Разработка алгоритмов обработки сигналов спутниковых навигационных систем в аппаратуре определения угловой ориентации объектов
На правах рукописи
КОРОГОДИН Илья Владимирович РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ В АППАРАТУРЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВОЙ ОРИЕНТАЦИИ ОБЪЕКТОВ Специальность 05.12.14 – Радиолокация и радионавигация
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва – 2013
Работа выполнена на кафедре Радиотехнических систем федерального госу дарственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессио нального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» (ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»)
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Перов Александр Иванович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Власов Игорь Борисович, профессор МГТУ им. Н. Э. Баумана кандидат технических наук Перьков Александр Евгеньевич, старший научный сотрудник ОАО «Российские космические системы»
Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский инсти тут космического приборостроения» (ОАО «НИИ КП»)
Защита состоится 4 апреля 2013 года в 15:30 на заседании диссертационно го совета Д 212.157.05 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, г. Мо сква, Красноказарменная ул., 17, аудитория А-402.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учрежде ния, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет НИУ «МЭИ».
Автореферат разослан «01» марта 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157. кандидат технических наук, доцент Т.И.Курочкина Введение Осенью 1957 года Советским Союзом был запущен первый искусственный спутник Земли. Благодаря нему экспериментально подтвердилась возможность определения положения приемника по спутниковым сигналам.
Успех первых экспериментов и большой потенциал практического приме нения привели к созданию в 60-70гг спутниковых радионавигационных систем (СРНС) первого поколения – Транзит, Циклон, Цикада. Их появление стало про рывом в навигации. Тем не менее, практика использования выявила и недостатки, исправить которые призваны системы второго поколения. На данный момент в штатной эксплуатации находятся две СРНС второго поколения - NAVSTAR GPS и ГЛОНАСС.
Системы состоят из трех сегментов – наземного комплекса управления, группировки навигационных космических аппаратов (НКА) и навигационной ап паратуры потребителей (НАП).
СРНС предоставляют потребителю сервис, в который входит определение положения и скорости, а так же обеспечение шкалой времени, синхронизирован ной с некоторым мировым стандартом. Для полного определения состояния по требителя, как объекта навигации, в этом случае не хватает его ориентации. Воз можно построение НАП, дополняющей традиционные навигационно-временные определения (НВО) измерениями параметров пространственной ориентации объ екта. НАП данного типа носят название угломерной навигационной аппаратуры потребителей (УНАП).
Применение УНАП востребовано у широкого круга потребителей. Это раз личного рода летательные аппараты, суда, артиллерийские системы и т.д.
Высокая точность определения параметров ориентации достигается с по мощью принципов фазовой углометрии. Разности фаз (РФ) спутниковых сигна лов, наблюдаемых на множестве пространственно разнесенных точек, функцио нально связаны с положением потребителя, спутника и ориентацией приемных точек относительно линии спутник-потребитель (см. рис. 1).
Таким образом, измерив разности фаз, можно оценить ориентацию антенной системы. УНАП СРНС, основанная на из мерениях относительных фаз, рассматрива ется в данной работе и выступает в качест ве объекта диссертационного исследова ния. Предметом же исследования являют ся способы реализации первичной обра ботки сигналов в УНАП, где под первич ной обработкой радиосигналов понимают Рис. 1. Связь ориентации антенн ся преобразования, позволяющие сформи УНАП с разностью фаз ровать оценки параметров сигналов радио или промежуточной частоты, достаточные для формирования расширенных НВО.
Характеристики УНАП, рассматриваемые в работе, – помехоустойчивость (способность выполнять функции при воздействии помех), чувствительность (способность выполнять функции при ослаблении сигнала), точность. Сущест вующие образцы УНАП отстают от классических одноантенных приемников по помехоустойчивости и чувствительности, задача улучшения этих характеристик актуальна. Можно выделить две основные причины отставания: во-первых, на данном этапе развития технологии в УНАП не применялись системы пространст венного подавления помех (этот аспект в работе не рассматривается), во-вторых, существующие образцы УНАП используют когерентный режим работы. Идея создать некогерентный алгоритм УНАП – основная в данной работе.
Целью диссертационной работы является улучшение потребительских ха рактеристик угломерной НАП СРНС. Достижение цели предполагается путем оп тимизации алгоритмов первичной обработки навигационных радиосигналов, в том числе за счет применения подходов некогерентного приема сигналов. В каче стве основных потребительских характеристик в работе выступает помехоустой чивость и чувствительность НАП, а так же точность НВО.
Для достижения поставленной цели в диссертационном исследовании ре шен ряд задач:
1. Синтез и анализ некогерентных алгоритмов оценивания (фильтрации) параметров сигналов ПЧ, в том числе:
1.1 Разработка корректной математической модели наблюдений сигналов ПЧ и их параметров;
выбор критерия решения задачи оценки параметров.
1.2 Разработка методики определения потенциальных характеристик оце нивания параметров сигналов.
1.3 Синтез и анализ алгоритма оценивания параметров сигналов промежу точной частоты: рекурсивных фильтрационных алгоритмов, дискриминаторов па раметров сигналов.
1.4 Расчет потенциальных характеристик на основании разработанной ме тодики, расчет характеристик синтезированных и существующих алгоритмов, их сравнение с потенциальными.
2. Разработка методики и алгоритмов компенсации погрешностей, вноси мых в оценки разностей фаз неидентичностью характеристик радиочастотных блоков:
2.1 Обоснование возможности решения задачи компенсации погрешностей при добавлении функции коммутации радиочастотных блоков (РЧБ).
2.2 Модификация алгоритмов слежения за параметрами сигналов ПЧ в ус ловиях работы коммутатора РЧБ;
измерение параметров, необходимых для расче та РФ сигналов антенных модулей.
2.3 Разработка алгоритма расчета РФ сигналов с выходов антенных моду лей на основе измеренных параметров сигналов ПЧ.
2.4 Анализ характеристик разработанных алгоритмов с помощью имита ционного моделирования.
2.5 Экспериментальные исследования характеристик опытного образца, реализующего разработанные алгоритмы и коммутацию РЧБ.
Методы исследования При решении поставленных задач использованы методы теории вероятностей и математической статистики, статистической тео рии радиотехнических систем, теории оптимальной фильтрации случайных про цессов, имитационного компьютерного моделирования, вычислительной матема тики, программирования, исследования характеристик экспериментальных маке тов и серийной НАП.
Научная новизна результатов диссертационной работы состоит в следую щем:
1. Предложена новая математическая модель параметров сигналов радио- и промежуточной частоты угломерной НАП. Она отличается разделением парамет ров сигналов на две группы, одна из которых характеризует поступательное дви жение объекта относительно спутника (задержка, частота, «общая» фаза), а вторая – вращательное движение объекта (разности фаз сигналов).
2. Получен алгоритм оптимальной нелинейной фильтрации в гауссовском приближении с использованием разложения логарифма функции правдоподобия в произвольной точке пространства состояний.
3. Методами теории оптимальной фильтрации в гауссовом приближении, с использованием предложенной математической модели описания параметров сигналов и алгоритмов решения уравнений Стратоновича в гауссовом приближе нии, решена задача синтеза квазиоптимального некогерентного алгоритма оцени вания параметров сигналов промежуточной частоты.
4. Для синтезированных дискриминаторов частоты, задержки и разности фаз получены аналитические выражения для расчета дискриминационных харак теристик и дисперсий шумов на выходе дискриминатора.
5. Разработана методика анализа потенциальных характеристик оценок па раметров сигналов, основанная на численном решении уравнений Стратоновича для апостериорной плотности вероятности оцениваемых параметров, по которой рассчитываются оптимальные, по тому или иному критерию, оценки параметров сигналов.
6. Разработана методика и алгоритмы компенсации погрешностей, вноси мых неидентичностью характеристик радиочастотных блоков в оценки разностей фаз, основанные на использовании коммутаторов, производящих циклическое пе реключение радиочастотных блоков УНАП, анализе разностей фаз сигналов при прохождении различных РЧБ и последующей компенсации соответствующей по грешности в измерениях.
7. Решена задача синтеза уточненного квазиоптимального некогерентного алгоритма оценивания параметров сигналов промежуточной частоты в УНАП, учитывающего циклическое переключение радиочастотных блоков.
Практическая ценность работы 1. Разработанный некогерентный алгоритм обработки сигналов обеспечива ет существенное повышение помехоустойчивости (до 8 дБ) и чувствительности (на 7-17 дБ) УНАП. При низкой динамике вращательных движений происходит снижение среднеквадратической ошибки оценок РФ в 3-4 раза.
2. Разработанный некогерентный алгоритм обработки сигналов позволяет ослабить требования к нестабильности опорного генератора, что ведет к упроще нию и удешевлению аппаратуры.
4. Разработанный алгоритм прямой оценки разности фаз сигналов в отдель ных ситуациях позволяет проводить НВО даже при воздействии сильных помех.
Данная возможность обусловлена тем, что в первом приближении УНАП облада ет свойством пространственной селекции сигналов.
5. Предложенная методика решения уравнений Стратоновича для апостери орной плотности вероятности оцениваемых параметров сигнала в гауссовом при ближении дает разработчику определенную свободу при выборе опорных сигна лов корреляторов. Например, в диссертации опорные сигналы корреляторов обра ботки сигналов различных антенн выбраны совпадающими в рамках одного кана ла обработки. Это позволяет существенно упростить структуру корреляторов и снизить интенсивность обмена между процессором и коррелятором.
6. Предложенные алгоритмы перекоммутации радиочастотных блоков, приема сигналов и коррекции измерений позволяют нивелировать влияние не идентичности характеристик радиочастотных блоков УНАП, что повышает точ ность формируемых оценок и снижает требования к характеристикам РЧБ.
7. Разработанный алгоритм численного решения уравнений Стратоновича для апостериорной плотности вероятности оцениваемых параметров сигнала применим для сравнения характеристик разнообразных алгоритмов, используе мых в навигационной аппаратуре, с потенциальными характеристиками решения их задач.
Реализация и внедрение результатов исследования Результаты исследо ваний использованы при выполнении НИР и ОКР:
1. ОКР «Разработка навигационной аппаратуры потребителей, работающей по сигналам перспективных глобальных навигационных спутниковых систем, предназначенной для оснащения частей и подразделений Сухопутных войск», «Перспектива-С», ОАО «НИИ космического приборостроения».
2. НИР «Разработка радионавигационной аппаратуры оценки угловой ори ентации и местоположения носителя», ООО «Коэнергия».
3. НИР «Исследование вопросов помехозащиты аппаратуры спутниковой навигации военного и специального назначения, средств НКУ и бортовых инфор мационно-навигационных комплексов системы ГЛОНАСС», «Вальсет». Заказчик «Министерство обороны РФ.
4. НИР «Исследования по созданию устройства определения параметров пространственной ориентации объекта по сигналам КНС», «Гратис-МЭИ», ФГУП «Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем».
Внедрение результатов исследования подтверждены актами, полученными в ОАО «НИИ космического приборостроения» и НИУ «МЭИ».
Апробация результатов Результаты работы докладывались и обсуждались на четырнадцатой, пятнадцатой, шестнадцатой, семнадцатой и восемнадцатой международной НТК студентов и аспирантов «Радиотехника, электроника и энер гетика (Москва, 2008-2012 гг);
на втором межотраслевом научно-техническом форуме «Молодежь и будущее авиации и космонавтики» (Москва, 2010 г);
на восьмой и девятой НК «Радионавигационные Технологии в Приборостроении» (Туапсе, 2010-2011 гг);
на семнадцатой международной НТК «Радиолокация На вигация Связь» (RLNC-2011, Воронеж, 2011 г).
Результаты диссертационной работы, выносимые на защиту:
1. Квазиоптимальный некогерентный алгоритм оценивания параметров (разности фаз сигналов, принятых в пространственно разнесенных точках, за держка и смещение частоты) сигналов промежуточной частоты, синтезированный методами теории оптимальной фильтрации с использованием предложенной ма тематической модели описания параметров сигналов и алгоритмов решения урав нений Стратоновича в гауссовом приближении, и его характеристики.
2. Методика анализа потенциальных характеристик оценок параметров сиг налов, принятых на множестве пространственно разнесенных точек, основанная на численном решении уравнений Стратоновича для апостериорной плотности веро ятности оцениваемых параметров с последующим расчетом оптимальных, в том или ином смысле, оценок параметров сигналов по рассчитанной апостериорной ПВ, и получающиеся с использованием этой методики характеристики.
3. Упрощенный некогерентный алгоритм оценки задержки, частоты и раз ностей фаз сигналов промежуточной частоты, принятых на множестве простран ственно разнесенных точек, ориентированный на практическую реализацию в УНАП и рекомендуемый для практического использования.
4. Результаты моделирования и экспериментальных исследований разрабо танных некогерентных алгоритмов оценивания параметров сигналов в УНАП.
5. Методика и алгоритмы компенсации неидентичности характеристик ра диочастотных блоков, основанные на использовании коммутаторов, производя щих циклическое переключение радиочастотных блоков УНАП, анализе разно стей фаз сигналов при прохождении различных РЧБ и последующей компенсации соответствующей погрешности в измерениях. Результаты их моделирования и экспериментальных исследований.
Структура и объем работы По своей структуре диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 270 станицах машинописного текста (включая 85 страницы приложений), со держит 74 рисунка (включая 4 в приложениях), 6 таблиц и список литературы из 53 наименований.
Основное содержание работы
Во введении обосновывается актуальность выбранной темы и решаемых задач, формулируется цель исследования, определяется научная новизна и прак тическая ценность результатов, вводятся основные используемые понятия, опи сывается принцип фазовой углометрии, определяется перечень задач, решение которых необходимо для достижения цели исследования, производится описание общей функциональной схемы построения угломерной НАП.
В первой главе проводится общая постановка задачи оценивания частоты, задержки и разности фаз сигналов промежуточной частоты УНАП, а так же раз рабатывается методика анализа потенциальных характеристик оценивания, осно ванная на решении уравнений Стратоновича для апостериорной плотности веро ятности.
Основные особенности выбранной постановки задачи заключаются в сле дующем:
1) Разделение параметров сигналов на две группы: параметры (задержка, смещение частоты, «общая» фаза), изменение которых обусловлено поступатель ным движением объекта, и параметры (разности фаз и их производные), измене ние которых обусловлено вращением объекта.
2) Общая фаза относится к неинформативным параметрам, и её оценивание не требуется. Эта особенность позволяет выполнить синтез некогерентных алго ритмов путем усреднения апостериорной плотности вероятности по общей фазе.
В результате для сигнала на выходе радиочастотного блока, подключенного к m-му антенному модулю, принята модель:
Sm, i( k,l ) = A Gc ( ti k ) ( ) cos if ti + (k + m,k )( tk,l tk,1 ) + 1,k + m,k, m = 1..M где A амплитуда;
Gc ( ti 1,k ) функция модуляции дальномерным кодом;
k задержка;
if промежуточная частота;
1,k «общая» фаза сигналов;
k доплеровское смещение частоты;
m,k разности фаз сигналов на m-м и пер вом антенных элементах;
m,k производная разности фаз, M - число антенн.
Разработанная методика анализа потенциальных характеристик оценивания базируется на прямом решении уравнений Стратоновича для апостериорной плотности вероятности (ПВ) p ( x k | Y1,1,L ) распределения вектора состояния x k с k последующим получением оптимальных оценок параметров по заданному крите рию. В качестве критериев выбран минимум среднего риска при простой и квад ратичной функциях потерь. Оптимальные оценки параметров находятся из сфор мированной в результате решения уравнения Стратоновича апостериорной ПВ.
На рис. 2 приведена схема, отображающая процесс решения уравнения Стратоно вича, где обозначено: y k,l наблюдаемые в момент времени tk,l отсчеты АЦП;
Y1,1, L наблюдения полученные к моменту времени tk, L.
k ck p ( y k,l | x k ) p ( y k,l | x k, µ k ) {y } p ( x k | Y1,1, L ) k k,l l =1.. L f (y ;
xk, µk ) L y k,l l = z p ( µ k | xk ) p ( xk | Y ) k 1, L 1, p ( x k | x k 1 ) Рис. 2. Схема расчета апостериорной ПВ вектора состояния В главе приводятся уравнения Стратоновича для апостериорной ПВ для за данной постановки задачи, описываются алгоритмы численного решения этих уравнений и алгоритмы последующего получения оценок параметров сигнала. На рис. 3 в качестве примера приведена реализация совместной апостериорной ПВ РФ и её производной при низком отношении сигнал/шум. Отмечено, что предложенный алгоритм обладает большой вычислительной сложностью, поэтому его применение целесообразно только для выяв ления потенциальных характеристик решения задачи оценивания параметров сигналов в УНАП.
Во второй главе проводится синтез и анализ квазиоптимальных некогерентных ал горитмов оценивания разностей фаз, частоты и задержки сигналов промежуточной частоты Рис. 3. Реализация совместной апостериорной ПВ РФ и её в угломерной НАП. Для этого используется производной при низком отно подход, основанный на аппроксимации апо шении сигнал/шум стериорной ПВ многомерным гауссовским законом с последующей записью урав нений для математического ожидания и матрицы дисперсий ошибок фильтрации вектора состояния. Особенностью синтеза является то, что использовано разложе ние нелинейных функций не в точке экстраполированных значений вектора со стояния (как это принято в известных алгоритмах), а в другой точке x k, названной «опорной». Опорная точка определяет параметры опорных сигналов коррелятора, а её выбор становится прерогативой разработчика. Полученный в результате синтеза алгоритм обработки схематически приведен на рис. 4, где обозначено:
вектор опорных параметров;
Lk ( cx k ) лога T T T, k k x k = x 2,k xT... x M,k рифм функции правдоподобия;
D x,k матрица дисперсий ошибок фильтрации.
2 ln Lk ( cx k ) ln Lk ( cx k ) T ( xk ) ( xk ) Hess x = x k x k 1 2 ln Lk ( cx k ) y1,k,l ( xk ) ( xk ) nx nx k = cx k yM,k,l ln Lk ( cx k ) T ln Lk ( x k ) + x x ( k xk ) xk, Dx,k k = k + Dx,k xx x x k ln Lk ( cx k ) k k ln Lk ( cx k ) ( xk ) T D1k = D1k x k x k x, x, ln Lk ( cx k ) ln Lk ( cx k ) Grad x = k, Dx,k x x k ( xk ) xk nx k = Fx x k x D,k = Fx Dx,k 1Fx + G x D G T T x x Рис. 4. Схема квазиоптимального алгоритма обработки Синтезированный алгоритм включает оптимальные дискриминаторы соот ветствующих параметров сигналов и комплексный сглаживающий фильтр. При водятся результаты аналитического расчета дискриминационных характеристик дискриминаторов параметров k = cx k ln Lk ( k ) u,k ( k ) = k и дисперсий шумов на выходе дискриминаторов. На рис. 5 приведен пример рас считанных дискриминационных характеристик дискриминатора разности фаз.
В диссертации разработан упрощенный квазиоптимальный алгоритм оцени вания, ориентированный на практиче скую реализацию в УНАП. Данный ал горитм получен из описанного выше квазиоптимального некогерентного ал горитма в результате использования пя ти дополнительных допущений. Итого вая структура системы оценивания па раметров сигналов промежуточной час Рис. 5. Дискриминационная ха рактеристика дискриминатора тоты состоит из систем слежения за за разности фаз в случае УНАП с 2, держкой (ССЗ), частотой (ССЧ) и раз 3 и 4 антеннами ностями фаз (ССРФ) (см. рис. 6).
Рис. 6. Структурная схема УНАП, реализующей упрощенный квазиоптимальный алгоритм оценивания параметров сигналов В третьей главе приводятся результаты моделирования алгоритмов обра ботки сигналов, как разработанных, так и известных ранее.
Проведено сравнение характеристик упрощенного квазиоптимального алго ритма с характеристиками ряда других алгоритмов, включая используемый в УНАП предыдущего поколения (на званный референсным). Характеристики алгоритмов сравниваются с потенци альными, полученными по методике, описанной в гл. 1. Для примера на рис. приведены зависимости среднеквадра тической ошибки оценок РФ при сред ней динамике вращений.
Рис. 7. Среднеквадратическая ошибка оценок РФ при средней динамике Исследована чувствительность вращений синтезированных и известных алгорит мов обработки в УНАП. Результаты исследования приведены в табл. 3.1.
Исследована помехоустойчивость синтезированных и известных алгорит мов обработки в УНАП. Результаты исследования приведены в табл. 3.2.
Таблица 3.1 Чувствительность алгоритма слежения за РФ, дБГц Тип алгоритма\Тип динамики Низкая, 40 с Средняя, 4 с Высокая, 4 с Оптимальный:
- простая функция потерь 8 14 - квадратичная ф. потерь 10 14 18. Квазиоптимальный 18 19 Упрощ. квазиоптимальный 14 16 Референсный 27 27 Таблица 3.2 Помехоустойчивость алгоритма слежения за РФ, дБ Тип алгоритма\Тип динамики Низкая, 40 с Средняя, 4 с Высокая, 4 с Оптимальный:
- простая функция потерь 49.5 50.5 - квадратичная ф. потерь 49.5 50.5 Квазиоптимальный 47 47.5 Упрощ. квазиоптимальный 49.5 49.5 Референсный 42 44 Разработанный в диссертации упрощенный квазиоптимальный некогерент ный алгоритм обработки реализован в УНАП, созданной в ОКР «Перспектива-С» в ОАО «НИИ космического приборостроения» (индекс изделия 14Ц830). Прове дены натурные испытания данного изделия, схема которых приведена на рис.8.
В результате проведенных испытаний показано, что помехоустойчивость УНАП составляет 48 дБ, что согласуется с аналитическими результатами и результатами моделирования.
Данный уровень помехоустойчи вости на 8 дБ выше, чем у преды дущего образца УНАП, исполь зующего независимое слежение за фазами сигналов различных ан тенн с помощью широкополосных систем ФАП, с последующим на хождением оценки разности фаз как разности оценок фаз. Точ ность определения параметров угловой ориентации объекта в опытном образце УНАП пример но такая же, что и у предыдущего Рис. 8. Схема проведения испытаний образца УНАП и составляет ~ 2- угловых минуты (СКО), что обу словлено наличием дополнитель ных источников погрешности.
В четвертой главе приводится методика и алгоритмы компенсации ошибок, вносимых неидентичностью характеристик радиочастотных блоков в оценки разностей фаз сигналов.
Предлагается система последо Рис. 9. Циклическое переключение РЧБ вательных переключений радиочас тотных блоков (см. рис. 9), при которых появляется возможность анализировать параметры сигналов при прохождении различных РЧБ. Разработан алгоритм пе ресчета разностей фаз сигналов промежуточной частоты в разности фаз сигналов, получаемых с выходов антенн, на основе измеренных параметров неидентичности радиочастотных блоков. Проведена коррекция синтезированных в гл. 2 алгорит мов первичной обработки, с учетом производимых переключений, что позволяет оценивать параметры неидентичности радиочастотных блоков. Приведены ре зультаты моделирования и натурных испытаний, подтверждающие работоспособ ность предложенного метода и иллюстрирующие его эффективность.
В заключении сформулированы основные научные и практические резуль таты работы.
В Приложение 1 вынесены дополнительные иллюстрации, в Приложе нии 2 изложены математические доказательства отдельных положений, исполь зуемых в работе. В Приложении 3 – акты о внедрении результатов.
В рамках проведенного диссертационного исследования получены следую щие результаты и выводы:
1. Предложена новая математическая модель описания сигналов, принимае мых угломерной навигационной аппаратурой потребителей в пространственно разнесенных точках, отличающаяся от известных разделением параметров на две группы, одна из которых характеризует поступательное движение объекта отно сительно спутника (задержка, частота, «общая» фаза), а вторая – характеризует вращательное движение объекта (разности фаз сигналов).
2. Впервые сформулирована постановка задачи некогерентной обработки сигналов промежуточной частоты в угломерной НАП.
3. Синтезирован квазиоптимальный (в гауссовом приближении) некоге рентный алгоритм оценки задержки, частоты и разности фаз сигналов промежу точной частоты, принятых на множестве пространственно разнесенных точек. Ал горитм включает оптимальные дискриминаторы соответствующих параметров и комплексный сглаживающий фильтр.
4. Синтезированный квазиоптимальный некогерентный алгоритм обработки позволяет разработчику выбирать опорные параметры дискриминаторов. Это су щественно упрощает коррелятор и снижает интенсивность обмена с ним.
5. Для синтезированных дискриминаторов разности фаз, частоты и задерж ки получены аналитические выражения для расчета дискриминационных характе ристик и дисперсий шумов на выходе дискриминаторов.
6. Получены аналитические выражения для шумовой полосы дискретных следящих систем первого, второго и третьего порядков.
7. Разработана методика анализа потенциальных характеристик оценок па раметров сигналов, основанная на численном решении уравнений Стратоновича.
8. Разработан ориентированный на практическую реализацию в УНАП уп рощенный квазиоптимальный некогерентный алгоритм оценки разностей фаз, частоты и задержки сигналов промежуточной частоты. Данный алгоритм включа ет системы слежения за частотой, задержкой и набора систем слежения за разно стями фаз. Он сопоставим по сложности с известными алгоритмами обработки, а его характеристики близки к характеристикам оптимальных алгоритмов. Он уни версален и рекомендуется к применению в УНАП.
9. Разработаны имитационные модели для разработанных алгоритмов обра ботки сигналов в УНАП.
10. Моделирование показывает существенное превосходство синтезирован ного упрощенного квазиоптимального алгоритма над референсным (используе мым в настоящее время для обработки сигналов в УНАП) по характеристикам помехоустойчивости, точности, чувствительности. Показано, что его применение позволяет повысить чувствительность УНАП на 7-17 дБ. При низкой динамике вращений помехоустойчивость УНАП повышается на 4-8 дБ (до значений около 50 дБ для ВТ сигналов ГЛОНАСС). От потенциальных характеристик чувстви тельности и помехоустойчивости он отстает на 2-5 дБ и 1-2 дБ соответственно.
11. Помехоустойчивость приемника зависит от направления прихода поме хи. Существуют направления, при приходе с которых помехи существенно ослаб ляются.
12. На систему слежения за разностью фаз практически не влияет неста бильность опорного генератора. Выбор её полосы обусловлен только отношением сигнал/шум и динамикой вращательного движения. Слежение же за задержкой и частотой при низких отношениях сигнал/шум и высокой мощности помех воз можно благодаря применению некогерентного режима работы.
13. Разработанный в диссертации упрощенный квазиоптимальный некоге рентный алгоритм обработки сигналов УНАП реализован в опытном образце 14Ц830 ОАО «НИИ космического приборостроения». Проведены эксперимен тальные исследования данного образца УНАП, показавшие, что его помехоустой чивость составляет 48 дБ, что согласуется с аналитическими результатами, резуль татами моделирования и на 8 дБ выше, чем у существующих образцов УНАП.
14. Разработана методика компенсации неидентичности характеристик ра диочастотных блоков, основанная на их циклическом переключении. Имитацион ным моделированием показано, что увеличение ошибок оценивания второй раз ности фаз, при использовании предложенного подхода, относительно потенци ального уровня ошибок, при использовании идеальных идентичных радиочастот ных блоков, оставляет около 10% по СКО.
Приведены результаты натурных испытаний опытного образца УНАП ОАО «НИИ космического приборостроения», реализующей созданные алгоритмы. По казано, что точность компенсации неидентичности радиочастотных блоков в из мерениях вторых разностей фаз составляет около четверти миллиметра (0,5 гра дуса) при исходной ошибке около 1-2 см.
Резюме. Применение разработанных в диссертации алгоритмов обработки сигналов в угломерной НАП позволяет существенно повысить её помехоустойчи вость и чувствительность, что можно характеризовать как достижении цели дис сертационного исследования.
Публикации Основное содержание диссертационной работы изложено в двадцати одной печатной работе, среди которых девять статей (из которых шесть в научно-технических журналах, входящих в перечень Высшей аттестационной комиссии), четыре патента, три свидетельства о регистрации программы для ЭВМ, а также тезисы пяти международных конференций. Материалы диссерта ции отражены в 4 научно-технических отчетах по НИР и ОКР.
Перов, А. И., Корогодин, И. В., Лопатко, О. Е. Комбинированная 1.
когерентно-некогерентная система определения углов ориентации объекта по сигналам спутниковых радионавигационных систем // Радиотехника. — М.: Радиотехника, 2009. — № 7. — С. 88-98.
Корогодин, И. В., Перов, А. И. Синтез и анализ дискриминаторов 2.
разностей фаз сигналов, принимаемых на множестве пространственно разне сенных точек // Радиотехника. — М.: Радиотехника, 2010. — № 7. — С. 84-92.
Перов, А. И., Корогодин, И. В. Синтез и анализ алгоритмов оце 3.
нивания мощности полезной и шумовой составляющих на выходе корреля тора // Радиотехника. — М.: Радиотехника, 2011. — № 7. — С. 76-82.
Корогодин, И. В. Анализ влияния многолучевого распростране 4.
ния сигналов спутниковой радионавигационной системы на характеристики коррелятора навигационного приемника // Радиотехника. — М.: Радиотех ника, 2011. — № 7. — С. 95- Перов, А. И., Корогодин, И. В. Синтез и анализ когерентно 5.
некогерентного алгоритма приема сигналов в пространственно разнесенных точках в условиях многолучевости // Радиотехника. — М.: Радиотехника, 2012. — № 6. — С. 108-117.
Корогодин, И. В., Букреев, А. М. Компенсация разности фазовых 6.
набегов в радиочастотных блоках угломерной аппаратуры СРНС ГЛОНАСС // Радиотехника. — М.: Радиотехника, 2012. — № 6. — С. 140-147.
Измеритель разности фаз радиосигналов: патент на полезную модель 7.
№ RU 84993 U1 Рос. Федерация, МПК G01R25/00 / Перов, А. И., Корогодин, И.
В., опубл. 20.07. Измеритель разности фаз радиосигналов: патент на изобретение № 8.
RU 2388001 C1 Рос. Федерация, МПК G01R25/00 / Перов, А. И., Корогодин, И. В., опубл. 27.04. Цифровой приемник сигналов спутниковых радионавигационных сис 9.
тем: патент на полезную модель № RU 115079 U1 Рос. Федерация, МПК G01S19/13 / Перов, А. И., Корогодин, И. В., заявл. 25.10.2011, приоритет от 27.10.2011, опубл. 20.04. 10. Цифровой приемник сигналов спутниковых радионавигационных сис тем: патент на изобретение № RU 2467351 C1 Рос. Федерация, МПК G01S19/13 / Перов, А. И., Корогодин, И. В., заявл. 25.10.2011, приоритет от 25.10.2011, опубл.
20.11. 11. Перов, А. И., Корогодин, И. В. Оптимальное оценивание угла прихода сигнала с неизвестной начальной фазой двумя разнесенными приемниками // Ра диотехнические тетради. — 2008. — № 37. — С. 57-61.
12. Перов, А. И., Корогодин, И. В. Синтез и анализ алгоритмов обработки сигналов в аппаратуре определения угловой ориентации объектов по сигналам СРНС // Радионавигационные технологии в приборостроении: Сборник материа лов Научно-технических конференций за 2009-2010 г.г.(г. Туапсе). — М.: Лика, 2011. — С. 65-74.
13. Корогодин, И. В., Перов, А. И., Буркеев, А. М. Компенсация ошибки, вносимой многолучевостью в измерения фазы радионавигационного сигнала // Радионавигационные технологии в приборостроении: Сборник материалов Науч но-технической конференции за 2011 г.(г. Туапсе). — М.: Лика, 2011. — С. 30.
14. Корогодин И. В., Перов А.И. Имитационная модель приемника, пред назначенного для определения угловой ориентации объекта по сигналам СРНС.
— РОСПАТЕНТ. Свидетельство №2009612470 от 18.05. 15. Корогодин, И. В. Модель многолучевого распространения сигнала спутниковой радионавигационной системы при отражении от экрана конечных размеров. — РОСПАТЕНТ. Свидетельство №2011617611 от 30.09. 16. Корогодин, И. В. Модель переходных процессов в идеальном дис кретном корреляторе при учете полосы радиочастотной части приемника. — РОСПАТЕНТ. Свидетельство №2011617612 от 30.09. 17. Корогодин, И. В., Перов, А. И. Оптимальное оценивание угла прихода сигнала двумя разнесенными приемниками // Сборник тезисов докладов конфе ренции РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА. — М.:
Издательский дом МЭИ, 2009. — Т. 1. — С. 117-118.
18. Корогодин, И. В., Перов, А. И. Синтез и анализ дискриминаторов раз ности фаз и доплеровского смещения частоты сигналов, принимаемых в про странственно разнесенных точках // Сборник тезисов докладов конференции РА ДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА. — М.: Издатель ский дом МЭИ, 2010. — Т. 1. — С. 145-147.
19. Корогодин, И. В., Перов, А. И. Синтез частотных дискриминаторов квадратурных компонент // Сборник тезисов докладов конференции РАДИО ЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА. — М.: Издательский дом МЭИ, 2011. — Т. 1. — С. 140-142.
20. Корогодин И.В. Первичная обработка сигналов в устройстве опреде ления угловой ориентации по сигналам СРНС // Радиолокация, навигация и связь:
Сб. трудов междунар. конф. Воронеж,2011.
21. Корогодин, И. В., Перов, А. И. Компенсация разности фазовых набе гов в радиочастотных блоках угломерной аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем // Сборник тезисов докладов конференции РАДИО ЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА. — М.: Издательский дом МЭИ, 2012. — Т. 1. — С. 135-136.
Электронная версия работы, а также препринты статей, информация о свидетельствах Роспатента и т.п., доступны на странице автора http://www.srns.ru/wiki/Korogodin