CC BY
42
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СИСТЕМ РАЗДЕЛЬНОЙ И СОВМЕСТНОЙ ФАЗОВОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ И ОЦЕНКИ ПОЗИЦИИ И СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ПРИЕМНИКОВ ГНСС
Жодзишский Марк Исаакович,
МАИ, профессор, д.т.н., Топкон позишионинг системс, директор по исследованиям и разработкам, Москва, Россия, MZhodzishsky@topcon.com
Курынин Роман Валерьевич,
Топкон позишионинг системс, ведущий инженер-программист, Москва, Россия, RKurynin@topcon.com
Ключевые слова: приемник глобальных навигационных спутниковых систем, ФАП, совместное слежение за фазами сигналов, первичная обработка, вторичная обработка.
Предметом исследования являются системы синхронизации и системы оценки параметров движения приемника глобальных навигационных спутниковых систем (ГЛОНАСС, GPS, Galileo и др.). Рассматриваются системы синхронизации двух типов: традиционная - с раздельной синхронизацией по каждому навигационному сигналу - и альтернативная - с совместной синхронизацией всех этих сигналов. Последняя система называется CQLL (англ. coordinate-quartz locked loop, координатно-кварцевая петля). В CQLL имеются четыре общие петли (три координатных и одна кварцевая) и N индивидуальных петель - по числу синхронизируемых спутниковых сигналов. Общие петли предназначены для отслеживания сильно динамических общих воздействий (таких как движение приемника и флуктуации кварца, в частности, из-за тряски), а индивидуальные - для синхронизации менее интенсивных индивидуальных воздействий (ионосферные, тропосферные и другие воздействия).
Целью работы является выработка рекомендаций по выбору одной из систем указанных типов и выбору параметров этих систем в зависимости от условий функционирования. Предложена модификация существующей системы совместной синхронизации навигационных сигналов, приводящая к полной разгрузке индивидуальных петель от общих воздействий, что позволяет сделать полосы индивидуальных петель очень узкими (единицы Гц).
В работе проводились экспериментальные исследования на основе имитационного моделирования, в ходе которых было продемонстрировано преимущество предложенной модификации (системы CQLL с полной разгрузкой индивидуальных петель). Показано, что в допороговых областях системы раздельной и совместной (с учетом предложенной модификации) синхронизации обеспечивают одинаковые динамические и флуктуационные ошибки оценок позиции и скорости, если ширина полос общих петель совпадает с шириной полос систем раздельной синхронизации. Однако системы совместной синхронизации имеют меньшие флуктуационные ошибки слежения за фазами каждого из навигационных сигналов, что потенциально (при использовании узких полос индивидуальных петель) должно приводить к улучшению пороговых свойств таких систем.
Для цитирования:
Жодзишский М.И., Курынин Р.В. Исследование свойств систем раздельной и совместной фазовой синхронизации и оценки позиции и скорости движения приемников ГНСС // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2017. Том 11. №1. С. 45-50.
For citation:
Zhodzishsky M.I., Kurynin R.V. (2017). Study of separate and joint phase synchronization and estimation of position and velocity for GNSS receiver. T-Comm, vol. 11, no.1, рр. 45-50. (in Russian)
7T>
Введение
Приемники глобальных навигационных спутниковых систем (ГПСС) принимают и обрабатывают множество сигналов от навигационных спутников систем GPS (США), ГЛОНАСС (РФ) и др. Каждый из N сигналов обрабатывается в отдельном канале, при этом в каждом канале на этапе первичной обработки производится фазовая синхронизация и оценка неэнергетических (фаз и частот) и энергетических параметров принимаемого сигнала.
Совокупность этих оценок используется на этапе вторичной обработки для оценки параметров движения приемника - его скорости и положения. Для простоты далее будем рассматривать какую-либо одну ГНСС, например, только ГЛОНАСС или только GPS.
Будем рассматривать традиционный вариант, когда для синхронизации используются N независимых ФАП (т.н. режим раздельного слежения). На основе оценок частоты ¿f.
рассчитываются с использованием метода наименьших квадратов (МНК) оценки проекций скорости движения приемника (например, на оси геоцентрической системы координат у, г), а также оценка скорости дрейфа шкалы времени приемника (ШВП), Аналогично с помощью МНК на основе оценок фаз фс. (в предположении, что это однозначные фазы, которые можно получить после целочисленного разрешения неоднозначностей, см. гл. 21 в [1]) получают проекции базового вектора (ровер-база) на те же оси х, у, z и сдвиг ШВП относительно системного времени. Здесь намеренно использована предельно упрощенная схема вторичной обработки, которая, тем не менее, отражает влияние ошибок первичной обработки на ошибки вторичной обработки.
Также рассмотрим альтернативу традиционному варианту, заключающуюся в использовании совместного слежения за фазами всех N сигналов (т.н. Co-Op tracking, или просто Со-Ор, или CQLL - coordinate-quartz locked loop, координат] ю-кварцевая петля) [2-7].
Отметим, что в [2, 3J каждый период регулирования под действием управляющих сигналов z£,...z£v дискретно изменялись частоты NCO|.. .NCO^. При этом имеются скачки частоты, но нет скачков фазы NCO. Свойства цифровой следящей системы улучшаются, если каждый период регулирования дискретно перестраивать как частоту, так и фазу NCO (ем. п,7.3 в [1]). В дальнейшем будем рассматривать только такие системы (с частотно-фазовым управлением NCO). Каждый петлевой фильтр в них вырабатывает не один, а два управляющих сигнала: один - для управления частотой, другой - для управления фазой.
Обычно системы раздельного или совместного слежения сравнивают друг с другом по критериям первичной обработки (в частности, с точки зрения порогового потенциала слежения, динамических и флуктуационных ошибок слежения и оценок параметров сигнала, и т.п.) [8-11J,
Настоящая работа посвящена исследованию функционирования систем фазовой синхронизации с точки зрения вторичной обработки (измерения скорости и позиции) в разных режимах работы приемника.
В работе для конкретности рассматриваются системы ФАП с третьим порядком астатизма [1].
1. СОЫ. с раздельными и объединенными петлевыми фильтрами
В [2, 3] используются системы СОЬЬ с раздельными петлевыми фильтрами, которые схематично изображены на рис. 1. В таких системах существу ¡от как индивидуальные петлевые фильтры, так и петлевые фильтры общих петель.
ВХОДНОЙ смгмэл
Фазовые дискриминаторы
2
Индивид. Zsj zeíí
петлевой фильтр —- NCO
je[l, N]
L+ G
ru
Z¿L
gtL
ПФОПх
ПФ on у
ПФОПг
ПФ ОП q
cFZ**
city*
ctzf* н
cflZf.4
U1
Z«<
je[l,N]
Рис. 1. С()1Х с раздельными петлевыми фильтрами (а-ветвь)
Фазовые дискриминаторы индивидуальных петель на рисунке 1 вырабатывают сигналы дискриминаторов где
/ е [1, /V] - номер спутникового сигнала, г - номер периода регулирования длительностью Тс (чаще всего Т ~ 5 мс). Индивидуальный петлевой фильтр (ПФ) имеет такую же структуру, что и петлевой фильтр в независимых ФАП (см, раздел 8.1 в [I]), но, возможно, другую полосу, и, соответственно, другой набор коэффициентов (при 3-м порядке - аш, /?""', у""'). Этот фильтр вырабатывает управляющий сигнал индивидуальной петли 2*'.
Одновременно с индивидуальными петлями в Ср1Х имеются общие петли (ОП). Сначала сигналы дискриминаторов индивидуальных петель = преобразуются по формуле (1) ниже в сигналы дискриминаторов четырёх общих петель: трёх геометрических (координатных) — по осям л:, у, г геоцентрической системы координат, и четвёртой - по ШВП ц-с т ■
2''~е = (2?1; 2**\ 2''")т = С ■ 2***, (1)
где
в = (Нт Ж Н)-[ Нт-IV, (2)
Н - медленно меняющаяся матрица направляющих косинусов, дополненная единичным столбцом, IV-диагональная весовая матрица. Для всех индивидуальных петель коэффициенты петлевых фильтров аы, рш, у""' будем брать одинаковыми. Будем говорить, что при 3-ем порядке астатизма в каждой индивидуальной петле имеются три ветви - пропорциональная и две интегрирующие. Будем их называть а-, ¡3 — и ;е —ветвями, соответственно.
Далее к сигналу Х?"' = а"'1 • в а — ветви следует
прибавить корректирующий сигнал, сформированный пропорциональными (или а —) ветвями общих петель. Опишем формирование этого корректирующего сигнала. Сигналы дискриминаторов общих петель =
умножим на коэффициенты диагональной матрицы А = ау; а'; а") ■ В общем случае эти коэффициенты
не равны друг другу; в частном случае (которым далее мы и будем интересоваться) а* = ау — а~ = а" — а1,.
Спроецируем четырехмерный вектор
а" • 2?* = (ас ■ г?-х; аг ■ 2?*; ас ■ 2?*;ае ■ 2?Ч)Г на линии визирования спутников:
2Г" = (2Г1-■ Ш■ *)Т = И-■ ■ 2?' = с* ■ {Н■ ):= а"■ %■ (3)
В а —ветви для /-го спутника найдем сумму индивидуального и общего корректирующих сигналов:
2?Х4 = 2*'* + 2^ = аы - + 2р. (4)
Аналогично получим сигнал Х^'1"1 (заменив во всех формулах а на (3) и сигнал 2Г,^"1 (заменив а на у).
Итак, мы описали систему СОЬЬ с раздельными петлевыми фильтрами. При таком подходе интеграторы (накопители) индивидуальных нетель работают параллельно с интеграторами общих петель. Это приводит к явлению, которое мы называем «отсутствием внутренней устойчивости». Оно заключается в том, что возможно «ненаблюдаемое» перераспределение сигналов между индивидуальными и общими петлями. Это приводит к тому, что при длительной работе приемника с С'01_Х с раздельными петлевыми фильтрами иногда происходило переполнение некоторых накопителей. Для борьбы с эффектом переполнения накопителей был предложен переход от раздельных к объединенным петлевым фильтрам (ОПФ).
Поясним этот способ. Напомним, что рассматривается случай равенства коэффициентов для петлевых фильтров общих петель (например, а1 = ау = а2 = а4 =ас для а - ветви). Согласно (3) мы можем вынести коэффициент а' из матричного умножения. За счет этого можно модифицировать схему СОЬЬ, заменив раздельные петлевые фильтры на объединенные, так, как проиллюстрировано на рисунке 2. При этом отметим, что в системах С(11Х с объединенными петлевыми фильтрами сохраняются верными выражения (])- (4).
Вход кон сигнал
Фазовые дискриминаторы
ОПФ NCO
JetlN} -
Г
Zf'
G H
Zf*
ZfJ
- je&N]
Рис. 2. С01Х с объединенными петлевыми фильтрами (а-ветвь)
Выпишем итоговые формулы результирующих сигналов пропорциональной и двух интегрирующих ветвей в канале для /-ого спутника в случае системы С(}ЬЬ с объединенными петлевыми фильтрами:
щль/ _ аш, + ас. ?
= дМ . + рс. 2с,> _
= у""1 ■ + ус ■ ■
2. Полная разгрузка индивидуальных петель
В настоящей работе предлагается модификация системы CQLL — т.н. CQLL с полной разгрузкой индивидуальных петель (CQLL с ПРИП), в которой вместо (5) используются следующие выражения:
ZaX.j = аШ . {Zd.ind.j _ Zc.j ) + ас_ Zc.j t
zpx.j _ры.(zf^i - z;;)+p° ■ 2°,J, 2JXJ _ yM „ 2]-' )+yс. z;-y.
Такой подход рассчитан на то, чтобы производить обработку всех общих воздействий (маневров приемника, флуктуации кварцевого генератора) только общими, но не индивидуальными петлями, что позволяет сильно сужать шумовые полосы индивидуальных петель.
Ниже в экспериментальной части будет продемонстрировано преимущество предложенной модификации (6) перед исходной версией системы CQLL (5).
3. Имитационная модель
Для проведения экспериментальных исследований была разработана программная реализация имитационной модели, обладающая следующими свойствами. Данная модель позволяет задавать динамический сценарий движения приемника ГПСС в пространстве в течение относительно короткого интервала времени, полагая, что за это время геометрия созвездия спутников существенно не изменится. В модели использовалось созвездие из 15 спутников с матрицей направляющих косинусов, заполненной реальными данными.
Затем согласно заданному динамическому сценарию моделируется движение приемника ГНСС вдоль геоцентрической оси X с дискретным временным шагом в 1 мс. При этом аналитически рассчитываются мгновенные значения характеристик: позиции R , скорости v, ускорения а и производной ускорения ¿1, - которые в дальнейшем используются для оценки ошибок фазы, частоты и производной частоты. Кроме того, в модели рассчитываются усредненные за
1 мс значения аналогичных характеристик: R, v , à, à , -которые используются для расчета сигналов дискриминаторов. Напомним, что сигнал дискриминатора зависит от разности усредненных значений фазы входного сигнала и фазы опорного сигнала (или NCO) на периоде регулирования Тс.
Указанная программная модель позволяет проводить серии из M единичных экспериментов (например, М=1000), каждый из которых соответствует указанному динамическому сценарию. При этом модель собирает статистику по различным показателям и позволяет получать, например, значения оценок математического ожидания (МО) и средпе-к в ад рати1чес ко го отклонения (СКО) для указанных показателей как функции времени. В настоящей работе использовался динамический сценарий с маневром, описанный в [9], Моделировалось прямолинейное движение приемника ГПСС вдоль геоцентрической оси X, с радиальным ускорением a(t), описываемым законом, приведенным на рис. 3.
На этом рисунке ta и /■; — начало И конец времени наблюдения; [/ ; / ] и \t};tA] - участки маневров (соответственно,
линейное возрастание и уменьш^дуе ускорения); [î(;î,] -
участок покоя; [г2;г3] - участок равноускоренного движения,
a [¿4;/5] - участок равномерного движения.
T-Comm Vol. 11. #1-2017
У
Ф
Таблица 2
СКО ошибок систем СОЫ.
Из таблицы I видно, что приблизительно равные динамические ошибки позиционирования имеют системы С2 и СЗ, а по скорости-С1 и СЗ.
Для каждой из указанных систем были проведены серии экспериментов (М=100), результаты приведены в табл. 2. Для удобства проведения сравнительного анализа порядок следования систем изменен, серым выделены ячейки сравниваемых систем по каждому из указанных критериев.
Выравнивание динамических ошибок и по позиции, и по скорости проводилось для С'01Х без ПРИП е параметрами Вс=В""-25 Гц. Будем считать ее опорной системой. Такие же динамические ошибки по позиции обеспечивает СОЬЬ с ПРИП с В"=33 Гц, при этом СКО ошибок оценок позиции в ней меньше на (17-20%). В ЭТОМ случае динамические ошибки по скорости будут меньше в 1,78 раза в СОЬЬ с ПРИП, см. табл. 1.
§ t1 гг ^ и г; г
Рис. 3, Динамический сценарий (с маневром)
В экспериментах использовался указанный динамический сценарий со следующими параметрами: = 0 с; ( = 2 с;
гг = з с; ¡3 =4с; /4 = 5 с; = б с; отм = 100 м/с2 (рост и уменьшение ускорения со скоростью 100 м/с").
4, СравнениеСС>ЬЬ с ПРИП и С(}1Х без ПРИП
В настоящем разделе проводится сравнительный анализ систем С(ДХ с ПРИП (6) с СС|1Х без ПРИП (5) по следующей методике. Критерием сравнения будут выступать значения шумовых ошибок: А) по позиции; Ь) по скорости, — при выравнивании динамических ошибок, соответственно, по позиции или по скорости. Для этого были проведены исследования по подбору параметров систем СС>ЬЬ с/без ПРИП для выравнивания динамических ошибок в озвученных выше группах А) и Б) (по позиции и по скорости). Параметры систем и свойственные им динамические ошибки приведены в табл. 1.
Таблица 1
Параметры систем СОЬЬ с выровненными динамическими ошибками
СКО ошибок оценок С1 СЗ С2
Ось СОЬЬ с ПРИП. С01-Ь без ПРИП, С01Хс ПРИП. Вс=33 Гц
Вс=25 Гц Вс=25 Гц, Вш<1=25 Гц
позиции, мм X 0,44 0,61 0,51
У 0,55 0,75 0,64
2 0,37 0,5! 0,43
Я 0,50 0,68 0,58
скорости, см/с X 1,33 2,01 2,11
V 1.66 2,48 2,62
г 1,12 1,67 1,75
Я 1,50 2,25 2,38
№ сои, В10", Гц В', Гц Дин. ошибка поз. X, мм Дин. ошибка скор. X, см/с
С1 с ПРИП не важно (например, 5) 25 4,24 31,0
С2 33 1,73 17,4
СЗ без ПРИП 25 25 1,72 31,0
Правда, СКО ошибок оценок скорости в С01Х с ПРИП при этом больше на -5%, чем без ПРИП, но это СКО намного меньше динамической ошибки. Видим явное преимущество СОП. е ПРИП по сравнению е С'ОЬЬ без ПРИП для оценки позиции.
Затем начали выравнивать динамические ошибки по скорости при той же опорной СОЬЬ без ПРИП (В1'=В1п<)=25 Гц). Той же динамической ошибкой по скорости обладает с ПРИП с Ви = 25 Гц. В этом случае выигрыш в СКО по скорости в СОЬЬ с ПРИП примерно в 1,5 раза по всем координатам.
При этом проигрыш в динамической ошибке по позиции в 2,46 раза, см. табл. 1, а по СКО ошибок оценок позиции - выигрыш в СОИ, с ПРИП примерно на 36-38%; однако, это СКО намного меньше динамической ошибки. Правда, в рассматриваемом динамическом сценарии все ошибки по позиции очень малые даже с точки зрения ЯТК.
В отличие от этого, динамические ошибки по скорости во время маневра существенны. Как сказано выше, можно выровнять динамические ошибки по скорости в системах С(21Х с и без ПРИП, при этом СКО ошибок оценок скорости будет меньше в СОЬЬ с ПРИП. Итак, можно сделать вывод о преимуществе С01Х с ПРИП над СОЬЬ без ПРИП, поэтому в дальнейших исследованиях будем использовать СОЬЬс ПРИП.
5. Сравнение динамических и флуктуационных ошибок оценок позиции и скорости при раздельной и совместной фазовой синхронизации в линейном режиме
В этом пункте оценим ошибки измерения положения и скорости приемника для систем независимых ФАП и систем СОЬЬсПРИП,
Сначала для указанного выше динамического сценария но М=100 единичным экспериментам оценили флуктуаци-онные и максимальные динамические ошибки для систем независимых ФАП.
В проведенных экспериментах СКО ошибок позиционирования и оценки скорости не зависят от динамики, откуда следует, что системы работают в линейном режиме. СКО флуктуационных ошибок позиционирования и оценки скорости приведены в табл. 3, а значения максимальных динамических ошибок приведены в табл. 4.
Т-Сотт Том 11. #1-20 17
У
Таблица 3
СКО ошибок позиционирования и опенки скорости (независимые ФАП, М=100)
Таблица 4
Максимальные динамические ошибки (независимые ФАП, М=1(И))
Таблица 5
СКО ошибок слежения, созвездие из 15 спутников (М=100)
СКО В1'1Гц X У 7. Я
Позиции [мм] 25 0,44 0,55 0.37 0,50
50 0,65 0,81 0,55 0,74
Скорости [см/с] 25 1,33 1,66 !,12 1,50
50 4,15 5,17 3,50 4,67
После этого по той же методике оценили максимальные динамические и флуктуационные ошибки оценок позиции и скорости для систем СОIX с ПРИП.
Эксперименты показали, что значения этих ошибок получились точно такие же, как и приведенные в табл. 3 и 4 для случая систем независимых ФАП, при условии, что полосы общих петель В" были равны полосам В111 независимых ФАП, при этом значения ширины полос индивидуальных петель В1"1' были неважны (вследствие ПРИП).
6. Сравнение флуктуации иных ошибок слежения за фазами сигналов при раздельной и совместной фаю вой синхронизации в линейном режиме
Сравнительный анализ флуктуанионных ошибок слежения за фазами сигналов проводился в условиях наличия большого и малого числа спутников. Для этого использовалось описанное выше созвездие из 15 спутников, а в экспериментах с малым числом спутников использовались первые 7 спутников из него. Проводились серии по М=100 единичных экспериментов по описанному выше динамическому сценарию.
Исследовались свойства следующих систем:
- Система независимых ФАП, В1'1 =25 Гц.
- Система С<31Х с ПРИП, Вы= 2,5 Гц, Вс=25 Гц.
- Система СрЬЬ с ПРИП, В|п<!= 1 Гц, В'=25 Гц.
В таблицах 5 и 6 приведены результаты экспериментальных исследований для созвездий, соответственно, из 15 и 7 спутников.
Таблицы содержат сведения об энергетических потенциалах сигналов используемых спутников, оценках СКО ошибок слежения по каждому спутнику, а также рассчитанные оценки выигрыша в точности систем С'ОЬЬ с ПРИП перед системами независимых ФАП (в дБ, вычисляемые по формуле 20В приведенных таблицах серым выделены спутники с низкими энергетическими потенциалами. И для них флукта-циоииые ошибки слежения за фазами явно меньше в системах СОЬЬ с ПРИП по сравнению с системами с независимыми ФАП. Выигрыш тем больше, чем уже используемая полоса индивидуальных петель В""!.
Вш', Гц Максимальная динамическая ошибка
Позиция, мм Скорость, см/с
25 Гц 4,24 31,0
50 Гц 0.43 7,13
СКО ошибки слежения за фазами сигналов, [циклы] Выигрыш в ТОЧНОСТИ слежения, дБ
№ спутника дБ. Гц Независимые ФАП, Ври_=25 Гц СЧ)1Х с ПРИП, В"- 2$ Гц, В*=25 Гц сои. с ПРИП, 1 Гц, В~=23 Гц сон. с ПРИП, В"и= 2,5 Гц, В'"=25 Гц С01Хс ПРИП, В""'= 1 Гц, В'=2 5 Гц
1 50 0,002641 0,002147 0,0021 1,79872714 1.99098213
2 44 0,005299 0,002407 0,002086 6,85435658 8,09759231
3 42 0,00667 0,002957 0.002556 7,06549019 8.33129969
4 50 0.002649 0,001456 0,001344 5,19841167 5,89365379
5 42 0.006644 0,003202 0,002862 6,34016592 7,31519т
6 44 0,005288 0,002524 0,002253 6,42404192 7.4106051
7 53 0.001879 0,001262 0.00122 3,4573485 3.75133899
8 45 0,004719 0,002385 0,002161 5,92723188 6.78390421
9 46 0,004193 0,00224 0.002065 5,44553688 6,15209613
10 45 0,0047 0.002036 0,001717 7,26640169 8,74655126
11 54 0,001676 0,001397 0,001378 1,58155216 1.70049593
12 42 0,006673 0,003412 0,003128 5,82624205 6.58108761
13 51 0,002359 0,001355 0,001261 4,81577291 5,44025709
14 45 0,004723 0,002505 0,0023 5,50820431 6.24980219
15 54 0,001675 0,001152 0,0011! 3,25124665 3,57383665
Таблица 6
СКО ошибок слежения, созвездие из 7 спутников (М=100)
СКО ошибки слежения ча фазами сигналов, [циклы] Выигрыш в точности слежений, дБ
№ спутника дБ. Гц Независимые ФДМ, Вгчх= 25 Гн сои. с ПРИП, ц™>= 2,5 Гц, В!=25 Гц согь с ПРИП, Вм= 1 Гц, В*=25 Гц СОЬЬ с ПРИП, В""- 2,5 Гц. В'=25 Ги С'01-1- с ПРИП, 1 Гц, В^25 Гц
1 50 0,002662 0,002338 0.002309 1,12727089 1.23568236
2 44 0,005306 0,00313 0,002931 4,58445816 5.15502854
3 42 0,006673 0,003338 0.003023 6,01669585 6.87765955
4 50 0,00265 0,00222 0,002185 1,53785799 1.67588865
5 42 0,006671 0.00475 0,004638 2,94994662 3.15720393
6 44 0,005274 0,004603 0,004606 1,18198301 1.17632384
7 53 0,001876 0,001822 0.001816 0,25368923 0.2823398
Заключение
В допороговых областях системы с независимыми ФАП и системы СО^Ь с ПРИП обеспечивают одинаковые динамические и флуктуационные ошибки оценок позиции и скорости, если ширина полос общих петель совпадает с шириной полос в системе независимых ФАП. Однако системы СрП. с ПРИП имеют меньшие флуктуационные ошибки слежения за фазами сигналов в канатах, что потенциально (при использовании узких полос индивидуальных петель) должно приводить к улучшению пороговых свойств таких систем (количественные оценки этого улучшения планируется получить в дальнейшей работе).
Т-Сотт Уо1.11. #1-2017
Литература
!. Борискин А.Д., Вей цель A.B., Вейцел В.А.. Жодзишский М.И., Милютин Д.С. Аппаратура высокоточного позиционирования но сигналам глобальных навигационных спутниковых систем: приемники-потребители навигационной информации // Под ред. М.И. Жодзишского. М.: Изд-во МАИ-ПРИ1 IT. 2010. 292 с.
2. Zhodzishshsky М., Ashjaee J. "Joint Tracking of the Carrier Phase of the Signals Received from Different Satellit'. Patent № US 6,313,789 B1 Nov. 6, 2001.
3. Zhodzishshsky M., Yudanov S., Veitsel V., Ashjaee J. "Co-Op Tracking for Carrier'Phase". ION GPS-98. Sept. 15-18, 1998.
4. Вейцель А., Жодзишский М.И.. Белоглазое В В.. Вейцель В.А. Публикация: W02010074605 AI от 1 июля 20)0 г.
5. Вейцель А.. Жодзишский М.И. Белоглазое В В., Никитин Д. Заявка № PCT/RU2013/00031! от И апреля 2013. Публикация 16 октября 2014 № W02014168504 АI.
6. Вейцель A.B., Вейцель В.А.. Татарников Д.В. Аппаратура высокоточною позиционировании по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем: Высокоточные антенны. Специальные
методы повышения точности позиционирования // Под ред. М.И. Жодзишского. М.: Изд-во МАИ-ПРИПТ. 2010. 368 с.
7. ГЛОНАСС, Принципы построения н функционировании // Под ред. Перова А.И. и Харисова В.Н. М.: Изд. Радиотехника, 2010, 800 с.
8. Жодзишский М.И,. Жодзишский Д.М. Современные системы фазовой (временной) синхронизации и оценки не энергетических параметров сигналов в GPS/TJIOHACC приемниках // Сборник докладов международною научно-технического семинара «Син-хроинфо 2013». Ярославль. 2013.
9. Жодзишский М.И., Жодзишский Д.М,, Прасолов В.А. Оценка неэнергетических параметров гармонического сигнала I/ Вестник Яр-ГУ. 2013. №3. С. 15-24.
10. Жодзишский М.ff., Вейцель В.А. Измерение энергетических потенпиалов в спутниковых каналах навигационного приемника // Вестник Яр-ГУ. 2014. №4. С. 21-28.
11. Жодзишский Д. М., Жодзишский М.И. Системы адаптивной фазовой автоподстройки и оценки неэнергетических параметров сигнала // Успехи современной радиоэлектроники. М.: Радиотехника. 2015. № 2. С. 56-63,
STUDY OF SEPARATE AND JOINT PHASE SYNCHRONIZATION AND ESTIMATION OF POSITION AND VELOCITY FOR GNSS RECEIVER
Mark I. Zhodzishsky, Mooscow, Russia, MZhodzishsky@topcon.com Roman V. Kurynin, Mooscow, Russia, RKurynin@topcon.com
Abstract
A subject of the study are systems of synchronization and motion parameters estimation for global positioning satellite systems (GLONASS, GPS, Galileo and others) receivers. Two synchronization systems are considered in the paper: a traditionally used system with separate synchronization in each navigation channel and an alternative one - with joint synchronization of all the signals. The latter system is called CQLL (coordinate-quartz locked loop). There are four common loops in the CQLL (three coordinate loops and one quartz loop) and N individual loops in accordance with the number of synchronized satellite signals. The common loops are designed for tracking general highly dynamic impacts (such as receiver motion and quartz fluctuation, especially due to shaking), while individual loops - for synchronizing less intensive individual effects (ionosphere, troposphere and some other effects). The aim of this study is to develop recommendations on selecting one of the systems and system parameters depending on environment conditions. A modification of the existing joint synchronization system has been proposed in the paper which leads to full unloading of individual loops from the general effects enabling bandwidths of the individual loops to be very narrow (units of Hz). Experiments based on simulation modeling have been performed, which demonstrated the benefit of the proposed modified system (CQLL system with full unloading of individual loops). It has been shown that within pre-threshold regions both separate and modified joint synchronization systems provide the same dynamic and fluctuation errors for position and velocity estimates if the bandwidth of common loops matches that of the separate synchronization system. However, the joint synchronization system typically has smaller fluctuation errors for tracking phases of each navigation signals which eventually should improve threshold properties of such systems (when narrow bandwidths of individual loops are employed).
Keywords: global navigation satellite systems receiver, PLL, co-op tracking, coordiate-quartz locked loop, CQLL, primary processing, secondary processing. References
1. Boriskin A.D., Veitsel A.V., Veitsel V.A., Zhodzishsky M.I., Milutin D.S. (2010). The equipment of high-precision positioning by signals of global navigation satellite systems: receivers-consumers of navigation information. Moscow: MAI-PRINT Publ. 292 p. (in Russian)
2. Zhodzishshsky M., Ashjaee J. (2001). Joint Tracking of the Carrier Phase of the Signals Received from Different Satellit'. Patent № US 6,313,789 Bl Nov. 6, 2001.
3. Zhodzishshsky M., Yudanov S., Veitsel V., Ashjaee J. (1998). Co-Op Tracking for Carrier Phase, ION GPS-98. Sept. 15-18, 1998.
4. Veitsel A., Zhodzishsky M.I., Beloglazov V.V., Veitsel V.A. (2010). W020I0074605 Al, July 1, 2010. (in Russian)
5. Veitsel A., Zhodzishsky M.I., Beloglazov V.V., Nikitin D. (2013). RST/ RU20I3/0003II, April II, 2013. Publ. W020I4I68504 Al, Oct 16, 2014. (in Russian)
6. Veitsel A.V., Veitsel V.A., Tatarnikov D.V. (20I0). The equipment of high-precision positioning by signals of global navigation satellite systems: precision antennas. Special methods for improving the accuracy of positioning. Moscow: MAI-PRINT Publ. 368 p. (in Russian)
7. Perov A.I., Kharisov V.N. (20I0). GLONASS. The principles of construction and operation. Moscow: Radiotekhnika Publ., 800 p. (in Russian)
8. Zhodzishshsky M.I., Zhodzishshsky D.M. (20I3). Modern systems of the phase (time) synchronization and estimation of non-energy parameters of signals in GPS/GLONASS receivers. In proc. of International conference "SynchroInfo-20I3", Yaroslavl, Russia. (in Russian)
9. Zhodzishshsky M.I., Zhodzishshsky D.M., Prasolov V.A. (20I3). Evaluation of non-energy parameters of a harmonic signal. Vestnik Yar-GU, vol. 3, pp. I5-24.
10. Zhodzishsky M.I., Veitsel V.A. (20I4). Measurement of energy potentials in the satellite navigation receiver channels. Vestnik Yar-GU, vol. 4, pp.2I-28. (in Russian)
11. Zhodzishshsky D.M., Zhodzishshsky M.I. (20I5). Systems of adaptive phase locked loop and evaluation of non-energy signal options. Uspekhi sovre-mennoi radioelektroniki. Radiotekhnika, vol. 2, pp. 56-63. (in Russian)
Information about authors
Mark I. Zhodzishsky, MAI, prof., Ph.D., Topcon Positioning System, LLC, R&D director, Mooscow, Russia Roman V. Kurynin, Topcon Positioning System, LLC, senior programmer engineer, Mooscow, Russia
7T>
