Содержание к диссертации
Содержание 2
Список сокращений 5
Список иностранных аббревиатур 6
Введение 7
Глава 1. Постановка задачи 11
1.1 Структура спутниковой радионавигационной системы 11
Принцип радионавигационных измерений 12
Структура навигационного сигнала 13
Структура дальномерной последовательности 14
Состав аппаратуры потребителя 18
Необходимость подавления помех 20
Виды помех 23
Методы подавления помех 25
Структура помехозащищенного оборудования пользователя 28
1.4.1 Обзор существующих пространственных подавителей 30
1.5 Основные результаты главы 1 33
Глава 2. Алгоритмы пространственного подавления помех 34
Обобщенная структура пространственного подавителя 34
Критерии выработки управляющего воздействия 40
Подавление помехи с помощью минимизации выходной мощности 44
Алгоритм минимизации выходной мощности при линейном ограничении 47
Прямое формирование нулей диаграммы направленности в направлении на помеху...57
Учет ширины полосы помехи 59
Прос гранственпо-временной алгоритм 60
Пространственно-частотный алгоритм 65
2.7 Оценка вычислительных затрат при реализации адаптивных алгоритмов 68
Пространственный алгоритм 68
Пространственно-временной алгоритм 69
Пространственно-частотный алгоритм 70
Сравнение алгоритмов по вычислительным затратам 72
Критерии сравнения алгоритмов подавления 73
Факторы, снижающие эффективность алгоритмов режекции 77
2.10 Исследование качества работы алгоритмов режекции (моделирование алгоритмов
пространственной режекции помех) 78
Структура программного макета 79
Формирование входного сигнального воздействия 81
Формирование полезного сигнала 82
Формирование сигнала источников помех 88
Формирование реализации шума 90
Формирование суммарного входного воздействия подавителя помех 90
Задание параметров расчета 91
Программа расчетов 93
Результаты расчетов 94
Одна помеха 94
Две помехи 115
Зависимость от числа равномощных ШП помех по центру полосы пропускания УПЧ 133
Зависимость от числа равномощных гармонических помех на разной частоте при одной ШП по центру полосы пропускания УПЧ 142
Шесть равномощных гармонических помех на одной частоте при одной ШП по центру полосы пропускания УПЧ 149
2.10.6 Обсуждение результатов моделирования : 153
2.11 Основные результаты главы 2 158
Глава 3. Адаптивные алгоритмы подавления внутридпапазонных узкополосных помех 159
Искажения полезного сигнала при режекции узкополосных помех 159
Режекция трансверсальным фильтром (временной алгоритм) 163
Режекция с помощью БПФ (частотный алгоритм) 165
Основные результаты главы 3 178
Глава 4. Влияние неидентичности приемных каналов на качество работы подавителя 179
Модель неидентичности приемных каналов 179
Оценка влияния различных параметров неоднородности коэффициента передачи на качество подавления помехи 184
Влияние коррелированности параметров неоднородности 185
Влияние амплитудной неоднородности 189
Влияние неоднородности ГВЗ 190
4.3 Описание алгоритмов компенсации неидентичности коэффициентов передачи 191
4.3.1 Выравнивание каналов с помощью трансверсального фильтра 192
4
4.3.2 Частотный метод коррекции 194
Критерии качества компенсации неидентичности 196
Результаты моделирования по коррекции неидентичности для различных значений параметров алгоритмов коррекции 196
4.6 Основные результаты главы 4 198
Глава 5. Экспериментальное исследование пространственных методов помехоустойчивой
обработки сигналов глобальных спутниковых радионавигационных систем 199
Назначение макета пространственного подавителя помех 199
Структура макета 200
5.2.1 Структура программной части макета, выполняемой универсальной ЭВМ 203
Коррекция по реальным записям сигналов с макета подавителя 203
Результаты подавления 207
Одна широкополосная помеха 208
Одна гармоническая помеха 210
5.5 Основные результаты главы 5 214
Заключение 215
Список литературы 217
Список сокращений
Список иностранных аббревиатур
АЕ - antenna electronic - антенная электроника
С/А - clear acquisition - общего доступа
GPS - global positioning system - глобальная система местоопределения
NAVSTAR - navigation satellites providing time and range - навигационные спутники,
обеспечивающие измерение времени и расстояния
PRIME- - метод оценки параметра, использующий разложение по системе
MUSIC собственных векторов
Введение к работе
Актуальность темы.
Решению проблемы повышения помехозащищенности навигационной аппаратуры потребителей (ПАП) спутниковых радионавигационных систем (СРНС) в настоящее время уделяется большое внимание [1-5]. Одним из основных путей решения этой проблемы является включение в состав аппаратуры потребителей подавителей помех, обеспечивающих их пространственную и частотную фильтрацию.
Несмотря на значительный обьем исследований в этом направлении целый ряд вопросов в области пространственно-временной (частотной) обработки сигналов остается практически не освещенными. Это, прежде всего, вопросы по влиянию и методам устранения неидентичности приемных каналов, оценке области пространства, пригодной для навигации в условиях воздействия помех, эффективности подавления помех в сложной помеховой ситуации, техническая реализуемость алгоритмов т.д.
Среди незначительного числа работ, направленных на практическую реализацию подавителей помех, следует выделить [3, б - 8], в которых обсуждаются вопросы построения экспериментальных устройств, обеспечивающих пространственно-временную и частотную обработку сигналов. Общим для этих работ является цифровая реализация подавителей помех, включая управление характеристикой направленности. Аналогичные отечественные публикации практически отсутствуют.
Поэтому работы, проводимые в рамках настоящего исследования по разработке подавителя помех на основе пространственной обработки сигналов, а также исследования эффективности пространственно-временной и пространственно-частотной обработки сигналов, являются актуальными и соответствуют современным подходам и направлениям совершенствования НАП в части помехозащищенности.
Цель диссертационной работы.
Цель работы - разработка методов подавления преднамеренных и непреднамеренных (искусственных н естественных) помех в НАП GPS\rjIOHACC на основе пространственно-временной, пространственно-частотной и частотной одноканальной обработки сигналов, а также исследование характеристик подавителя помех с пространственной, пространственно-временной и пространственно-частотной обработкой сигналов СРНС.
Методы исследования.
Основным методом исследования в настоящей работе является статистический синтез и анализ алгоритмов режекции помех. Ввиду высокой сложности аналитического расчета эффективности рассматриваемых алгоритмов большое внимание уделяется компьютерному
8 имитационному моделированию работы помехоустойчивой НАП с использованием метода Монте-Карло. Модель позволяет исследовать алгоритм подавления с различных сторон и изучить его поведение в различных условиях, а также позволяет выявить проблемные места при реализации алгоритма подавления на микропроцессорной системе или с помощью ПЛИС. Компьютерные модели исследуемых объектов написаны на языке программирования среды инженерных расчетов MATLAB. Для теоретического обоснования разрабатываемых алгоритмов используются методы статистической радиотехники, теории вероятностей, линейной алгебры, адаптивной обработки сигналов. Научная новизна диссертационной работы.
Выполнен синтез пространственного, пространственно-временного и пространственно-частотного алгоритмов подавления помех с учетом особенностей сигналов СРНС (GPSMUIOHACC), сигналов помех и технической реализуемости.
Выполнен сравнительный анализ алгоритмов многоканального и одноканального подавления помех для каналов СТ и ВТ ГЛОНАСС на основе пространственной, пространственно-временной и частотной обработки сигналов в различных помеховых ситуациях по совокупности критериев, включая вычислительную сложность.
Разработаны и исследованы оригинальные алгоритмы автоматической коррекции неидентичности и нестабильностей приемных трактов устройства подавления помех, существенно улучшающие качество подавления помех при наличии неидентичных приемных каналов.
Разработаны программные модели ряда алгоритмов подавления помех и тракта обработки сигналов, предназначенные для оптимизации алгоритмов подавления помех в СРНС.
Положения, выносимые на защиту.
Алгоритмы пространственного, пространственно-временного, просгранственно-частотного, частотного (одноканального) подавления помех в СРНС, отличающиеся от известных спецификой линейных ограничений и повышенным качеством режекции широкополосных помех при соблюдении условия технической реализуемости.
Методы коррекции неидентичности приемных каналов пространственного подавителя помех в частотной и временной областях, необходимые для сохранения высокого качества режекции помех при неидентичных приемных каналах.
Данные сравнительного анализа и количественные характеристики алгоритмов подавления помех в условиях идентичных и неидентичных приемных каналов
устройства подавления для различных помеховых ситуаций: выходное отношение С/(П + Ш) минус 10 - минус 36 дБ, отношение П/Ш на выходе подавителя от минус 30 до 0 дБ, время сходимости алгоритмов адаптации 0.2 - 4 мс, вычислительная сложность алгоритмов от 20 000 MIPS до 40 000 MIPS. 4) Схемы и характеристики алгоритмов автоматической коррекции приемных каналов устройства подавления помех: улучшение подавления широкополосных помех при неидентичных каналах до 45 дБ. Область применения результатов.
Алгоритмы и данные об особенностях их функционирования в различных ситуациях, полученные в диссертационной работе, могут быть использованы при разработке помехоустойчивой НАП GPS/ГЛОНАСС как для специального (военного), так и общего гражданского применения. В первую очередь это НАП. устанавливаемая на летательные аппараты, а также морские и речные суда и корабли, автомобильный транспорт, контрольно-корректирующие станции.
Внедрение. Полученные в работе научные результаты использованы в НИР «ШИРОТА» в 2004 - 2005 гг. ОКР «АП-Т-50» в 2007 - 2008 гг., о чем имеются акты.
Апробация работы. Основные положения работы прошли апробацию на научно-технической конференции НТО РЭС, СПб., апрель 2006 (доклад, соавторы Немов А.В., Хоанг Т.К.), конференции РТП-2008, сентябрь 2008. Молния, Небуг, Туапсе (доклад "Особенности применения FIX-технологии для подавления внутридиапазонных помех в НАП GPSUTIOHACC", соавторы СП. Ковита, А.В. Немов, Б.В Шебшаевич).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в следующих печатных трудах.
Публикации в изданиях из перечня ведущих рецензируемых изданий, рекомендованных в действующем перечне ВАК:
Писарев СБ., Немов А.В., Иванов A.M.. Фуксов М.М. Возможности пространственной режекции помех при приеме сигналов глобальных навигационных спутниковых систем// Известия ВУЗов России. Радиоэлектроника. 2003, вып.2. С-Пб. С. 61 - 72.
Иванов A.M., Немов А.В. Подавление внутридиапазонных узкополосных помех в GPS/ГЛОНАСС // Известия ВУЗов России. Радиоэлектроника. 2008, вып.2. С-Пб. С. 58-65.
Прочие публикации: 1. Иванов A.M., Немов А.В., Хоанг Т.К. Адаптивный пространственно-временной фильтр для подавления помех в СРНСУ/ Материалы юбилейной 60-й научно-
технической конференции НТО РЭС, посвященной Дню радио. СПб., 2005, апрель.
С. 8-Ю. 2. Иванов A.M., Немов А.В., Хоанг Т.К. Чувствительность методов режекции помех к
влиянию дестабилизирующих факторов// Материалы 61-й научно-технической
конференции НТО РЭС, посвященной Дню радио. СПб., 2006, апрель. С. 28 - 29.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введення, 5 глав и заключения. В первой главе дана общая характеристика защищаемой системы, определен класс помех, рассмотрена структура предлагаемой помехозащищенной НАП. Во второй главе представлено описание пространственных, пространственно-временных, пространственно-частотных алгоритмов подавления помех. Исследована их работа и получены потенциальные характеристики но подавлению помех в различных помехо-сигнальных ситуациях. В третьей главе рассмотрены алгоритмы подавления узкополосных помех, которые позволяют подавлять узкополосные помехи при незначительных потерях в полезном сигнале и экономят при этом степени свободы для подавления широкополосных помех пространственными методами. В четвертой главе рассмотрено влияние неидентичности приемных каналов на качество подавления помех пространственным подавителем. Предложены и исследованы алгоритмы компенсации неидентичности приемных каналов. В пятой главе представлены результаты по экспериментальному исследованию пространственных методов помехоустойчивой обработки сигналов спутниковых радионавигационных систем на 4-х канальном макете.
Объем рукописи составляет 219 страниц, включает 193 иллюстрации и 25 таблиц.
