Радиосигналы в спутниковых радионавигационных системах нового поколения | Статья в сборнике международной научной конференции

Автор:

Рубрика: 2. Электроника, радиотехника и связь

Опубликовано в

II международная научная конференция «Технические науки: проблемы и перспективы» (Санкт-Петербург, апрель 2014)

Дата публикации: 09.03.2014

Статья просмотрена: 1159 раз

Библиографическое описание:

Бойков Д. В. Радиосигналы в спутниковых радионавигационных системах нового поколения [Текст] // Технические науки: проблемы и перспективы: материалы II Междунар. науч. конф. (г. Санкт-Петербург, апрель 2014 г.). — СПб.: Заневская площадь, 2014. — С. 19-23. — URL https://moluch.ru/conf/tech/archive/89/5288/ (дата обращения: 20.10.2018).

Введение

При создании третьего поколения спутников ГЛОНАСС-К разработчики используют сигналы с принципом кодового разделения (CDMA) [1]. Два закрытых сигнала предназначаются для спецпотребителей в диапазонах частот L1(1575,42 МГц) и

L2 (1227,6 МГц), и один — открытый сигнал в диапазоне L1. Развитие глобальной спутниковой навигационной системы (ГСНС) в настоящее время прочно ассоциируется с новым типом сигналов, так называемые меандровые или BOC-сигналы (Binary Offset Carrier modulated signals).

Цель работы: рассмотреть основные свойства новых сигналов, перспективы их использования, принципы формирования кодовых последовательностей.

Сигналы ГЛОНАСС

В настоящие время в системе ГЛОНАСС все спутники используют одну и ту же псевдослучайную кодовую последовательность для передачи открытых сигналов, однако каждый спутник передаёт на разной частоте, используя 15-канальное разделение по частоте (FDMA). Сигнал в диапазоне L1 находится на центральной частоте 1602 МГц, а частота передачи спутников определяется по формуле (1602 + n × 0,5625) МГц, где n это номер частотного канала (n=−7,−6,−5,…0,…,6,) [2]. Сигнал в диапазоне

L2 находится на центральной частоте 1246 МГц, а частота каждого канала определяется по формуле (1246 + n×0.4375) МГц.

Для навигационных космических аппаратов (НКФ), находящихся на взаимно антиподных орбитальных позициях, можно применять одинаковые несущие частоты, поэтому при 24 действующих НКА минимальное число несущих частот в каждом диапазоне равно 12 [3].Открытый сигнал генерируется через сложение по модулю 2 трёх кодовых последовательностей: псевдослучайного дальномерного кода со скоростью 511 кбит/c, навигационного сообщения со скоростью 50 бит/c и 100 Гц манчестер-кода. Все эти последовательности генерируются одним тактовым генератором. Псевдослучайный код генерируется 9-шаговым сдвиговым регистром с периодом 1 мс [4].

Излучаемые сигналы имеют правую круговую поляризацию. Коэффициент эллиптичести по полю не хуже 0,7 в секторе излучения ±19° относительно оси симметрии диаграммы направленности бортовой передающей антенны навигационного спутника (НС).

Корреляционные потери определяются как разность энергии сигнала, излучаемого передатчиком НС в отведенной полосе и энергии сигнала, принятой идеальным корреляционным приемником в той же полосе частот. Корреляционные потери имеют наибольшее значение в случае, когда несущая частота лежит на краях полосы частот [3]. В этом случае корреляционные потери определяются следующим:

-          искажением формы сигнала в приемнике вследствие прохождения через фильтр 0.511 МГц- не более 0,2 дб;

-          не идеальностью модулятора передатчика НС -0,6 дб.

Сигнал в системе ГЛОНАСС формируется при помощи псевдослучайной последовательности. ПСП в сигналах первого поколения называются М — последовательностью имеют длину 2n-1 и строятся с помощью регистров сдвига. В обработке сигналов используют понятие автокорреляционная функция (АКФ). Она показываете связь сигнала с копией самого себя смещённого на величину τ. В общем случае она определяется интегралом [1]

.

В сигнале для гражданского применения используется последовательность с длиной кода 511. Для передачи применяется двоичная фазовая модуляция. Отеношение максимального бокового пика к основному составляет 24/511=4,7 %, что позваляет оценить вероятность нахождение ложного соответствия.

Сигналы различных спутников, если они передаются на одной частоте, создают помехи. Для оценки служит взаимно корреляфционная функция (ВКФ), в общем случае она определятся интегралом, для непрерывных функций и  [1]

,

где:-функция, комплексно сопряженная .

При частотном разделение каналов ВКФ не столь критична.

Меандровые радиосигналы (BOC — сигналы)

Отличие меандровых шумоподобных сигналов (ВОС — сигналов) от традиционных шумоподобных сигналов заключается в использование при формировании сигнала поднесущей частоты. При этом сигнал гармонического несущего колебания манипулируется по фазе результатом перемножения псевдослучайной последовательности и поднесущего колебания.

Математически ВОС — сигнал записывается следующим образом [5]

SBOC(t)=A×d(t)×П(t)×Sc(t)×cos(ω t+φ(t)),

где: A — амплитуда сигнала; d(t) — двоичные символы информации; П(t) — псевдослучайная последовательность; Sc(t) — аппроксимация поднесущей частоты; ω — несущая частота сигнала; φ(t) — фаза несущего колебания.

Существует несколько вариантов аппроксимации гармонического колебания Sc(t) для использования в качестве поднесущей частоты.

1. Двухуровневая (бинарная) аппроксимация гармонического колебания, которое является синусной функцией по отношению к фазе элемента ПСП. Сигнал называется синусным (SinBOC — сигнал) функция Sc(t) имеет вид [6..8]

Sc(t)=sign [sin(ωsc·t)],

где ωsc=2πƒsc — частота поднесущего колебания.

2. Двухуровневая (бинарная) аппроксимация гармонического колебания, которое является косинусной функцией по отношению к фазе элемента ПСП. Сигнал называется косинусным (CosBOC — сигнал) функция Sc(t) имеет вид [6..8];

Sc(t)=sign [cos(ωsc·t)],

где ωsc=2πƒsc — частота поднесущего колебания.

3. Двухуровневая (бинарная) аппроксимация гармонического колебания, которое имеет некоторый сдвиг по фазе относительно фазы элемента ПСП. Sc(t) имеет вид [6..8];

Sc(t)=sign [sin(ωsc·t+θ)],

где: ωsc=2πƒsc — частота поднесущего колебания, θ — сдвиг фазы поднесущей частоты относительно фазы ПСП.

4. Многоуровневая аппроксимация гармонического колебания.

Основные параметры BOC — сигналов [1]:

ƒc=1/τс — частота следования символов в основной ПСП g(t);

ƒм=1/2τм — частота миандрового колебания r(t).

Для обозначения сигналов применяют обозначение BOC(ƒмc).

Рис. 1

Частоты ƒм и ƒc обычно кратны опорной синхрочастоте ƒоп (для системы GPS ƒоп=1,023 МГц), поэтому используют запись BOC(2,1) для частоты кода 1,023 МГц и частоты меандра 2,046 МГц. На рис. 1 меандр r(t) накладывается на ПСП g(t) — получается результирующий сигнал d(t).

Стремление достичь дальнейшего выигрыша в качестве функционирования ГСНС за счет использования ВОС — сигналов обуславливает исследования и разработку более сложных комбинаций. В частности применяется при формирование сигнала дополнительная модуляция второй поднесущей частотой (DuoBOC сигналы). Спектральные характеристики такого сигнала имеют разнесенный спектральный поддиапазон на величину второй поднесущей частоты. Такой сигнал можно записать в виде [5]

SDuoBOC(t)=A×d(t)×П(t)×Sc1(t)× Sc2(t)×cos(ωsc·t+ φ(t)),

где: A — амплитуда сигнала; d(t) — двоичные символы информации; П(t) — псевдослучайная последовательность; Sc1(t) — аппроксимация первой поднесущей частоты; Sc2(t) — аппроксимация второй поднесущей частоты; ω — несущая частота сигнала; φ(t) — фаза несущего колебания.

При рассмотрении DuoBOC сигналов необходимо рассматривать раздельно фазу первой и второй поднесущей частоты при этом появляется большее число комбинаций сигналов по сравнению с BOC сигналами.

Одно из различий синусных и косинусных сигналов заключается в различном уровне боковых спектральных компонент и уменьшении их мощности, в зависимости от удаления от основных участков спектра. Для синусных сигналов наибольшее подавление боковых компонент спектра происходит для крайних участков спектра, а для косинусных наиболее сильно подавляются участки спектра, расположенные в центральной части. Это может быть использовано при совмещение сигнала с другими существующими. Когда одна из половин спектра расположено в диапазоне существующего, а другая половина спектра в другом диапазоне. Так сигнал DuoBOC (12,1,1) формируется на основе сигнала ВОС (1,1) с использованием дополнительного меандрового колебания с частотой 12,276 МГц [5]. На рис. 2 приводится спектр этого сигнала, а на рис. 3 — исходного сигнала ВОС (1,1).

Из сравнения видно, что дополнительная поднесущая позволяет разместить мощность сигнала в двух существенно различных частотных диапазонах. DuoBOC сигналы имеют спектральные характеристики в половине частотного диапазона, совместимые с ВОС –сигналами. Такие DuoBOC — сигналы позволяют обеспечить прием нового сигнала приемниками, которые первоначально предназначались только для приема ВОС — сигналов. Кроме того, остается возможность использовать дополнительные частотные диапазоны, что расширяет область использования системы с такими сигналами.

Рис. 2

Рис.3

Способность сигнала обеспечивать высокую точность при измерении временной задержки в значительной степени определяется его корреляционной функцией. На рис. 4 приводится автокорреляционная функция сигнала DuoBOC (12,1,1), а на рис. 5 приводится автокорреляционная функция сигнала ВОС (1,1). Из анализа этих функций следует, что автокорреляционная функция в районе малых сдвигов имеет высокую крутизну, что обеспечивает высокую точность определения задержки сигнала. Также у автокорреляционных функций наблюдается значительное число пиков, вблизи от центрального пика, что может приводить к проблемам при поиске и слежении за сигналами. Преимуществом DuoBOC-сигналов является меньший уровень соседних с центральным пиков по сравнению с ВОС-сигналами [5].

Рис. 4

Рис. 5

Заключение

В настоящие время перспективы развития ГЛОНАСС до конца не ясны. С одной стороны переход на кодовое разделение каналов и использования различных вариантов BOC сигналов выглядит перспективно, но не стоит забывать о военной составляющей навигационной системы и ее одной из основной компоненте — помехозащищенности. Одно из главных премуществ частотного разделения перед кодовым — наличие потенциала помехоустойчивости. Реализовать этот потенциал можно за счет увелечения времени когеретного накопления сигнала с 1мс (двухмерный поиск при кодовом разделении) до 1с при частотном (одномерный поиск после литерного гетеродинирования — при частотном разделении сигналов спутников) включением замкнутого следящего контура Костаса, инвариантного к любой фазовой манипуляции [9]. Петля позволяет практически неограниченное время когерентное накопление полезного сигнала, после литерного гетеродирования и режекции гармонических внутриполосных помех. В случае кодового разделения использование петли Костаса невозможно.

Так же предложено использование F — кодов (фрактальное отображение ПСП) [9]. Фрактальное отображенире разрушает лепестковую струтуру спектра, придавая ему хаосоподобные свойства, максимально приближая к равномерному. При этом сохраняется его псевдослучайная струтура, т. е. простота генерации (конечные алгоритмы) и демодуляции, которая привродит к востановлению исходной ПСП. Для F — кода отсутствует понятие тактовой частоты. В нем только общее число символов на интервале эпохи исходной ПСП совпадает с ее базой. F-код создает импульсы как более короткие, чем чип ПСП, так и более длинные. Экспериментально доказано существенное увеличение базы F — кода по сравнению с исходной ПСП на величину ≈ 11 дБ.

Литература:

1.                  Шахгильдян В. В., Бойков В. В. ГЛОНАСС перспективы использования новых CDMA сигналов // Электросвязь № 1, 2011 г. С.13.

2.                  Ревнивых С. А. ДокладСостояние и перспективы развития ГЛОНАСС // Мюнхенский Саммит по спутниковой навигации 2005 г.

3.                  Яценков В. С. Основы спутниковой навигации// Горячая линия — Телеком 2005 г.

4.                  Интерфейсный контрольный документ навигационных радиосигналов L1 и L2 (редакция 5.1) // Москва 2008 г.

5.                  Вейцель А. В. Новый класс меандровых шумоподобных радиосигналов для радионавигационных систем // Вестник МАИ. Т.16. № 7.

6.                  Ярлыков М. С. Меандровые шумоподобные сигналы (BOC-сигналы) в новых спутниковых радионавигационных системах. // Радиотехника. 2007 г. № 8. C.3.

7.                  Ярлыков М. С. Характеристики меандровых сигналов (BOC-сигналов) в спутниковых радионавигационных системах нового поколения // Радиотехника. 2008 г. № 8. C.61.

8.                  Ярлыков М. С. Косинусные меандровые шумоподобные сигналы (CosBOC-сигналы) в спутниковых радионавигационных системах нового поколения. // Радиотехника. 2009 г. № 7. С.20.

9.                  Дубинко Ю. С., Селиверстов А. С. Взгляды ГНИНГИ на развитие СРНС ГЛОНАСС // Новости навигации № 4, 2010 г. С.42.

Основные термины (генерируются автоматически): сигнал, BOC, частота, гармоническое колебание, МГц, псевдослучайная последовательность, кодовое разделение, диапазон, фаза элемента, функция.

Похожие статьи

Система синхронизации псевдослучайной последовательности...

Система синхронизации псевдослучайной последовательности для анализатора достоверности цифрового потока при быстром изменении фазы биимпульсного и биполярного сигналов.

Последовательности с идеальной периодической...

Исследованы троичные псевдослучайные последовательности на М-последовательностях и их автокорреляционные и взаимно-корреляционные функции, оценены достоинства и недостатки

1. Ипатов В. Широкополосные системы и кодовое разделение сигналов.

Реакция синтезаторов на паразитное приращение фазы опорного...

Для нахождения передаточных функций систем ИФАПЧ1 первой и второй схем преобразуем их к виду, когда паразитное приращение фазы опорного колебания

Белов Л. А. Синтезаторы частот и сигналов: учебное пособие / Л. А. Белов. — м.: сайнс-пресс, 2002.– 80 с.

Формирование и обработка OFDM сигналов | Статья в журнале...

...выделяется свой диапазон частот), временное разделение (TDMA) (для каждого абонента выделяется своё время доступа к среде передачи) и кодовое

Скремблирование представляет собой сложение по модулю два передаваемых битов с элементами псевдослучайной...

Анализ потенциальной точности оценки задержки по огибающей...

Например, один из новых первых сигналов в классе меандровых псевдошумовых сигналов обозначается BOC(1,1), в котором тактовая частота кодовой последовательности и тактовая частота меандровой последовательности равны 1.023МГц.

Проектирование одновибратора без перезапуска на...

Воздействие элементов фильтрации на биоэлектрический сигнал.

Микро-ЭВМ, построенная на базе комплекта, работает с тактовой частотой до 2 МГц. Система синхронизации псевдослучайной последовательности...

Вычисление дисперсии оценки временного положения...

где — функция Хевисайда (функция единичного скачка). Вычислим АКФ сигнала на выходе низкочастотного эквивалента.

– Фильтр низких частот (ФНЧ) — подавляет амплитуды гармонического сигнала выше частоты среза (Рисунок 2).

Влияние эффектов Доплера на OFDM сигнал | Статья в журнале...

Данный способ формирования сигналов подразумевает использование суммы множества гармонических колебаний, частоты которых выбираются исходя из условия

Сигнал в системе ГЛОНАСС формируется при помощи псевдослучайной последовательности.

Разработка формирователя сигнала высокоскоростной...

Цифровая часть формирователя сигнала формирует поток выборок с тактовой частотой 1200 МГц 4-ре выборки на символ.

Наиболее подходящим тестовым сигналом является псевдослучайная последовательность (ПСП) [2, 3, 4]. Она позволяет проверить цифровой...

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Система синхронизации псевдослучайной последовательности...

Система синхронизации псевдослучайной последовательности для анализатора достоверности цифрового потока при быстром изменении фазы биимпульсного и биполярного сигналов.

Последовательности с идеальной периодической...

Исследованы троичные псевдослучайные последовательности на М-последовательностях и их автокорреляционные и взаимно-корреляционные функции, оценены достоинства и недостатки

1. Ипатов В. Широкополосные системы и кодовое разделение сигналов.

Реакция синтезаторов на паразитное приращение фазы опорного...

Для нахождения передаточных функций систем ИФАПЧ1 первой и второй схем преобразуем их к виду, когда паразитное приращение фазы опорного колебания

Белов Л. А. Синтезаторы частот и сигналов: учебное пособие / Л. А. Белов. — м.: сайнс-пресс, 2002.– 80 с.

Формирование и обработка OFDM сигналов | Статья в журнале...

...выделяется свой диапазон частот), временное разделение (TDMA) (для каждого абонента выделяется своё время доступа к среде передачи) и кодовое

Скремблирование представляет собой сложение по модулю два передаваемых битов с элементами псевдослучайной...

Анализ потенциальной точности оценки задержки по огибающей...

Например, один из новых первых сигналов в классе меандровых псевдошумовых сигналов обозначается BOC(1,1), в котором тактовая частота кодовой последовательности и тактовая частота меандровой последовательности равны 1.023МГц.

Проектирование одновибратора без перезапуска на...

Воздействие элементов фильтрации на биоэлектрический сигнал.

Микро-ЭВМ, построенная на базе комплекта, работает с тактовой частотой до 2 МГц. Система синхронизации псевдослучайной последовательности...

Вычисление дисперсии оценки временного положения...

где — функция Хевисайда (функция единичного скачка). Вычислим АКФ сигнала на выходе низкочастотного эквивалента.

– Фильтр низких частот (ФНЧ) — подавляет амплитуды гармонического сигнала выше частоты среза (Рисунок 2).

Влияние эффектов Доплера на OFDM сигнал | Статья в журнале...

Данный способ формирования сигналов подразумевает использование суммы множества гармонических колебаний, частоты которых выбираются исходя из условия

Сигнал в системе ГЛОНАСС формируется при помощи псевдослучайной последовательности.

Разработка формирователя сигнала высокоскоростной...

Цифровая часть формирователя сигнала формирует поток выборок с тактовой частотой 1200 МГц 4-ре выборки на символ.

Наиболее подходящим тестовым сигналом является псевдослучайная последовательность (ПСП) [2, 3, 4]. Она позволяет проверить цифровой...

Задать вопрос