. для нахождения вектора потребителя П, используют навигационные функции определяющие функциональную связь между навигационными параметрами и компонентами вектора потребителя. Навигационные функции определяются с помощью разновидностей дальномерных и разностно-дальномерных методов.

В наиболее простом дальномерном методе навигационным параметром является дальность Д_i между i-м НС и потребителем, а поверхностью положения сфера с радиусом Д_iи центром в центре масс i-го спутника

Тут x_i, y_i, z_i, - известные на момент измерения координаты i-го спутника(с учетом его перемещения на время распространения сигнала); x, y, z, - координаты потребителя.

Местоположение объекта определяется координатами пересечения трех сфер, т.е. необходимо измерить дальности до трех НС (i= 1..3) и навигационная функция представляет собой систему из трех уравнений. В данном методе предполагается, что все величины взяты в один и тот же момент времени. Однако координаты НС привязаны бортовой шкале времени, а потребитель измеряет задержку радиосигнала в своей шкале времени. При наличии расхождения t' шкал времени возникает смещение Д' = сt' измеренной дальности и, как следствие, проблемы с точность определения координат потребителя. Поэтому в настоящее время более широко применяют псевдодальномерный метод.

Под псевдодальностью понимается измеренная дальность Д_изм_iдо i-го НС, которая отличается от истинной дальности на неизвестную, но постоянную на время определения навигационных параметров величину Д' . Таким образом, для псевдодальности до i-го НС можно записать

В псевдодальномерных методах поверхностью положения по-прежнему является сфера, но радиус этой сферы изменен на неизвестную величину Д'. Измерение псевдодальностей до трех НС приводит к системе уравнений с четырьмя неизвестными (x, y, z, Д' ). Для устранения возникшей неопределенности необходимо провести дополнительные измерения, т.е. измерить псевдодальность до четвертого спутника. Полученная таким образом система четырех уравнений имеет точное решение, и, следовательно, координаты потребителя определяютсякак точка пересечения четырех поверхностей положения.Необходимость нахождения в зоне видимости четырех НС предъявляет жесткие требования к структуре сети НС, которые выполняются только в средне орбитальных СРНС. Параметры орбитальной группировки НС низкоорбитальных СРНС (высота орбит, число спутников, их расстановка) обычно обеспечивают видимость в зоне потребителя 1…2 НС, поэтому определение координат потребителя в этих СРНС может осуществляться не в реальном времени, а лишь после проведения последовательных (обычно доплеровских) измерений нескольких линий положения по сигналам одного спутника.

Разностно-дальномерный метод основан на измерении разности дальностей от потребителя до i-го НС. По своей сути этот метод аналогичен псевдодальномерному методу и его применяют при наличии в дальномерных измерениях неизвестных сдвигов Д' . Разностно-дальномерный метод использует три до четырех НС, так как при постоянстве Д' за время навигационных определений разности псевдодальностей равны разностям истинных дальностей, для определения которых требуется три независимых уравнений. Поверхности положения определяются из условия Д_ij= сonst и представляют собой поверхности двуполостного гиперболоида вращения, фокусами которых являются координаты опорных точек i и j(центров масс i-го и j-го НС). Расстояние между опорными точками называют базой измерительной системы. Если расстояние от опорных точек до потребителя велики по сравнению с размерами базы, то гиперболоид вращения в окрестности точки потребителя практически совпадает со своей асимптотой - конусом, вершина которого совпадает с серединой базы.Точность определения координат потребителя при использовании этого метода такая же, как и у псевдодальномерного.

Радиально-скоростной (доплеровский) метод основан на измерении трех радиальных скоростей перемещения потребителя относительно трех НС. Физической основой метода является зависимость радиальной скорости точки относительно НС от координат и относительно скорости НС. Для определения компонент вектора скорости потребителя необходимо знать: векторы координат и скорости трех НС, а также координаты потребителя. Недостатком данного метода является невозможность измерения координат в реальном масштабе времени. Кроме того, в средневысотных СРНС медленные изменения радиальной скорости приводят к малым значениям разностей в алгоритмах навигационных вычислений и как следствие к снижению точности вычислений. Дополнительным недостатком метода является необходимость наличия высокостабильного эталона частоты, так как любая нестабильность частоты приводит к неконтролируемому изменению доплеровского смещения частоты, а, следовательно, к дополнительным ошибкам измерения составляющих скорости потребителя.

Комбинированные методы используют кроме СРНС дополнительные измерители координат, имеющиеся у потребителя. Так, в дальномерном методе при наличии на борту измерителя высотыН можно вместо измерений трех дальностей до НС ограничиться измерением двух дальностей. В этом случае навигационная функция буде включать два уравнения сферы, а третье необходимое уравнение дает измеритель высоты

(R_з + H)² = x²+ y²+ z².

Другой аспект использования комбинированных методов заключается в замене совокупности одновременных измерений на комбинацию одновременных и последовательных измерений или на совокупность только последовательных измерений, например определение координат потребителя разностно-скоростным методом. [1]

Исследователи, как правило, рассматривают помехоустойчивость АП СНС к следующим типам помех:

1) гармонические – описываются частотой и амплитудой;

2) узкополосные – описываются типом модуляции и занимаемой полосой частот;

3) широкополосные шумоподобные (гауссовы) помехи – их математической моделью является белый шум ;

4) импульсные – импульсы электромагнитной энергии, задаваемые амплитудой, частотой и скважностью;

5) имитационные – особый тип помех, повторяющий по структуре сигналы НКА, их целью является не сделать невозможной работу АП СНС, а заставить её использовать при выполнении навигационно-временных определений искажённые сигналы (излучаемые псевдоспутником – постановщиком помех, установленным на поверхности Земли).

Параметры обнаруженных НКА в сигнале.

1) PRN = 9.

Смещение кода: 86000

Значение частоты Доплера (fn) = 2200 Гц

Уровень сигнала: 5.8

Рисунок 3. Пики ВКФ для спутника PRN = 9

Рисунок 4. Сеймество ВКФ при PRN = 9

2) PRN = 27

Смещение кода: 86000

Значение частоты Доплера (fn) = 2400 Гц

Уровень сигнала: 3.125

Рисунок 4. Пики ВКФ для спутника PRN = 27

Рисунок 5. Сеймество ВКФ при PRN = 27

В итоге в сигнале обнаружены НКА 2 спутников с идентификаторами PRN = 9 и PRN = 27. Пики корреляционной функции для этих функций зафиксированы примерно при одинаковом значении доплеровский частоты 2200Гц и 2400Гц соответственно. Причем уровень сигнала спутника PRN = 27 значительно меньше, чем у спутника PRN = 9.

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. Современные спутниковые радионавигационные системы (СРНС). В.В. Карасёв

3. http://wwwcdl.bmstu.ru/it/ognev1.html

Тэги (через запятую)