CC BY
113
His
В E S E A R >: II
НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
Прием навигационного сообщения в аппаратуре потребителя СРНС "Глонасс" в условиях возмущений ионосферы
Как уже было отмечено во многих публикациях в теории приема и обработки сигналов различают когерентную и некогерентную обработку. Оценки псевдо дальностей и псевдо скоростей в приемнике сигналов спутниковой радионавигационной системы могут быть получены как при когерентной, так и при некогерентной обработке сигналов. Выделение же навигационного сообщения возможно лишь в когерентном режиме. Передаваемое в радиосигналах спутниковой радионавигационной системы "Глонасс" навигационное сообщение прежде всего предназначено для проведения потребителями навигационных определений и планирования сеансов навигации. Навигационное сообщение, передаваемое каждым навигационным спутником, содержит оперативную и неоперативную информацию. Оперативная информация содержит: сдвиг шкалы времени навигационного спутника относительно системной шкалы времени; относительное отличие несущей частоты излучаемого радиосигнала от номинального значения; эфемериды навигационного спутника, т.е. координаты и параметры движения спутника на фиксированный момент времени; код метки времени, необходимой для синхронизации процесса извлечения навигационной информации в аппаратуре потребителя. Неоперативная информация содержит альманах системы. В статье рассмотрен вопрос вероятности ошибочного приема навигационного сообщения в аппаратуре потребителя спутниковой радионавигационной системы "Глонасс" в условиях возмущений ионосферы.
Ключевые слова: спутниковая система, радионавигация, навигационное сообщение, обработка сигналов, когерентный режим.
Бибарсов М.Р., Грибанов Е.В.,
Военная академия связи имени С.М.Буденного
Reception of the navigation message in equipment of a customer of GLONASS in the conditions of ionosphere perturbations
Bibarsov M.R., Gribanov E.V.,
Military academy of communication of a name of S.M.Budenny
Abstract
As it was already marked in many publications in the theory of reception and signal processing distinguish the coherent and incoherent processing. Estimates pseudo ranges and pseudo speeds in the receiver of signals of satellite radio navigational system can be received both in case of the coherent, and in case of incoherent signal processing. Separation of the navigation message is possible only in the coherent mode. Transferred in wireless signals of satellite radio navigational GLONASS system the navigation message first of all is intended for carrying out by customers of navigation determination and planning of sessions of navigation. The navigation message transferred each navigation satellite, contains operational and not operational information. The operational information contains: shift of a time scale of the navigation satellite of rather system time scale; the relative difference of carrier frequency of an emitted wireless signal from rated value; ephemerises of the navigation satellite, i.e. coordinate and parameters of movement of the satellite on the fixed timepoint; code of the time stamp necessary for synchronization of process of extraction of navigation information in equipment of a customer. Not operational information contains the system almanac. In article the question of probability of erratic reception of the navigation message in equipment of a customer of satellite radio navigational GLONASS system in the conditions of ionosphere perturbations is considered.
Keywords: satellite system, radio navigation, navigation message, signal processing, the coherent mode.
Передаваемое в радиосигналах спутниковой радионавигационной системы (СРНС) "Глонасс" навигационное сообщение предназначено для проведения потребителями навигационных определений и планирования сеансов навигации [1]. Навигационное сообщение, передаваемое каждым навигационным спутником (НС), содержит оперативную и неоперативную информацию. Оперативная информация содержит: сдвиг шкалы времени НС относительно системной шкалы времени; относительное отличие несущей частоты излучаемого радиосигнала от номинального значения; эфемериды НС, т.е. координаты и параметры движения спутника на фиксированный момент времени; код метки времени, необходимой для синхронизации процесса извлечения навигационной информации в аппаратуре потребителя. Неоперативная информация содержит альманах системы.
Известно, что в теории приема и обработки сигналов различают когерентную и некогерентную обработку. Оценки псевдо дальностей и псевдо скоростей в приемнике сигналов СРНС могут быть получены как при когерентной, так и при некогерентной обработке сигналов. Выделение же навигационного сообщения возможно лишь в когерентном режиме [1].
Для обеспечения высокой помехоустойчивости и получения высокой точности измерения радионавигационных параметров в СРНС используют сигналы с относительной фазовой манипуляцией (ОФМ) и помехоустойчивое кодирование кодом Хэмминга (88,77) (кодовое расстояние равно 4) [1].
Однако известно, что при естественных (ЕВИ) и искусственных возмущениях ионосферы (ИВИ) возникает рост интегральной электронной концентрации (ЭК) N, которая на высотах F слоя имеет неоднородный характер N = Nт + Д N(p), где N и ДЦр) — среднеезначение интегральной ЭК ионосферы и ее флуктуации относительно Nт [2, 3].
Наукоёмкие технологии в космических исследованиях Земли № 1-2012
NAVIGATION SYSTEMS
Увеличение в следствие ЕВИ и ИВИ флуктуации интегральной ЭК ДЛГ(р) в слое F, характеризуемых среднеквадрати-
ческим отклонением (СКО) , приводит к увеличению СКО
флуктуации фазового фронта волны на выходе ионосферного слоя 0 __ {J ^ и возникновению общих замираний (ОЗ) принимаемых сигналов, т.к. у —> 0, где у ~ \jсу - коэффициент
глубины замираний трансионосферного канала связи (КС) [2,3], Увеличение q обуславливает сужение полосы когерентности ионосферы A/^-l/a,, я° AFt. <0,1 МГц, что
приводит к возникновению частотно-селективных замираний (ЧСЗ) ДFn » AF [2, 3], т.к. в СРНС используется широкополосный сигнал с шириной спектра ДР = Ю МГц-
Цель статьи заключается в оценке вероятности ошибочного приема навигационного сообщения в аппаратуре потребителя СРНС «ГЛОНАСС» в условиях возмущений ионосферы.
Вероятность ошибочного приема сигналов ОФМ в каналах с постоянными параметрами и аддитивными гауссовскими шумами при когерентном приеме описывается выражением [4]
1 1 —
где Wу1)— Ге - интеграл вероятности; h~ - отно-
шение сигнал/шум (OCULI) на входе приемника. Для КС с релееескими замираниями [5]
-Tl (2)
где
ч
р =-
ТехР
2 \+Г + К
где согласно [2, 3]
y2=l/[exp(a;)-l]
а;=(80,8*/с)>м,//0)2
(4)
(5)
His
HERE Л It i: II
- дисперсия флуктуации фазового фронта выходной волны;
- несущая частота; с - скорость света.
Выражение (4) в случае релеевских замираний = сводится к следующему виду [6]
^=1/(2 + 240 (7)
На рисунке 1 представлены графики зависимости р | |
при у2 = О для когерентного и некогерентного приема, построенные согласно выражений (3), (7)
Рт 10"' Ю"2 10'J 1ЙГ* 10"
ч
1 10 10: 10J 104
i flL J
2 /7Г Jt
c $ - плотность распределения вероятно-
сти превышения замирающего сигнала.
Интеграл (2) может быть вычислен только приближенными методами [5]. При больших значениях /г справедливо соотношение [4]
+ (3)
Известно, что энергетический выигрыш при использовании когерентного приема при общих замираниях не превышает 3 дБ [6], а т.к. интеграл (2) вычисляется приближенными методами, то для упрощения вычислений можно воспользоваться соотношением, определяющим среднюю вероятность ошибочного приема сигналов ОФМ при некогерентном приеме на выходе демодулятора в виде [6]
1 1+у2 I гН Л
Рис, 1. Зависимость р от /¡^ при — 0 для когерентного (1) и некогерентного (2[ приема
Из графиков видно, что выигрыш когерентного приема настолько незначителен, что можно проводить оценку помехоустойчивости когерентного приема согласно выражению [4].
Помехоустойчивое кодирование, реализованное так, как его используют в КС с постоянными параметрами, в каналах с замираниями, хотя и обеспечивает энергетический выигрыш несколько дБ, но ни в коей мере не может компенсировать возникающие потери помехоустойчивости [7]. В связи с этим, для оценки вероятности ошибочного приема навигационного сообщения СРНС «ГЛОНАСС» в КС с ОЗ справедливо использовать соотношение (4).
При модели КС с ЧСЗ, когда спектральные составляющие Г2 = 27т(/ — сигнала в пределах полосы его спектра А!Г2() г=2лД/^1 замирают по релеевскому закону, но некоррелированно, ОСШ на входе приемника уменьшится в Т|ч раз, где < | - коэффициент энергетических потерь при
обработке (в согласованном фильтре или корреляторе) сигнала, подверженного ЧСЗ [2, 3]. Величина данного коэффициента определяется как
\AFJAFJ - я3'2 (Л^/Д/ф - ехрГ-я2 )2])
/ (з)
Л^=2/о/к(2 ♦¿Г)"
' 1 -Ь (9)
где
High technologies in Earth space research № 1-2012
с/' > 1 - коэффициент, характеризующий нарастание дифракционных эффектов во фронте волны по мере ее распространения, определяемый как
^^(¡г-ъи^^у/шп'/Х 1 (Щ
Л,—5-10" М - расстояние от нижней границы ионосферного слоя до точки приема; И —2,55 ■ 10 м - эквивалентная толщина слоя Р ионосферы с неизменным па высоте значением ЭК; / — 200 м ~ характерный размер мелкомасштабных не-
однородностей.
С учетом ЧСЗ выражение (4) примет вид
РошЛ ч-т1 тЧЧ \ (11)
ош 21+Г + ЛЯ I 1+гМР"0
В тоблице 1 представлены параметры ионосферы [2, 3] при различном ее состоянии, для которых на рисунке 2 представлены графики зависимости построенные согласно
(11).
Таблица 1
Параметры ионосферы в зависимости от ее состояния
Состояние ионосферы эл/м3 эл/м2 а^, эл/м"
Невозмущенная ионосфера (НИ) 10" 2,55-1017 Ю13
ЕВИ 101Э 2,55-Ю16 ГО"
ИВИ 10" 2,55 10" 1017
Рис. 2, Зависимость р от при различном состоянии ионосферы
Из графиков видно, что в условиях НИ вероятность ошибочного приема навигационного сообщения Ро =10 обеспечивается при ОСШ на входе приемника = 11 (10 дБь в условиях ЕВИ при ОСШ /¡г — |о' (40 дБ), о в условиях ИВИ при ОСШ /[д =(5-Ю4 (48 дБ)-
Известно, что повышение помехоустойчивости возможно применением пространственно-разнесенного приема на несколько антенн (/?) ( расположенных на расстояниях превышающих интервал пространственной корреляции замираний.
НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
При этом в устройстве обработки сигналов используют различные алгоритмы, например когерентного сложения с весами, выигрыш от которого больше, чем при квадратичном сложение всего на 1-2 дБ при достаточно сложной его реализации [7].
Вероятность ошибки в схеме квадратичного сложения определяется согласно выражению [8]
Р зТС* Р" (I - Р V
1 ош п+к-] то! \ 1 1 ош! /
ЬО , (12)
где - вероятность ошибки при одиночном некогерентном приеме для того же значения /■/'.
Эта же формула справедлива и для оптимального когерентного разнесенного приема, если под Р..... понимать вероятность ошибки при оптимальном когерентном одиночном приеме [8].
На рисунке 3 представлены графики зависимости /> (/^)
в условиях ИВИ, построенные согласно (1 )) и (12) для про-стронственно-разнесенного приема на /7 = 2, /7 = 3 и /7 = 4 антенны.
Рш ИГ1 10"3 10~! 10-10"5
I !0 10: 103 10' % Рис. 3. Зависимость р от в условиях ИВИ при пространственно-разнесенном приеме на п антенн
Следует отметить, что результаты расчета согласно выражению (1 1) совпадают с результатами росчета согласно (12} при д = 1.
Таким образом, при реализуемом ОСШ на входе приемника СРНС «ГЛОНАСС» =20 дБ, в условиях ИВИ вероятность ошибочного приема навигационного сообщения в аппаратуре потребителя СРНС «ГЛОНАСС» составит Р ^ = 6 ■ 10~Э •
При пространственно-разнесенном приеме на п = 2 антенны вероятность ошибочного приема навигационного сообщения уменьшится до = 10 , при п-3 и /7 = 4 до Р « 10 " ■
Следовательно, существенное влияние на вероятность ошибочного приема навигационного сообщения ( Ри|[) СРНС оказывает фактор рассеяния радиоволн в неоднородностях ионосферы, проявляющийся в виде замираний принимаемых сигналов, которые могут носить общий (райсовский, релеевский) или частотно-селективный характер в зависимости от частотных параметров ( ^ Д рд ) передаваемых сигналов и степени возмущения неоднородной ионосферы.
Наукоёмкие технологии в космических исследованиях Земли № 1-2012
NAVIGATION SYSTEMS
His
HERE A It t: II
Следует отметить, что в условиях НИ (когда сги — 1013 эл/м2) ЯИ|1 ¿10 "достигается за счет выбора частотных параметров ^ = 1,6 ГГц и Д/^, = 10 МГц, при которых фактор рассеяния радиоволн на неоднородностях ионосферы не проявляется и замирания принимаемых сигналов отсутствуют.
Однако в условиях ИВИ, когда (о^ =1017 эл/м") передача сигналов с указанными частотными параметрами I/0 = 1,6 ГГц, Д^=10 МГц) может сопровождаться существенным увеличением вероятности ошибочного приема навигационного сообщения (р ^
Литература
1. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / Под ред. А.И.Перова, В,Н. Харисова. Изд. 4-е, перераб и доп. - М.: Радиотехника, 2010. - 800 с.
2. Мослов О.Н., Лашинцев Й.П. Модели трансионосферных радиоканалов и помехоустойчивость систем космической связи /
Приложение к журналу "Инфокоммуникоционные технологии". Выпуск 4 - Самара: ПГАТИ, 2006 - 357 с.
3. Пашинцев В.П., Солчогов М.Э., Гохое Р.П. Влияние ионосферы на характеристики космических систем передачи информации: Монография. - М.: Физматлит, 2006. - 184 с.
4. Игнатов В.В., Кчлимник Ю.П., Никольский И.Н., Пивоваров В.Ф., Прохоров В.К., Репин Г.А., Скрипник Н.П., Шаров А.Н. Военные системы радиосвязи. 4.1. / Под ред. В,В, Игнатова. - Л.: ВАС, 1989. -С. 1-386.
5. буго H.H. Основы теории связи и передачи данных, 4,2. Учебник для слушателей военных академий и высших командно-инженерных училищ, - Л енинград, 1970 - 707 с.
6. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. Изд. 2-е, переработанное, дополненное. Издательство «Советское радиол,
1970. - С.728.
7. Волков Л.Н., Немировский М.С., Шинсжов Ю.С. Системы цифровой радиосвязи: базовые методы и характеристики: Учеб пособие. - М.: Эко-Трендз, 2005. - 392 с.
8. бураченко Д Л,, Заварин Г.Д., Клюев Н.И., Колесников A.A., Кондратьев СЛ., Коржик В.И,, Финк Л.М. Общая теория связи, - ВАС, 1970. - С. 1-412.
High technologies in Earth space research № 1-2012
