CC BY
103
УДК621.396.98
АНАЛИЗ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АЛГОРИТМА СОВМЕСТНОЙ ОБРАБОТКИ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ
ПАРАМЕТРОВ В СРНС
С.М. ПИЧУГИН
Статья представлена доктором технических наук, профессором Рубцовым В.Д.
В настоящей работе методами математического моделирования производится оценка погрешности местоположения воздушного судна при совместной обработке всех радионавигационных параметров в корреляторе СРНС.
Ключевые слова: СРНС, погрешность местоположения ВС, первичная и вторичная обработка
радионавигационных сигналов, алгоритм векторного управления.
Введение
Основным направлением в разработке современной аппаратуры приема и обработки сигналов СРНС является оснащение помехоустойчивой и высокоточной навигационной аппаратурой летательных аппаратов (ЛА) различного назначения и средств вооружения для решения задач управления и посадки. Существующая аппаратура потребителя (АП) сигналов СРНС уязвима к воздействию помех, так как полезный сигнал, излучаемый удаленным от Земли навигационным спутником (НС), имеет малую мощность.
Для обеспечения подавления помех необходимо использовать самые передовые методы борьбы с ними, разработанные в последнее время. Главными из этих методов являются: пространственно-временная адаптивная фильтрация; исключение узкополосных помех любого происхождения; алгоритмы первичной и вторичной обработки, способные функционировать при низких значениях ОСШ; тесносвязанное комплексирование с ИНС; анализ качества принимаемых сигналов и их принадлежности к множеству полезных сигналов и отбраковка ложных сигналов.
В данной статье рассматривается алгоритм, при котором выходы всех каналов коррелятора одновременно используются для вычисления вектора координат, скорости и временных параметров ЛА. Полученные координаты и скорости с учётом известных текущих координат НС пересчитываются в сигналы управления каналами коррелятора. Таким образом, обработка спутниковых сигналов не разделяется на первичную и вторичную обработку, а представляет собой единое целое.
В англоязычной литературе этот метод получил название векторное управление (Vector Delay Lock Loop (VDLL)) [1].
Первичная и вторичная обработка
Для того чтобы объяснить принцип действия АП с векторным управлением, необходимо сначала обратиться к общеизвестному методу определения координат в приёмовычислителе, который состоит из первичной и вторичной обработки. Структурная блок схема такого метода приведена на рис. 1.
В этом случае каждая пара выходов коррелятора (квадратурные цифровые сигналы) используется для вычисления сигналов, управляющих работой этого же одного канала коррелятора. Благодаря этому определяется псевдодальность (ПД) и псевдоскорость (ПС)
только для одного канала, т.е. для одного НС. Аналогичные задачи решаются для других каналов, т.е. для всех принимаемых сигналов индивидуально для каждого НС.
Программа вторичной обработки, используя ПД и ПС, вычисляет вектор навигационных параметров: координаты, компоненты вектора скорости и временные параметры.
Сигналы управления генераторами ПСП и генераторами, управляющими частотой в корреляторе
V
Приемник
сигналов рассогласования по фазам кода и по несущей сигналов всех каналов
Модуль вторичной обработки
Вычисление координат и скоростей
Рис. 1. Схема обработки данных в АП СРНС с первичной и вторичной обработкой
В общем виде расчет координат и скоростей производится по следующей формуле [2]
АЖ = (ИІ * Щ- * Нт)-1 * НТт * Щ- *(РЯтизм- - РЯтрасч ), (1)
где Шт - весовая матрица измерений; ХЇ2 = [X, У, 2, Аї]Т - вектор столбец прямоугольных координат объекта; Ит - матрица частных производных матрицы РЯ^,004' по координатам ХУ2;
РЯтизм' - ПД, полученные на этапе первичной обработки; рЯтрасч' - ПД, рассчитанные на
основе координат НС и предполагаемых координат объекта'
Расчетные ПД определяются по формуле
РЯ = V(Х^ - X)2 + У - У)2 + (- 2)2, (2)
где X^, 2^ - координаты /-го спутника.
Оценка скорости записывается в следующем матричном виде
А V = От * (РЯЯтизм' - РЯЯтрасч'),
Ст = (НТт * Ш-1* Нт )-1* НТт * ЩД где РЯЯтизм' - вектор-столбец измеренных ПС; РЯЯтрасч' - вектор-столбец рассчитанных ПС; От - псевдообратная матрица матрицы измерений Нт.
Расчетные ПС определяются по следующей формуле
РШ = - Vх) * (Х„ - X) + (УуУ - Vy ) * У - У) + - V) * (2 „ - 2)
' РЯ
(3)
где Ух, V , Vy - составляющие скорости объекта; Vsvx, ¥^у, ¥^г - составляющие скорости /-го НС; РЯ, - ПД по /-му НС.
Алгоритм векторного управления
На рис. 2 приведена блок-схема, поясняющая принцип векторного управления. В отличие от обычной последовательности операций все пары выходов коррелятора (квадратурные
цифровые сигналы) используются одновременно для вычисления векторов координат, скорости и временных параметров. Полученные координаты и скорости ЛА с учётом известных текущих координат НС пересчитываются в векторы сигналов управления каналами коррелятора (отсюда и следует название метода). В ходе этих вычислений, как промежуточные переменные, получаются значения ПД и ПС, которые не используются для расчёта параметров движения ЛА.
Рассмотрим алгоритм расчета координат и скоростей АП в этом случае [3]. Программа векторного управления включается после первого решения НЗ по методике, описанной в предыдущем разделе, и наследует результаты ее работы.
Исходными данными для расчетов являются нормированные сигналы рассогласования по частоте ( Ау ) и нормированные сигналы рассогласования по фазе кода (еру) по всем каналам, которые участвуют в решении НЗ. Совокупность этих данных далее рассматривается как вектор-столбец, обозначаемый Ау и еру.
V
Сигналы управления генераторами ПСП и генераторами, управляющими частотой в корреляторе
Приемник
сигналов
і
Коррелятор
рассогласования по фазам кода и по несущей сигналов всех каналов
Модуль вычисления сигналов управления коррелятором
Рис. 2. Пояснение принципа векторного управления
В качестве исходных данных для программы векторного решения НЗ имеются: вектор-столбец координат XУ2 = [X, У, 2, Аї]Т ; вектор-столбец скоростей изменения координат V = \УХ , Vy, V,, Аї']Т ; матрица направляющих косинусов Н; псевдообратная матрица О.
На основе этих данных осуществляется расчет скорости движения объекта следующим образом
еру) = О * Ау , а) = а)~1 + К2* еру/,
V* = V)-1 + Td * а) + К * ерэ1.
Здесь Td =0.02 с. Размерность Vkf - частота. Для перехода к м/с необходимо умножить Vkf
на длину волны соответствующей СРНС.
Аналогично координаты объекта рассчитываются следующим образом
еР8ху, = О * еРУ ,
Vk = V) * 1 + К * еруху2,
XУ2k = XУ2k-1 + Td * Vk.
Полученные значения Vfk и Vk используются для вычисления кодов управления
коррелятором. Для управления кодом несущей частоты принимаемого сигнала выполняется следующее вычисление
F = H *Vk.
Здесь F вектор-столбец, каждая компонента которого является доплеровской частотой сигналов, принимаемых каждым работающим каналом.
Для управления фазой кода
Vt= H *Vk.
Здесь Vt вектор-столбец, каждая компонента которого является скоростью изменения фазы кода сигналов, принимаемых каждым работающим каналом.
После прохождения цикла решения НЗ (обычно это значение составляет 0.1 с), исходя из известного значения координат и скоростей объекта, по формулам (2) и (3) определяются новые значения матриц H и G. После этого цикл вычислений возобновляется.
Результаты моделирования
Результаты проверки алгоритма векторного управления при неподвижном приемнике приведены в таб. 1. В ней приведены значения СКО определения плановых координат и высоты в зависимости от ОСШ. Расчеты производились для созвездия, состоящего из 10 спутников GPS и 7 спутников ГЛОНАСС.
Результаты проверки алгоритма векторного управления в динамике приведены на рис. 3 и рис. 4. По оси абсцисс отложено время в циклах (каждый цикл равен 20 мс). По оси ординат отложено значение СКО в метрах для координат и в м / с для скорости. Траектория движения ЛА включала в себя ускорение и движение с постоянной скоростью.
В самом начале объект находится в состоянии покоя. На интервале с 10 по 14 с объект испытывает ускорение, равное 90 м / с2. Далее объект движется с постоянной скоростью. Расчеты производились для созвездия, состоящего из 10 спутников GPS и 7 спутников ГЛОНАСС.
Таблица 1
СКО определения координат и скоростей в зависимости от ОСШ
Q, дБ 33 27 20 15 10
DXYZ, м В плане 0,5 0,8 1 7 10
По высоте 0,8 1,2 1,5 10 15
DVxyz , м/с В плане 0,06 0,08 0,15 0,2 0,32
По высоте 0,04 0,06 0,09 0,12 0,4
В случае использования независимого управления для каждого канала коррелятора при значении ОСШ менее 20 дБ начинаются срывы в слежении за сигналом СРНС. При использовании векторного управления каждый канал поддерживается всеми остальными. В этом случае работа возможна при значениях ОСШ до 10 дБ.
Кроме этого, в случае кратковременного пропадания сигнала некоторых НС на высокодинамических объектах срывов в сопровождение не происходит, так как слежение в этом канал продолжается даже при отсутствии сигнала. Это позволяет работать при более низких ОСШ, чем в обычной схеме.
Рис. 3. СКО определения координат Рис. 4. СКО определения скорости
при действии ускорения при действии ускорения
Выводы
Из вышеизложенного можно сделать следующие выводы:
- в случае использования векторного управления обработка сигналов не подразделяется на два фрагмента (первичная и вторичная), а представляет собой единое целое;
- сопровождение сигналов по принимаемым НС взаимосвязанное и определяется по результатам определения навигационных параметров.
В случае применения векторного управления вероятность срыва сопровождения при определенном уровне помех по одному или нескольким каналам, нарушающая правильную работу приемника, заметно снижается. Тем самым применение векторного управления повышает помехоустойчивость приемника, как это следует из результатов моделирования на 7-10 дБ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Benson D. Interference Benefits of Vector Delay Lock Loop (VDLL) GPS Receiver, MITRE Corporation.
2. Соловьев Ю.А. Спутниковая навигация и ее приложения. - М.: Эко-Трэндз, 2003.
3. Parkinson B.W., Spilker J.J. Global Positioning System: Theory and Applications, Vol. 1, 1996.
THE ANALYSIS OF ACCURACY CHARACTERISTICS OF ALGORITHM CO-PROCESSING OF RADIO NAVIGATING PARAMETERS IN THE SATELLITE RADIO NAVIGATION SYSTEM
Pichugin S.M.
In this work making the errors estimating of air ship's position in co-processing all radio navigation parameters in correlation by the use of mathematical model approaches.
Key words: GNSS, aircraft position error, primary and secondary processing of radio navigation signals, vector control algorithm.
Сведения об авторе
Пичугин Сергей Михайлович, 1984 г.р., окончил МЭИ (ТУ) (2007), аспирант кафедры технической эксплуатации радиоэлектронных систем воздушного транспорта МГТУ ГА, автор трех научных работ, область научных интересов - спутниковая навигация.
