Материал: yyRWKpU9zi

6

уровне мощности сигнала. На основании полученных аналитических соотношений определены параметры комбинированного поиска.

3.Метод слежения за параметрами сигнала позволяет получить оценки задержки огибающей и фазы несущей частоты с требуемой точностью при меньших вычислительных затратах по сравнению с традиционным подходом.

4.Результаты анализа помехоустойчивости систем слежения за параметрами сигнала и алгоритма демодуляции информационных символов при адаптивной обработке сигнала в приемнике с программным коррелятором.

Степень достоверности и апробации результатов. Результаты диссертационных исследований использованы компанией EADS Astrium (Германия) при разработке навигационного приемника космического базирования MosaicGNSS [4], а предложенные алгоритмы ЦОС прошли успешную проверку в ходе натурных испытаний приемника,

проведенных немецким центром аэрокосмических исследований в рамках проекта TerraSAR–X [5]. Первый запуск радиолокационного спутника TerraSAR–X с приемником MosaicGNSS на борту состоялся в 2006 году. В настоящее время на околоземной орбите функционирует 8

экземпляров приемника с общим сроком службы 18 лет. Кроме того, имеется заказ на изготовление еще более 40 экземпляров приемника для решения различных целевых задач на орбите [4].

Основные теоретические и практические результаты диссертации изложены в 14

публикациях, среди которых 1 монография, 7 статей в изданиях, включенных в перечень ВАК,

1 патент на изобретение, 1 зарегистрированная программа для ЭВМ и 4 выступления на российских и международных конференциях.

Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, 4-х разделов,

заключения, списка использованных источников, включающего 65 наименований, и

приложения. Основная часть работы изложена на 116 страницах машинописного текста. Работа содержит 75 рисунков и 20 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цель и задачи исследования, определяется научная новизна, теоретическая и практическая значимость

результатов.

В первом разделе «Особенности приема сигналов спутниковых навигационных систем в космосе» проанализированы основные отличия условий приема сигналов GPS/ГЛОНАСС в

7

БАСН от наземного потребителя. Для этой цели в среде MATLAB разработан программный комплекс, позволяющий получить оценки прогнозируемого отношения сигнал/шум (C/No) на входе цифровой части БАСН, доплеровского смещения несущей частоты и его производных ( ,

′ , ′′ ), а также параметров рабочего созвездия НКА, включая геометрический фактор (PDOP).

Для определения характерных особенностей приема сигналов СРНС в приемниках космического базирования для разных высоты и типа орбиты КА выбраны низкоорбитальный

(МКС) и геостационарный (ИНМАРСАТ) потребители, имеющие близкие к круговым орбиты, а

также потребитель с высокоэллиптической орбитой типа «Молния». Расчет траектории потребителей осуществлялся на основе данных сервиса North American Aerospace Defense Command (NORAD) в предположении, что КА движутся по идеальным невозмущенным орбитам. В качестве исходных данных о параметрах орбит НКА использовались альманахи систем GPS/ГЛОНАСС. С помощью разработанного программного комплекса для выбранных потребителей получены частотные распределения указанных выше параметров. Отмечено, что характер распределений для обеих систем одинаковый. Результаты моделирования для GPS

суммированы в таблице 1. Для сравнения там же приведены характеристики условий приема сигналов GPS наземным потребителем.

Таблица 1 – Характеристики условий приема сигналов GPS

Из особенностей приема сигналов спутниковых навигационных систем в космосе следует отметить плохую радиовидимость и пониженный уровень мощности сигналов НКА для потребителей, расположенных над орбитой СРНС. Если для низкоорбитального потребителя в зоне радиовидимости всегда находится не менее 7-ми НКА, что позволяет осуществлять непрерывное позиционирование по набору одномоментных измерений радионавигационных параметров (РНП), то для потребителей с геосинхронной и высокоэллиптической орбитами наиболее вероятное число «видимых» НКА не превосходит четырех. При этом существуют

8

значительные интервалы времени, когда в зону радиовидимости потребителя не попадает ни один НКА. Использование сигналов от боковых лепестков диаграммы направленности передающей антенны НКА при пороге обнаружения сигнала 30 дБГц не меняет характер распределения. Число «видимых» НКА существенно возрастает, если порог обнаружения сигнала опустить до 20-22 дБГц. В этом случае наиболее вероятное число «видимых» НКА для этих потребителей равно четырем, а радиовидимость НКА становится практически непрерывной. Однако даже при этих условиях геометрический фактор рабочего созвездия НКА редко опускается ниже 30.

Величина доплеровского эффекта, обусловленного движением потребителя и НКА,

определяет диапазон поиска сигнала по частоте и параметры следящих петель. Для космического потребителя потенциально достижимые значения доплеровского смещения частоты и его производных зависят от высоты и типа орбиты. Максимальная взаимная динамика наблюдается в случае, когда плоскости орбит потребителя и НКА совпадают, а их угловые скорости имеют разные знаки. Для относительных скорости, ускорения и рывка имеют место соотношения:

круговых орбит модуль радиус-вектора КА и его угловая скорость не меняются. Поэтому для ′

справедливо соотношение:

′ = 0 −3/2 + 1 −3/2 ,

где – гравитационная постоянная Земли. На основании этих соотношений получены

Рисунок 1 – Максимальные значения доплеровского смещения частоты и его производных для

потребителя, расположенного ниже орбиты НКА

Рисунок 2 – Максимальные значения доплеровского смещения частоты и его производных для потребителя, расположенного выше орбиты НКА

Показано, что максимальный диапазон изменения доплеровского смещения частоты для космического потребителя без учета погрешности формирования опорной частоты в приемнике составляет ±50 кГц, а модуля его производной – 0…180 Гц/с. По сравнению с наземным потребителем диапазон поиска по частоте увеличился на порядок, а максимальное ускорение – на два порядка. Вторая производная доплеровского смещения частоты изменяется в пределах –

0…0,7 Гц/с2. Для обеспечения прецизионных измерений РНП в приемнике космического базирования в системах слежения за параметрами сигнала необходимо учитывать как первую,

так и вторую производную доплеровского смещения частоты.

Во втором разделе «Архитектура приемника сигналов спутниковых навигационных систем для космического потребителя» проанализированы возможные подходы к проектированию навигационных приемников GPS/ГЛОНАСС. Отмечено, что ограниченный доступ к радиационно-стойким МКК определяет выбор в пользу программного коррелятора в БАСН для гражданского потребителя. Трудность реализации этого подхода заключается в том,

что ЦП с необходимой радиационной стойкостью обладают низкой производительностью.

Основным потребителем ресурсов ЦП в навигационном приемнике с программным МКК является алгоритм вычисления корреляции входного сигнала с опорным. Поэтому основные усилия разработчиков направлены на оптимизацию вычислений при реализации алгоритма корреляции. Проведен анализ методов реализации программного МКК, позволяющих в разы уменьшить число операций, необходимых для вычисления свертки и снизить, таким образом,

уровень требований к производительности ЦП. Отмечено, что использование Single Instruction Multiple Data (SIMD) команд, битовых логических операций, а также пакетной обработки отсчетов промежуточной частоты позволяет осуществлять обработку сигнала под управлением ЦП с темпом поступления отсчетов. Получена эмпирическая оценка производительности ЦП,

необходимой для программной реализации одного канала МКК. Полученная оценка пересчитана для предлагаемого к использованию в БАСН сигнального процессора TSC21020F,

10

изготовляемого компанией Atmel (Temic) и представляющего собой радиационно-стойкую версию процессора ADSP21020 компании Analog Devices. Показано, что при одноразрядном квантовании входного сигнала TSC21020F позволяет реализовать не более двух каналов корреляции. Таким образом, для реализации многоканальной обработки необходима новая архитектура приемника с программным МКК и разработка эффективных методов ЦОС.

Вклассическом приемнике с программным МКК число каналов корреляции фиксировано

иопределяется максимальной загрузкой ЦП. Однако, в разных режимах функционирования приемника (поиск/слежение) загрузка ЦП может варьироваться. Это означает, что в некоторых режимах существует свободный ресурс ЦП. Предложена архитектура приемника с программным МКК, реализующего двухэтапную обработку сигнала, ориентированная на максимально эффективное использование ресурсов ЦП (рисунок 3). Приемник включает в себя

радиоприемную часть и сигнальный процессор, который исполняет функции МКК,

измерителей РНП и вектора состояний, декодера навигационной информации и блока назначения на каналы. В отличие от классической реализации приемников с программным МКК в данной архитектуре добавлены два новых блока – измеритель загрузки ЦП и блок управления коррелятором, позволяющие динамически изменять число каналов коррелятора в зависимости от условий приема сигналов. В МКК осуществляется формирование отсчетов