На правах рукописи
Чистяков Валерий Валентинович
АРХИТЕКТУРА ПРИЕМНИКА СПУТНИКОВОЙ НАВИГАЦИИ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ И МЕТОДЫ ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
Специальность: 05.11.03 – Приборы навигации
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург – 2014
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)» на кафедре лазерных измерительных и навигационных систем
Научный руководитель:
кандидат физико-математических наук,
доцент кафедры «Бортовая радиоэлектронная аппаратура» Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения
Михайлов Николай Викторович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор,
профессор кафедры «Радионавигационные приборы и системы» Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова
Устинов Юрий Матвеевич
кандидат технических наук, доцент,
профессор кафедры «Военные системы космической, радиорелейной, тропосферной связи и навигации» Военной академии связи имени маршала С.М. Буденного
Якушенко Сергей Алексеевич
Ведущая организация:
ОАО «Ордена Трудового Красного Знамени Всероссийский научно-исследовательский институт радиоаппаратуры» (г. Санкт-Петербург)
Защита состоится «25» июня 2014 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д212.238.06 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета
«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, г. Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, д.5, ауд. 5108.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГЭТУ «ЛЭТИ» и на сайте www.eltech.ru
Автореферат разослан «24» апреля 2014 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.238.06,
кандидат технических наук |
А.М. Боронахин |
3
Общая характеристика работы
Актуальность темы исследования. Для повышения автономности функционирования космических аппаратов (КА) различного целевого назначения в околоземном пространстве требуется использование бортовых средств навигации. Возможность высокоточного определения вектора состояния КА на борту значительно упрощает решение задач навигационного планирования (включая планирование маневров), удержания КА на орбите,
предотвращения столкновений внутри группировки, а также открывает новые функциональные возможности в управлении КА, такие как создание группировок для полета строем (formation flying). В настоящее время наиболее полно требованиям к навигационному обеспечению КА удовлетворяют среднеорбитальные спутниковые радионавигационные системы (СРНС) –
американская Global Positioning System (GPS) и российская Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС). К их достоинствам относятся высокая точность,
доступность, надежность и непрерывность координатно-временного обеспечения потребителей.
Поэтому навигационные приемники GPS/ГЛОНАСС становятся неотъемлемой частью бортового комплекса управления перспективных КА, информация от которых используется как для уточнения орбитальных параметров центра масс КА, так и для планирования целевых задач в бортовом комплексе [1].
Степень разработанности темы исследования. Несмотря на большой выбор навигационных приемников GPS/ГЛОНАСС, представленных на рынке гражданской аппаратуры потребителей
(АП), число приемников, пригодных для использования в условиях космического пространства,
ограничено. При этом стоимость такой аппаратуры весьма высока, что обусловлено небольшим сегментом рынка и жесткими требованиями к радиационной стойкости элементной базы АП космического базирования [2]. Электронные компоненты приемника, соответствующие этим требованиям, в частности многоканальный коррелятор (МКК), доступны лишь в военном исполнении или в исполнении для двойного применения.
Высокая стоимость и ограниченная доступность радиационно-стойких МКК являются препятствием при разработке бортовой аппаратуры спутниковой навигации (БАСН) для гражданского потребителя. Выходом из сложившейся ситуации может быть использование подхода, при котором функции коррелятора в навигационном приемнике реализуются программными средствами и выполняются под управлением центрального процессора (ЦП).
Несмотря на очевидные преимущества этого подхода (гибкость архитектуры и упрощение аппаратной части), он имеет существенный недостаток – реализация алгоритмов цифровой обработки сигналов (ЦОС) предъявляет достаточно высокие требования к производительности ЦП. Необходимо отметить, что сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) общего назначения,
4
а именно ЦП и периферийные устройства, производятся в радиационно-стойком исполнении и часть этих СБИС доступны для гражданского потребителя. Однако ЦП с необходимой радиационной стойкостью, как правило, обладают низкой производительностью [3], что накладывает ограничения на алгоритмы обработки сигналов и архитектуру БАСН в целом.
Указанный круг задач составил предмет данной диссертационной работы и определил ее цель.
Цель работы – решение научно-технической задачи проектирования архитектуры приемника спутниковой навигации с программным коррелятором для космических применений и разработки эффективных методов обработки сигналов, позволяющих снизить требования к производительности ЦП.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
1.Исследование условий приема сигналов GPS/ГЛОНАСС в БАСН для различных положений потребителя относительно орбиты навигационных КА (НКА) и определение основных требований к алгоритмам первичной обработки сигналов.
2.Анализ возможных подходов к проектированию аппаратуры потребителя спутниковой навигации с целью разработки архитектуры навигационного приемника для космических применений.
3.Разработка метода адаптивной обработки сигналов в корреляторе, ориентированного на снижение требований к производительности вычислительной платформы.
4.Анализ схем поиска сигналов в приемниках спутниковой навигации с программным МКК и разработка метода поиска сигналов в БАСН, обеспечивающего обнаружение сигнала в условиях широкого диапазона изменения доплеровской частоты и при пониженном уровне мощности сигнала.
5.Разработка метода слежения за параметрами сигнала в приемнике с программным МКК,
ориентированного на уменьшение вычислительных затрат при оценке задержки огибающей
ифазы несущей частоты.
6.Анализ помехоустойчивости систем слежения и алгоритма демодуляции символов с целью определения степени влияния метода адаптивной обработки на оценки параметров сигнала
ивероятность ошибки приема символов.
Научная новизна проведенных исследований заключается в том, что в результате их
выполнения:
предложен метод адаптивной обработки сигналов в программном МКК, заключающийся в использовании переменного интервала корреляции и позволяющий существенно снизить требования к производительности ЦП;
5
предложен метод комбинированного поиска сигналов в приемнике спутниковой навигации с программным МКК, использующий несколько схем поиска в зависимости от информации об априорной неопределенности несущей частоты, обеспечивающий широкий диапазон поиска по частоте, а также получены аналитические соотношения для расчета параметров поиска;
предложен метод слежения за параметрами сигнала в приемнике с программным МКК,
заключающийся во временном разделении петель слежения за огибающей и несущей частотой и позволяющий получить оценки задержки и фазы несущей частоты с требуемой точностью при меньших вычислительных затратах по сравнению с традиционным подходом;
получены аналитические зависимости, описывающие влияние внутрисистемной помехи на оценку параметров несущей частоты сигнала и вероятность ошибки приема символов при адаптивной обработке навигационного сигнала с кодовым разделением.
Теоретическая значимость работы заключается в разработке новой архитектуры приемника спутниковой навигации с программным МКК и эффективных методов первичной обработки сигналов, позволяющих снизить требования к производительности ЦП.
Практическая значимость работы заключается в том, что результаты диссертационных исследований могут служить основой при проектировании навигационных приемников
GPS/ГЛОНАСС, используемых для навигации КА. Предложенная архитектура приемника и разработанные методы первичной обработки сигналов успешно реализованы в аппаратуре космического базирования MosaicGNSS, предназначенной для навигации КА по сигналам GPS L1 диапазона.
Методы исследования. При выполнении диссертационной работы применялись теоретические и экспериментальные методы исследований, включающие математическое моделирование при анализе характеристик алгоритмов ЦОС, использовались основные положения математической статистики, статистического анализа и обработки экспериментальных данных.
В результате проведенных исследований получены следующие основные научные
положения, выносимые на защиту:
1.Метод адаптивной обработки сигналов в программном МКК позволяет снизить уровень требований к производительности вычислительной платформы.
2.Метод комбинированного поиска сигналов в навигационном приемнике с программным МКК обеспечивает обнаружение сигналов в широком диапазоне частот и при пониженном