Исследование и разработка методов и устройств для уменьшения ошибки многолучевости в навигационном приемнике, реализуемом с использованием специализированной СБИС тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.05, кандидат технических наук Жданов, Алексей Владиславович

• Жданов, Алексей Владиславович
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Жданов, Алексей Владиславович

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Эффект многолучевости в радионавигационных системах ГЛОНАСС и ОР8

1.1. Характеристики многолучевости

1.2. Анализ известных методов уменьшения ошибки многолучевости

1.2.1. Уменьшение многолучевости посредством пространственной селекции сигнала

1.2.2. Уменьшение многолучевости при обработке сигнала

в приемнике

1.3. Стробовый метод уменьшения ошибки многолучевости

1.4. Выводы по первому разделу

2. Оптимизация стробового коррелятора по критерию минимума ошибки слежения

2.1. Входной и выходной сигналы стробового коррелятора

2.2. Взаимная корреляционная функция входного псевдослучайного шумового кода и опорной стробовой последовательности

2.3. Уменьшение фазовой ошибки многолучевости

2.3.1. Расчет фазовой ошибки многолучевости

2.3.2. Поиск строба, обеспечивающего наименьшее

значение дисперсии фазовой многолучевой ошибки

2.3.3. Расчет фазовой шумовой ошибки

2.3.4. Минимизация векторного показателя качества слежения за несущей

2.4. Уменьшение кодовой ошибки многолучевости

2.4.1. Расчет кодовой ошибки многолучевости

2.4.2. Расчет кодовой шумовой ошибки

2.4.3. Минимизация векторного показателя качества слежения за псевдослучайным шумовым

кодом

2.5. Выводы по второму разделу

3. Аспекты реализации стробовых корреляторов в СБИС

3.1. Специфика цифрового многоканального навигационного приемника

3.2. Свойства генератора опорного сигнала

3.3. Первый способ формирования цифровых опорных сигналов

3.3.1. Формирование простого строба из одного отсчета

3.3.2. Формирование строба из нескольких отсчетов

3.4. Второй способ формирования цифровых опорных сигналов

3.5. Реализация коррелятора с малыми аппаратными затратами

3.5.1. Обработка действительного сигнала

3.5.2. Обработка комплексного сигнала

3.6. Выводы по третьему разделу

4. Экспериментальное исследование многолучевости и эффективности применения стробовых корреляторов

4.1. Экспериментальная проверка эффективности применения стробовых корреляторов

4.2. Методика оценивания параметров многолучевости в статических приложениях

4.3. Экспериментальное исследование кодовой многолучевости

4.4. Выводы по четвертому разделу

Заключение

Литература

Основные сокращения Основные обозначения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка методов и устройств для уменьшения ошибки многолучевости в навигационном приемнике, реализуемом с использованием специализированной СБИС»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации

Современные спутниковые сетевые радионавигационные системы, такие как российская ГЛОНАСС и американская GPS (NAVSTAR), применяются для решения широкого круга задач, связанных с определением местоположения, скорости объекта и точного времени. На точность получаемого решения влияет множество факторов. Основными источниками ошибок в режиме абсолютного местоопределения являются:

а) селективный доступ,

б) ионосферная задержка радиосигнала,

в) нестабильность спутникового эталона частоты,

г) неточность эфемеридной информации,

д) многолучевость,

е) тропосферная задержка радиосигнала,

ж) тепловые шумы приемного тракта.

Отметим, что здесь эти источники перечислены в порядке уменьшения вклада в результирующую ошибку абсолютного местоопределения [48]. Кроме того, в ГЛОНАСС режим селективного доступа (совокупность мер для искусственного снижения точности решения [48]) отсутствует.

Ошибки, вызванные причинами а)-г), в значительной степени удаляются благодаря использованию дифференциального режима местоопределения, при котором измерению подлежит разность координат (базовый вектор) между мобильным и базовым приемниками. Имея такой вектор и зная точные координаты базового приемника, можно вычислить координаты мобильного. На коротких базовых линиях, когда длина базового вектора меньше 10 км, эти ошибки проявляются практически одинаковым образом, как в мобильном приемнике, так и в базовом. Поэтому они взаимокомпенсируются при вычитании. Однако этого нельзя сказать про

ошибку многолучевости, которая определяется локальными условиями работы приемника: формой отражающих предметов и их положением относительно антенны и спутников. Поэтому при дифференциальном методе на коротких базовых линиях ошибка многолучевости становится превалирующей. При этом она проявляется двояко. С одной стороны, из-за нее возникает ошибка в координатах базового вектора. С другой стороны, возрастает время необходимое для разрешения неоднозначностей (целого числа длин волн) по фазам несущих при работе в фазовом дифференциальном режиме (координаты базового вектора определяются по фазам несущих). Это увеличение времени особенно заметно в одночастотных навигационных приемниках.

Следует отметить, что проблеме многолучевости уделяется внимание также в связных [20,22,26,38] и радиолокационных [2,31,32] системах. В первых системах она в основном проявляется в виде замираний принимаемого сигнала, во вторых - в виде ошибки измерения параметров приходящего сигнала, причем в последних она тесно связана с проблемой повышения разрешающей способности.

К сожалению, разработанные для этих систем методы в большинстве случаев не применимы к носимым высокоточным приемникам спутниковой навигации по следующим причинам:

- Требования по массогабаритным показателям не позволяют использовать сложные антенные системы для выделения одного или небольшого числа лучей путем селекции сигналов по углу прихода. Эти же требования не позволяют использовать идеи, заложенные в системах разделения приходящих лучей с последующим их синфазным сложением (подобные системы используются для увеличения отношения сигнал-шум в связи [22,38]) или в системах оптимального оценивания (в радиолокации и радионавигации [7,25,32,42,43]), так как число подобных достаточно сложных систем должно быть равно числу спутников, находящихся в зоне

видимости.

Характеристики (частоты, вид модулирующих сигналов) навигационного сигнала строго фиксированы [8,51]. Это не позволяет использовать методы, основанные на выборе типа и параметров излучаемого сигнала [17,20].

Кроме этого эффект многолучевости в навигационных системах ГЛОНАСС и GPS имеет ряд особенностей, которые позволяют разработать специфические методы борьбы с ним.

Исходя из вышесказанного, можно сформулировать следующие цель и задачи работы:

Цель и задачи работы

Целью данной работы является исследование, разработка и испытание методов и устройств для уменьшения ошибки многолучевости в высокоточных спутниковых навигационных приемниках. В соответствии с поставленной целью в диссертации ставятся и решаются следующие задачи:

1. анализ методов уменьшения ошибки многолучевости и их применимости в высокоточных спутниковых навигационных приемниках (в дальнейшем просто приемниках);

2. определение требований к системе уменьшения ошибки многолучевости в приемнике;

3. исследование стробового метода уменьшения ошибки многолучевости, не чувствительного к числу отраженных сигналов и не приводящего к существенному усложнению аппаратной и программной частей приемника;

4. оптимизация стробового коррелятора по критерию минимума ошибки слежения;

5. исследование и разработка цифровых способов формирования опорного сигнала коррелятора в виде стробовой последовательности;

6. исследование и разработка цифрового коррелятора с малыми аппаратными затратами при обеспечении малого уровня энергетических потерь и паразитных гармоник;

7. экспериментальное исследование степени уменьшения ошибки многолучевости при использовании стробового коррелятора;

8. разработка методики определения характеристик многолучевости по измерениям приемника для их последующего использования при оптимизации строба и анализе многолучевой обстановки.

Задачи 1,2,3 решаются в главе 1, задача 4 - в главе 2, задачи 5 и 6 - в главе 3, задачи 7 и 8 - в главе 4.

Методы исследования

В работе использовались методы теории цифровой обработки сигналов, теории случайных процессов, теории линейных электрических цепей и матричной алгебры. Для обработки экспериментальных данных использовались методы математической статистики.

Научная новизна работы

заключается в следующем:

- исследован метод уменьшения ошибки многолучевости за счет изменения формы опорного сигнала коррелятора;

- проведена оптимизация формы и параметров строба по критерию минимума ошибки слежения;

- разработаны и исследованы устройства цифрового формирования стробовой последовательности, состоящей из прямоугольных элементов;

- разработан и исследован цифровой стробовый коррелятор на основе нереверсивного счетчика;

- разработана методика определения характеристик многолучевости по измерениям синфазной компоненты, псевдодальности и полной фазы в приемнике;

Практическая ценность результатов работы

Решения по подавлению ошибки многолучевости, разработанные в диссертационной работе, позволяют уменьшить ошибку в определении координат в два и более раз. Этот эффект достигается при малом увеличении аппаратных затрат. Увеличение составляет менее 5% от общего количества элементов в СБИС, обеспечивающей обычные функции. Это дает возможность при производстве СБИС использовать кристалл обычного объема.

Построение коррелятора на основе нереверсивного счетчика позволяет сократить потребление и аппаратные затраты на реализацию накопителя более чем в два раза, по сравнению с традиционным вариантом.

Путем рационального выбора места установки антенны, так чтобы отражение от местных предметов было минимальным, можно существенно уменьшить ошибку многолучевости. Местоположение наиболее сильно отражающего предмета можно определить по задержке отраженного сигнала, оцененной с помощью предложенной методике определения характеристик многолучевости по измерениям приемника. Кроме этого знание задержки позволяет произвести адаптацию формы строба для подавления этого отражателя.

Результаты диссертационной работы были использованы при разработке специализированных СБИС для навигационных приемников, выпускаемых Ashtech Inc. и Javad Positioning Systems LLC, что подтверждается актами о внедрении.

Основные положения, выносимые на защиту 1. Разработанная методика оптимизации характеристик стробовой последовательности позволяет в максимальной степени уменьшить влияние отраженных сигналов на системы слежения за несущей и кодом. При этом обеспечивается заранее заданное значение энергетических потерь по сравнению с системой, оптимальной для однолучевого сигнала.

2. Заданную стробовую последовательность, одиночный строб в которой состоит из прямоугольных элементов с длительностями, кратными периоду дискретизации, можно сформировать на основе импульсов дискретизации. Если длительности прямоугольных элементов не кратны периоду дискретизации, то следует привлекать код фазы. Это приведет к некоторому усложнению устройства, но позволит получить более гибкую систему.

3. Разработанный цифровой коррелятор на основе нереверсивного счетчика позволяет реализовать свертку входного сигнала (в том числе реализовать стробовый метод борьбы с многолучевостью) с аппаратными затратами и потреблением более чем в два раза меньшими, чем в традиционном варианте.

4. Разработанная методика определения параметров отраженного сигнала по измерениям синфазной компоненты, псевдодальности и полной фазы в приемнике позволяет оценить задержку отраженного сигнала с точностью, достаточной для использования ее при выборе места установки антенны и адаптации характеристик стробовой последовательности для подавления этого отражателя.

Публикации иапробации

По теме диссертации опубликовано пять печатных работ [6,13,14,62,69].

Объем и структура работы

Диссертационная работа изложена на 151 листе машинописного текста, включая 31 лист иллюстраций и 7 таблиц. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 70 наименований, списков основных сокращений и обозначений.

1. ЭФФЕКТ МНОГОЛУЧЕВОСТИ В РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ ГЛОНАСС и GPS

В данной главе рассматривается специфика проявления многолучевости в спутниковых радионавигационных системах ГЛОНАСС и GPS. Описываются характеристики многолучевости и вводится модель многолучевого сигнала.

Описываются методы уменьшения многолучевости, применяемые в спутниковых радионавигационных системах, за счет пространственной селекции сигнала до его поступления на вход радиочасти навигационного приемника. Рассматриваются оптимальные и неоптимальные методы обработки сигнала в приемнике (после антенной системы).

Описываются основные особенности стробовых корреляторов, позволяющих эффективно уменьшить ошибку многолучевости.

Часть результатов, приведенных в этой главе, опубликованы в работах автора [6,13,62].

1.1. Характеристики многолучевости

Эффект многолучевости возникает вследствие того, что на вход навигационного приемника кроме основного (прямого) сигнала приходят копии этого сигнала, отраженные от местных предметов. Различие параметров прямого и отраженного сигналов приводит к ошибке (называемой ошибкой многолучевости) при определении дальности до спутника. В обычном приемнике, являющемся оптимальным (квазиоптимальным) в условиях однолучевого сигнала, значение этой ошибки лежит в пределах -7...7 м по псевдодальности и -2...2 см по фазе несущей.

Отраженный сигнал можно характеризовать следующими параметрами:

- временной задержкой 8 псевдошумового кода (ПШК) отраженного сигнала относительно ПШК прямого,

- разностью фаз 9 между несущей отраженного сигнала и несущей прямого,

- отношением а амплитуды отраженного сигнала к амплитуде прямого. Важное значение имеют также направление прихода и тип поляризации отраженного сигнала.

Рассмотрим эти параметры более подробно. От направления прихода отраженного сигнала зависит его амплитуда на выходе антенны [определяется по диаграмме направленности (ДН)] и дополнительный фазовый сдвиг за счет неравномерности фазовой диаграммы антенны. Амплитуда зависит также от типа поляризации отраженного сигнала. Сигналы, излучаемые как спутниками GPS, так и ГЛОНАСС, имеют правую круговую поляризацию [8,51]. Как известно [41], при отражении сигнала, падающего под углом меньшим угла Брюстера, сигнал изменяет тип поляризации- с правой на левую. За счет того, что навигационная антенна проектируется для приема сигналов с правой поляризацией, при таких углах отраженный сигнал будет ослабляться. К сожалению, это ослабление не очень велико и составляет в лучшем случае 10 дБ. Однако в нижней полусфере антенна имеет левую поляризацию и поэтому отраженные сигналы, приходящие "снизу" (например, вследствие отражения от поверхности земли), не ослабляются.

Временная задержка, фаза и амплитуда отраженного сигнала влияют на работу следящих петель приемника. Отраженный сигнал всегда запаздывает относительно прямого за счет распространения по более длинному пути. Причем сигналы с задержками большими длины элемента ПШК, модулирующего несущую, ошибку практически не вызывают за счет узкой корреляционной функции ПШК. Следует отметить, что относительная фаза отраженного сигнала характеризует сдвиг между прямым и отраженным

сигналами с точностью до целого числа длин волн, в то время как относительная задержка - полностью.

Амплитуда отраженного сигнала обычно меньше амплитуды прямого за счет потерь при отражении. Однако ситуация может быть и противоположной, если прямой сигнал испытывает сильное затухание. Более того, он может вообще отсутствовать при затенении линии визирования радионепрозрачным предметом.

Будем использовать следующую модель многолучевого сигнала

= ¿я, • P(t - ) • cos[/(су + ©,)] + КО, (1.1)

¿=0

где L- число отраженных сигналов; ¿=0 соответствует прямому сигналу, а z-l,2...Z - отраженным; а, - амплитуда г'-го сигнала; p(t) - ПШК (например, С/А код GPS); 5, - временной сдвиг г'-го сигнала относительно прямого; со0 -несущая частота; 9- фаза z'-го сигнала относительно прямого; n(t) -аддитивный гауссов шум с нулевым математическим ожиданием. Отметим, что адекватность этой модели подтверждается экспериментальными исследованиями [58]. Указанные параметры L, аь 5г, ю0, 9г- меняются с

течением времени за счет взаимного движения спутника, отражающих предметов и приемника. По скорости их изменения (в основном по скорости изменения относительной фазы 9г между прямым и отраженным сигналами) многолучевость подразделяют на медленную и быструю. Первая проявляется в статических приложениях, и интервал ее корреляции лежит в пределах от нескольких минут до нескольких десятков минут [46]. Вторая проявляется в кинематических приложениях. Если интервал ее корреляции меньше периода регулирования следящих систем (это справедливо в случае, когда приемник установлен, например, на движущемся автомобиле), то ошибка многолучевости эффективно сглаживается ими. Этот эффект называют рандомизацией многолучевости. Рассмотрим его более подробно.

Рандомизация многолучевости. Предположим, за время, равное периоду регулирования следящих систем Тг, произошла полная рандомизация многолучевости, которая (при малом времени запаздывания отраженного луча) по своей мощности эквивалентна многолучевости с одним отраженным сигналом с относительной амплитудой а=а\!а^. Последняя приводит к периодическому, а при а«1 почти гармоническому, изменению фазовой ошибки многолучевости (по несущей) с амплитудой примерно а радиан. Мощность колебаний такой ошибки практически равна а2/2.

Если представить рандомизированную многолучевость в виде дискретного белого гауссового шума с дисперсией а2/2 и периодом следования отсчетов Тг, то ее спектральная плотность равна [39]

Ми = а%.

При полной рандомизации величина Ии играет роль эквивалентной флуктуационной характеристики ошибки фазовых измерений из-за многолучевости; эта величина аддитивно складывается с эквивалентной флуктуационной характеристикой из-за теплового шума приемника N3 [39]

Рс п п э

где И0 - спектральная плотность мощности теплового шума; Рс- мощность сигнала; П- энергетический потенциал (ЭП); Пэ - эквивалентный ЭП, в котором учитываются энергетические потери (характеризуются коэффициентом потерь к) за счет отличия обработки от оптимальной. Отметим, что обычно Пэ лежит в пределах 38.. .56 дБГц. Сравним Пэ с величиной обратной то есть с

Пм=1/(а2Гг).

Величину Пм можно трактовать как ЭП, к которому приводит полностью рандомизированная ошибка многолучевости при условии, что тепловыми

шумами приемника можно пренебречь (с учетом последних ЭП еще

несколько уменьшится). Например, при а = 1 / а/2 (соответствует сильной многолучевости) и Т= 5 мс потенциал Пм=26 дБГц. Такая многолучевость оказывает очень сильное влияние на ФАП, и если не принять специальных мер для улучшения пороговых свойств следящей системы, возможно, приведет к срыву синхронизма. Следовательно, сильная многолучевость при рандомизации может быть более опасной, чем без рандомизации. В случае слабой многолучевости с а = 0.1 потенциал Пм=43 дБГц. Следовательно, влияние даже слабой рандомизированной многолучевости на дисперсию ошибки ФАП в среднем превышает влияние теплового шума.

Теперь рассмотрим методы и системы уменьшения ошибки многолучевости, реально применяемые в спутниковых радионавигационных системах ГЛОНАСС и GPS. В общем случае известные методы уменьшения многолучевости можно подразделить на две категории:

- методы пространственной селекции, имеющие дело с сигналом до того как он поступил на вход радиочасти приемника;

- методы обработки сигнала в приемнике после того как он поступил на вход радиочасти.

1.2. Анализ известных методов уменьшения ошибки многолучевости

1.2.1. Уменьшение многолучевости посредством пространственной

селекции сигнала

Самым очевидным и простым методом пространственной селекции сигнала является рациональный выбор места для антенны приемника таким образом, чтобы свести влияние многолучевости к минимуму. Для этого необходимо, чтобы задержка возможных многолучевых сигналов превышала

длину элемента ПШК, то есть 300 м для С/А сигнала GPS и 600 м для С/А сигнала ГЛОНАСС (по аналогии с GPS, сигнал стандартной точности в ГЛОНАСС для краткости будем называть С/А сигналом, а высокоточный - Р сигналом). Для пользователей, работающих с Р сигналом, эти значения уменьшаются в 10 раз, за счет того, что тактовая частота Р сигнала больше тактовой частоты С/А сигнала в 10 раз [28]. Однако этот метод применим только при планировании места для размещения базового приемника, и то не во всех случаях. Например, при строительных работах (разметка фундаментов зданий, прокладка трубопроводов, тоннелей, дорог) часто необходимо знать базовый вектор между двумя строго определенными точками, то есть место базового приемника здесь непроизвольно. Кроме этого многолучевость, связанная с отражением сигнала от поверхности земли, в любом случае остается. Рассмотрим последний вопрос более подробно.

Уменьшение влияния отражений от земли. Навигационная антенна в верхней полусфере в идеале должна иметь изотропную ДН, так как спутники достаточно равномерно распределены по небесной сфере. В нижней же полусфере сигнал должен как можно сильнее подавляться, потому что с этого направления приходят отраженные от земли сигналы. В типичной ситуации антенна поднята на некоторую высоту над поверхностью земли. Важной количественной мерой подавления сигнала является отношение %(у) коэффициента усиления (КУ) антенны в нижней полусфере при определенном угле падения у к КУ в верхней полусфере при том же угле у.

Для того чтобы обеспечить подавление сигнала в нижней полусфере, применяют специальные экраны, на которые устанавливают антенну. Типичным является использование одного из следующих типов экрана:

1) экран в виде плоского металлического диска с радиусом около 100

мм;

2) экран в виде диска с радиусом около 200 мм и установленных на нем

концентрических колец с высотой около 100 мм.

Первый тип экрана (будем называть его плоским экраном) сравнительно простой и такая антенна компактна и имеет малый вес. Однако ее характеристика %(у) хуже, чем у антенны с экраном второго типа (будем называть его многокольцевым экраном), которая по сравнению с ней имеет большие размеры и вес. В качестве примера на рис. 1.1 приведены такие характеристики для антенн Ье§Агй (с плоским экраном) и 1Р8 Оа1Ап1 (с многокольцевым экраном) [47].

Основной особенностью отражений от земной поверхности является малое время 5 запаздывания отраженного сигнала относительно прямого. При высоте антенны в 2 м это время лежит в пределах 0...13 не. Дискриминационная характеристика (ДХ) [39] схемы слежения за задержкой (ССЗ) ПШК при таких малых временных сдвигах практически линейна. Используя этот факт, легко получить простую формулу для расчета огибающей кодовой ошибки многолучевости. Здесь и далее под огибающей ошибки многолучевости будем подразумевать зависимость максимальной ошибки многолучевости (как положительной, так и отрицательной) от запаздывания 5. Если запаздывание 8 задано в метрах, то сама ошибка многолучевости представляет собой близкое к гармоническому колебание с периодом по запаздыванию 5, равным длине волны X несущей.

Рассмотрим случай многолучевости с одним отраженным сигналом и пренебрежем взаимовлиянием ФАП и ССЗ. На рис. 1.2 изображен вид начальных участков ДХ: ¿<л(е) - по основному сигналу (проходит через начало координат); г^г(в) - по отраженному сигналу при синфазности прямого и отраженного сигналов, когда относительная фаза 0=0; za'з(s) - то же, но при противофазности 9=ти. Изображенные прямые описываются

О

-10

-20

-30

-100 -50 0 50 100

Рис. 1.1. Зависимости отношения % от угла падения у для антенн с экранами

двух типов

Рис. 1.2. Вид начальных участков ДХ по прямому и отраженному сигналам

следующими уравнениями

Zdl=kd-E,

Zd2 = а • kd ■ (в - 8), Zd3 =-a-fcd-(e-S).

В этих уравнениях kd- коэффициент передачи дискриминатора по прямому сигналу.

Если коэффициент отражения от земной поверхности обозначить г, то из-за подавления лучей за счет ДН в нижней полусфере относительная амплитуда а равна

а = г ■ %(у).

Задержка 8 определяется углом падения у. В случае антенны, поднятой на высоту h над плоской поверхностью, при выполнении законов геометрической оптики, связь между у и 8 следующая

8 = 2h- cos у.

Огибающая (верхняя ДЕ^ для 6=0 и нижняя ДЕ^ для 9=тс) кодовой ошибки

многолучевости Дем определяется нулем суммарной дискриминационной характеристики, то есть из решения следующих уравнений

~Zd\ (ДЕ^) + ¿¿2 (ДЕ^) = 0, ¿¿1 (ДЕ^) + Zd3 (ДЕ^) = 0. В результате их решения получаем

7н сс-8

1 - а

Заключение диссертации по теме «Интегральные радиоэлектронные устройства», Жданов, Алексей Владиславович

4.4. Выводы по четвертому разделу

Приведенные в данной главе результаты экспериментального изучения степени подавления кодовой ошибки многолучевости с помощью стробового коррелятора в условиях наличия множества близкорасположенных отражающих объектов позволяют сделать следующий вывод: при использовании биполярного строба (рис. 1.8, б) обеспечивается существенное (примерно в три раза) подавление ошибки многолучевости по сравнению с простым стробом (рис. 1.8, а). При этом суммарная ошибка, учитывающая влияние шума, подавляется на меньшую величину (примерно в два раза).

Разработана методика определения характеристик многолучевости в статических приложениях по навигационным измерениям, выводимым приемником. Для оценивания амплитуд и задержек отраженных сигналов относительно прямого, используются значение синфазной компоненты I и величина "код минус фаза", полученная вычитанием из псевдодальности полной фазы. Показано, что применять для оценивания измерения, полученные при использовании простого строба, нельзя. В качестве примера, приведены результаты применения этой методики в конкретных условиях работы приемника.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертационной работе в соответствии с поставленными целью и задачами:

1. Показано, что уменьшение ошибки многолучевости можно достигнуть следующим комплексом мер:

- рационально выбирать место расположения антенны;

- для подавления многолучевости, связанной с отражениями от земли, использовать экран, желательно многокольцевой;

- использовать стробовые корреляторы как в ФАП, так и в ССЗ;

2. Показано, что стробовый коррелятор является гибким и простым инструментом, нечувствительным к числу отраженных сигналов, позволяющим адаптировать следящие системы к различным внешним условиям, путем выбора формы и параметров стробов в опорном сигнале. Предложено оптимизацию формы и параметров строба производить по критерию обеспечения наименьшего значение дисперсии многолучевой ошибки при фиксированном значении энергетических потерь по отношению к системе оптимальной в условиях однолучевого сигнала. Разработана удобная методика нахождения решения этой задачи. Показано, что подавление ошибок многолучевости сопровождается увеличением шумовых ошибок следящих систем, и только это обстоятельство ограничивает степень достигаемого эффекта.

3. Разработаны и исследованы два способа формирования опорного сигнала коррелятора в виде стробовой последовательности: первый- при использовании импульсов дискретизации, второй- при использовании кода фазы из СТЧ. Проведенный анализ показал, что как при первом способе, так и при втором, могут быть получены цифровые опорные сигналы, соответствующие заданным формирующим функциям без дополнительных энергетических потерь. Однако у первого способа есть ограничение на вид формирующей функции, а именно длины ее прямоугольных элементов и их задержки должны быть кратны периоду дискретизации. В противоположность этому, второй способ свободен от такого недостатка, но он сложнее в реализации.

3. Рассмотрены способы построения коррелятора на основе нереверсивного счетчика, позволяющие сократить аппаратные затраты на реализацию накопителя более чем в два раза. При обработке действительного сигнала предлагается использовать входное бинарное квантование, трехуровневую опорную несущую с общей длиной ненулевых зон Зтг/2. При обработке комплексного сигнала предлагается использовать все то же самое за исключением опорной несущей. Длина ее ненулевых зон должна равняться п.

4. Экспериментальное изучение степени подавления кодовой ошибки многолучевости с помощью стробового коррелятора в условиях наличия множества близкорасположенных отражающих объектов показало, что при использовании биполярного строба обеспечивается существенное подавление ошибки многолучевости (примерно в три раза) по сравнению с простым стробом. При этом суммарная ошибка, учитывающая влияние шума, подавляется на меньшую величину (примерно в два раза).

5. Разработана методика определения характеристик многолучевости в статических приложениях для их последующего использования при оптимизации строба и анализе многолучевой обстановки. Для оценивания амплитуд и задержек отраженных сигналов относительно прямого используются значение синфазной компоненты I и величина "код минус фаза", полученная вычитанием из псевдодальности полной фазы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Жданов, Алексей Владиславович, 1998 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Алешин В.Г., Алехин Ю.И., Жодзишский М.И. Синтезаторы частоты. -М.: МЭИ, 1978 - 52 с.

2. Бартон Д., Вард Г. Справочник по радиолокационным измерениям: Пер с англ. / Под ред. Вейсбейна М.М. -М.: Сов.радио, 1976. - 392 с.

3. Березин JI.B., Вейцель В.А.. Теория и проектирование радиосистем / Под ред. Типугина В.Н. - М.: Сов. радио, 1977. - 448 с.

4. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. -М.: Наука, 1980. - 976 с.

5. Ван Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции: Пер с англ. / Под ред. В.И. Тихонова -М.: Сов. радио, 1972. - 744 с.

6. Вейцель В.А., Жданов A.B., Жодзишский М.И. Стробовые корреляторы в навигационных приемниках с псевдошумовыми сигналами // Радиотехника. -1997, №8. - С. 11- 20.

7. Вопросы статистической теории радиолокации / П.А. Бакут, И.А. Большаков, Б.М. Герасимов и др.; под ред. Г.П. Тартаковского. -М.: Сов. радио, 1964. Том 2. - 1080 с.

8. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС // Интерфейсный контрольный документ. Координационный научно-информационный центр ВКС РФ, 1995. - 54 с.

9. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС / под ред. В.Н. Харисова, А.И. Перова, В.А. Болдина. -М.: ИПРЖР, 1998. - 400 с.

Ю.Гоноровский И.С., Демин М.П. Радиотехнические цепи и сигналы. -М.: Радио и связь, 1994. -480 с.

11 .Гуткин Л.С. Оптимизация радиоэлектронных устройств по совокупности показателей качества. -М.: Советское радио, 1975. -368 с.

12.Додонов Ю.А., Жодзишский М.И., Чернявский Д.М. Комбинированный цифровой синтезатор частоты // Радиотехника. -1997, №1. - С. 103- 104.

13.Жданов A.B. Борьба с влиянием эффекта многолучевости в аппаратуре потребителя сигналов СНС // Современные технологии в задачах управления и обработки информации: Тез. докл. -М.: МАИ, 1996. - С. 119120.

14.Жданов A.B., Жодзишский М.И. Опорные сигналы в цифровых корреляторах навигационных приемников // Радиотехника (в печати).

15.Жодзишский М.И. Проектирование цифровых устройств обработки широкополосных сигналов. - М.: МАИ, 1986 г. - 52 с.

16.Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. - М.: Наука, 1984. - 735 с.

17.Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы. -М.: Советское радио, 1971.-568 с.

18.Лавров A.C., Резников Г.Б. Антенно- фидерные устройства. -М.: Сов. радио, 1974.-368 с.

19.Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Кн. 1-я. -М.: Сов. радио, 1974. -552 с.

20.Ли У. Техника подвижных систем связи: Пер с англ. -М.: Радио и связь, 1985.-392 с.

21.Мирский Г.Я. Аппаратурное определение характеристик случайных процессов. -М.: Энергия, 1972. - 456 с.

22. Петрович Н.Т., Размахнин М.К. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Сов. радио, 1969.- 232 с.

23. Побережский Е.С. Цифровые радиоприемные устройства. -М.: Радио и связь, 1987. -184 с.

24.Рабинер Л.. Гоулд Б.. Теория и применение цифровой обработки сигналов: Пер с англ. / Под ред. Александрова Ю.А. -М.: Мир, 1978. - 848 с.

25.Радиолокационные устройства (теория и принципы построения) / Васин В.В., Власов О.В., Григорин-Рябов В.В., Дудник П.И., Степанов Б.М.; под ред. Григорина-Рябова В.В. -М.: Сов. радио, 1970. - 680 с.

26.Радиорелейные и спутниковые системы передачи / A.C. Немировский, О.С. Данилович, Ю.И. Маримонт и др.; под ред. A.C. Немировского - М.: Радио и Связь, 1986. -392 с.

27.Сейдж Э., Меле Д. Теория оценивания и ее применение в связи и управлении: Пер с англ. / Под ред. Б.Р. Левина -М.: Связь, 1976. - 496 с.

28.Сетевые спутниковые радионавигационные системы / B.C. Шебшаевич, П.П. Дмитриев, Н.В. Иванцевич и др.; под ред. B.C. Шебшаевича-М.: Радио и связь, 1993. -408 с.

29.Соломоник М.Е., Шатраков Ю.Г., Расин A.M. Корреляционные ошибки УКВ угломерных радиотехнических систем. - М.: Сов. радио, 1973.- 208 с.

30.Сосулин Ю.Г. Теоретические основы радиолокации и радионавигации. -М.: Радио и связь, 1992. -304 с.

31.Теоретические основы радиолокации / Ширман Я.Д., Голиков В.Н., Бусыгин И.Н. и др.; под ред. Ширмана Я.Д. -М.: Сов. радио, 1970. - 560 с.

32.Теория обнаружения сигналов / П.С. Акимов, П.А. Бакут, В.А. Богданович и др.; под ред. П.А. Бакута. - М.: Радио и Связь, 1984. -440 с.

33.Тирней Д., Рейдер К., Гоулд Б. Цифровые синтезаторы частоты, Зарубежная радиоэлектроника, 1972, №3, С. 57-73.

34.Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. -М.: Наука, 1977. -286 с.

35.Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. - М.: Радио и Связь, 1983. -320 с.

36.Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. -М.: Радио и связь, 1982. -624 с.

37.Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. -М.: Сов. радио, 1966. -681 с.

38.Финк J1.M. Теория передачи дискретных сообщений. - М.: Сов. радио, 1970.- 728 с.

39.Цифровые радиоприемные системы: Справочник / М.И. Жодзишский, Р.Б. Мазепа, Е.П. Овсяников и др.; под ред. М.И. Жодзишского - М.: Радио и Связь, 1990. -208 с.

40.Цифровые системы фазовой синхронизации / М.И. Жодзишский, С.Ю. Сила- Новицкий, В.А. Прасолов и др.; под ред. Жодзишского М.И. - М.: Сов. Радио, 1980. - 208 с.

41.Черный Ф.Б. Распространение радиоволн. - М.: Сов. радио, 1962.- 480 с.

42.Ярлыков М.С. Применение марковской теории нелинейной фильтрации в радиотехнике. - М.: Сов. радио, 1980.- 360 с.

43 .Ярлыков М.С. Статистическая теория радионавигации. - М.: Радио и связь, 1985,-344 с.

44.Axelrad P., Сотр С., MacDoran P. Use of signal-to- noise ratio for multipath error correction GPS differential phase measurements: methodology and experimental results // Proc. of the 1994 Int. Tech. Meeting of the ION, Salt Lake City, UT, USA, 1994, pp. 655-666.

45.Comp C., Axelrad P. An adaptive SNR -based carrier phase multipath mitigation technique // Proc. of the 1996 Int. Tech. Meeting of the ION, Kansas City, MS, 1996, pp. 683-697.

46. Dai D., Walter Т., Сотр С., Tsai Y., Ко P., Enge P., Powell D. High integrity multipath mitigation techniques for ground reference stations // Proc. of the 1997 Int. Tech. Meeting of the ION, Nashville, TN, 1997, pp. 593-604.

^TFTTippdv^ V., Tatarnicov D., Ashjaee J., Astakhov A., Sutiagin I. The First Dual-Depth Dual- Frequency Choke Ring // Proc. of the 1998 Int. Tech. Meeting of the ION, Nashville, TN, 1998.

48.Global Positioning System: theory and applications / Ed. Parkinson В., Spilker J. -American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1996.- 794 p.

49.Lyusin S., Khazanov I. Techniques for Improving Antijamming performance of Civil GPS/GLONASS Receivers // Proc. of the 1997 Int. Tech. Meeting of the ION, Nashville, TN, 1997, pp. 1489-1495.

50.Multipath Estimating Delay Lock Loop. Specification / http://www.novatel.eom/GPSTECH/TECH/AVIATION/SPECS/MEDSPEC.H TM.

51.Navstar GPS Space Segment/ Navigation User Interfaces // Interface Control Document. ICD-GPS-200C. 1997. -138 p.

52.Patent 5021792 US. System for determining direction or attitude using GPS satellite signals / Hwang P. Filed Jan. 12, 1990.

53.Patent 5347286 US. Automatic antenna pointing system based on Global Positioning System (GPS) attitude information / Babitch D. Filed Mar. 19, 1993.

54.Patent 5534875 US. Attitude determining system for use with global positioning system / Diefes D., Fan L., Rodgers C. Filed Jun. 18, 1993.

55.Townsend B., Fenton P. A practical approach to the reduction of pseudorange multipath errors in a LI GPS receiver // Proc. of the 1994 Int. Tech. Meeting of the ION, Salt Lake City, UT, USA, 1994, pp. 143-148.

56.Townsend B., Van Nee R., Fenton P., Van Dierendonck K. LI Carrier phase multipath reduction using MEDLL technology// Proc. of the 1995 Int. Tech. Meeting of the ION, Palm Springs, CA, MO, 1995, pp. 1539- 1544.

57.Townsend B., Van Nee R., Fenton P., Van Dierendonck K. Performance evaluation of the Multipath Estimating Delay Lock Loop // Proc. of the 1995 Nat. Tech. Meeting of the ION, Anaheim, CA, USA, 1995.

58.Turin L., Clapp F., Jonston T., Fine S., Lavry D. A statistical model of urban multipath propagation // IEEE transactions on vehicular technology, Vol. VT-21, No. 1, Feb. 1972.

59.Understanding GPS: principles and applications / Ed. Kaplan E. -Artech House, 1996,-554 p.

60.Van den Brekel B., Van Nee R. GPS multipath mitigation by antenna movements // Electronic letters, 3 December, 1992 Vol. 28 No 25 pp. 22862288.

61.Van Nee R., Siereveld J., Fenton P., Townsend B. The Multipath Estimating Delay Lock Loop: approaching theoretical accuracy limits // Proc. of the IEEE Position, Location and Navigation Symposium, Las Vegas, NV, USA, 1994, pp. 246-251.

62. Veitsel V., Zhdanov A., Zhodzishsky M. The mitigation of multipath errors by strobe correlators in GPS/GLONASS receivers // GPS Solutions, Volume 2, Number 2, Fall 1998.

63.Weill L. Achieving theoretical accuracy limits for pseudoranging in the presence of multipath // Proc. of the 1995 Int. Tech. Meeting of the ION, Palm Springs, CA, MO, 1995, pp. 657-664.

64. Weill L. C/A code pseudoranging accuracy- how good can it get? // Proc. of the 1994 Int. Tech. Meeting of the ION, Salt Lake City, UT, USA, 1994, pp. 133141.

65.Weill L. Conquering multipath: the GPS accuracy battle // GPS World, April 1997, pp. 59-66.

66. Weill L. GPS multipath mitigation by means of correlator reference waveform design // Proc. of the 1997 Nat. Tech. Meeting of the ION, Santa Monica, CA, 1997, pp. 197-206.

67.WIPO PCT Publication WO 97/06446. Multipath error reduction in a spread spectrum receiver for ranging applications / Zhodzishsky M., Veitsel V., Sila-Novitsky S., Ashjaee J., Garin L. Filed Aug. 08, 1996.

68.WIPO PCT Publication WO 98/13947. A signal correlation technique for a spread spectrum receiver to reduce multipath errors / Garin L., Zhodzishsky M., Veitsel V., Sila-Novitsky S., Kamgar F. Filed Sep. 25, 1996.

69.Zhodzishsky M., Cherniavsky D., Kirsanov A., Vorobiev M., Prasolov V., Zhdanov A., Ashjaee J. In-band interference suppression for GPS/GLONASS // Proc. of the 1998 Int. Tech. Meeting of the ION, Nashville, TN, 1998.

70.Zhodzishsky M., Yudanov S., Veitsel V., Ashjaee J. Co-Op tracking for carrier phase // Proc. of the 1998 Int. Tech. Meeting of the ION, Nashville, TN, 1998.

АКФ

АФАР

АЦКП

АЦП

АЧХ

ВКФ

ГВЗ

ГПСП

дн

ДХ

КУ

МП

НС

ПАВ

псп

пшк

пшс

СБИС

снч ссз ссн стч

ФАП

цсо

ЭВМ

эп

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

автокорреляционная функция

адаптивная фазированная антенная решетка

аналого-цифровой комплексный преобразователь

аналого-цифровой преобразователь

амплитудно-частотная характеристика

взаимная корреляционная функция

групповое время запаздывания

генератор псевдослучайной последовательности

диаграмма направленности

дискриминационная характеристика

коэффициент усиления

микропроцессор

накопительный сумматор

поверхностные акустические волны

псевдослучайная последовательность

псевдослучайный шумовой код

псевдослучайный шумовой сигнал

сверхбольшая интегральная схема

синтезатор несущей частоты

схема слежения за задержкой

схема слежения за несущей

синтезатор тактовой частоты

фазовая автоподстройка частоты

цифровой синтезатор отсчетов

электронная вычислительная машина

энергетический потенциал

а

Вп{х)

с® с(0

<?псп(0

т

сЛ

/с к I

кс1

Ь

ми

«(О

N3 Р

/КО Р[]

А О)

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

- амплитуда сигнала

- корреляционная функция шума п(1)

- стробовая последовательность

- форма строба

- опорная псевдослучайная последовательность, вырабатываемая в приемнике

- оператор нахождения дисперсии

- косинусный (синфазный) усредненный канальный сигнал аппаратной части канала ССЗ

- синусный (квадрифазный) усредненный канальный сигнал аппаратной части канала ССЗ

- тактовая частота кода

- высота антенны над плоской поверхностью

- косинусный (синфазный) усредненный канальный сигнал аппаратной части основного канала

- коэффициент передачи дискриминатора

- число отраженных сигналов

- оператор нахождения математического ожидания

- емкость накопительного сумматора в синтезаторе частоты

- гауссов шум с нулевым математическим ожиданием

- эквивалентная флуктуационная характеристика дискриминатора

- количество разрядов в синтезаторе частоты

- псевдослучайный шумовой код

- оператор нахождения вероятности

- плотность вероятности задержки отраженного сигнала

Q - синусный (квадрифазный) усредненный канальный

сигнал аппаратной части основного канала г - коэффициент отражения от земной поверхности

R(s) - взаимная корреляционная функция s(t) - входной сигнал

S(t) - форма элемента псевдослучайного шумового кода Тш. - время интегрирования в накопителе коррелятора Тг - период регулирования следящих систем

Ts - период дискретизации

W[] - оператор нахождения спектральной плотности мощности

Z - выходной сигнал коррелятора

zd - выходной сигнал дискриминатора

Zf - код частоты, управляющий синтезатором частоты

Zd - дискриминационная характеристика

z(p - значение кода фазы в синтезаторе частоты

а - относительная амплитуда отраженного сигнала

Р - относительная амплитуда колебаний в синфазной

компоненте основного канала % - отношение коэффициента усиления антенны в нижней

полусфере к коэффициенту усиления в верхней полусфере 5 - временной сдвиг отраженного сигнала относительно

прямого

А - длительность элемента псевдослучайного шумового кода

А/ссз - эквивалентная шумовая полоса схемы слежения за задержкой

Д/фап " эквивалентная шумовая полоса системы фазовой

автоподстройки Авм - кодовая ошибка многолучевости Аеш - шумовая кодовая ошибка

ЛЕМ _ огибающая кодовой ошибки многолучевости

Дфм - фазовая ошибка многолучевости

Дфш - шумовая фазовая ошибка

ДФМ - огибающая фазовой ошибки многолучевости

ДрФ - код минус фаза

у - угол падения

к - коэффициент потерь

км - потери по дисперсии многолучевой ошибки

кш - потери по дисперсии шумовой ошибки

X - длина волны

с, - азимут

V - угол места

П - энергетический потенциал

Пэ - эквивалентный энергетический потенциал

0 - фаза отраженного сигнала относительно прямого

р - псевдодальность

а - среднеквадратическое отклонение

т0 - полная длительность строба

Тфр - длительность фронта в псевдослучайном шумовом коде

при смене знака символа

ю0 - несущая частота сигнала