CC BY
11РАДИОЭЛЕКТРОНИКА
DOI: 10.17725/rensit.2022.14.011
Локальное местоопределение приемника связи и проблема
многолучевости в сложных условиях Серкин Ф. Б.
Московский авиационный институт, https://mai.ru/ Москва 125993, Российская Федерация E-mail: serkinfb@list.ru
Поступила 25.09.2021, рецензирована 11.10.2021, принята 25.10.2021 Представлена действительным членом РАЕН В.В. Колесовым
Аннотация: В условиях, когда сигналы спутниковых навигационных систем недоступны или искажены, задача местоопределения приемника решается локальной системой его местоопределения с интегрированным каналом передачи данных. При работе такой системы в сложных условиях возникает множество многолучевых сигналов, сильно искажающих измерения, на основе которых вычисляются координаты приемника, точность которых существенно может быть повышена введением избыточности измерений путем использования свойств отражения сигналов и увеличением каналов слежения на приемнике. В данной статье, опираясь на известные теоретические эффекты, предложена методика создания и использования избыточности измерений оценки полных фаз, а также разности приращений полных фаз сигналов передатчиков систем локального местоопределения. Предложен алгоритм оценки интенсивности относительного ускорения подвижного объекта, позволяющий с использованием порогового метода производить переключение между каналами приемника в моменты, когда фиксируются аномальные скачки, характерные для влияния многолучевого канала распространения сигналов. Также предложен алгоритм сглаживания переходов между антеннами, использующий кубическую интерполяцию сплайнами. Полученные методы и алгоритмы, использующие две приемные антенны с единым фазовым центром, позволяют исключить из оценок относительной скорости подвижного объекта порядка 80% скачков, вызванных эффектами многолучевости, а также дают базу для разработки более совершенных методов использования избыточности и дальнейших исследований в данной области.
Ключевые слова: радиоприемные схемы, координаты приемника, фазы сигналов передатчиков, аномальные скачки многолучевого канала распространения сигналов, каналы приемника, кубическая интерполяция сплайнов
УДК 621.396.621
/Для цитирования: Серкин Ф.Б. Локальное местоопределение приемника связи и проблема многолучевости в сложных условиях. РЭНСИТ: Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии, 2022, 14(1)11-20. DOI: 10.17725/rensit.2022.14.011._
Local positioning of the communication receiver and the
problem of multipath in difficult conditions
Fedor B. Serkin
Moscow Aviation Institute, https://mai.ru/ Moscow 125993, Russian Federation E-mail: serkinfb@list.ru
Received September 25, 2022, peer-reviewed October 05, 2022, accepted October 12, 2022
Abstract: In conditions when the signals of satellite navigation systems are unavailable or distorted, the receiver positioning task could be solved by local positioning system with an integrated data
СЕРКИН Ф.Б.
РАДИОЭЛЕКТРОНИКА
transmission channel. However, when such a system operates in various environments, a lot of multipath signals might appear, which strongly distort delay and phase measurements, on the basis of which the receiver coordinates are calculated. The accuracy of measurements can be significantly increased by introducing measurement redundancy by using the signal reflection properties and increasing the tracking channels on the receiver. In this article, a technique is proposed for creating and using the redundancy of phase measurements, as well as the phase derivatives differences of the local positioning system signals. This technique is based on the effects of signal reflection. An algorithm is proposed for estimating the intensity of the relative acceleration of a moving object, which makes it possible, using the threshold method, to switch between receiver channels at the moments when abnormal spikes appears because of the influence of a multipath signal propagation channel. An algorithm for smoothing transitions between antennas is also proposed using cubic spline interpolation. The obtained methods and algorithms, using two receiving antennas with a single phase center, make it possible to exclude about 80% of spikes caused by multipath effects from estimates of the relative velocity of a moving object, and also provide a basis for developing more advanced methods for using redundancy and further research in this area. Keywords: radio receiving circuits, receiver coordinates, transmitter signal phases, anomalous jumps in a multipath signal propagation channel, receiver channels, cubic spline interpolation UDC 621.396.621
For citation: Fedor B Serkin. Local positioning of the communication receiver and the problem of multipath in difficult conditions. RENSIT: Radioelectronics. Nanosystems. Information technologies, 2022,
14(1):11-20. DOI: 10.17725/rensit.2022.14.011._
Содержание
1. Введение (12)
2. Проблема многолучевости при работе лСм (13)
3. основные теоретические аспекты лСм с избыточностью измерений (14)
3.1. разнесение по поляризации (14)
3.2. Разнесение по частоте (16)
4. математическое описание механизма переключения между каналами (16)
5. Эксперименты и имитационное моделирование (18)
6. Заключение (19) литература (19)
1. ВВЕДЕНИЕ
Решение задачи местоопределения в условиях, когда сигналы спутниковых навигационных систем недоступны или
искажены, является актуальной задачей в настоящее время. Как правило, в таких случаях на определенной местности или в помещении разворачивается локальная система местоопределения (ЛСМ) [1]. Однако, при работе такой системы в помещениях, карьере, или иных сложных условиях, возникает множество многолучевых сигналов, сильно искажающих измерения, на основе которых вычисляются координаты приемника. В работе [1] показано, что введение избыточности в систему позволяет существенно повысить точность местоопределения. В данной статье более подробно описывается метод использования избыточности, реализованный в работе [1], а также предлагается новый более эффективный метод и анализируются его характеристики на основе записей работы ЛСМ в ангаре.
РАДИОЭЛЕКТРОНИКА
2. ПРОБЛЕМА МНОГОЛУЧЕВОСТИ ПРИ РАБОТЕ ЛСМ
Как правило, алгоритм работы приемника в ЛСМ делится на два этапа:
1. Вначале объект должен оставаться неподвижным некоторое время для оценки текущего местоположения. Либо возможна установка объекта в точку с известными координатами. Данная точка считается начальной.
2. Далее приемник реализует слежение за фазой сигналов передатчиков ЛСМ, по которой возможно вычислять изменение координат объекта. Как правило, для реализации данной задачи используется разностно-дальномерный метод местоопределения. Более подробно особенности построения и функционирования ЛСМ описаны в работе [1].
Первый этап является отдельной задачей исследования, потому в настоящий момент сконцентрируем внимание на втором этапе. При реализации данного этапа часто возникает ситуация, когда на входе приемника помимо прямого сигнала некоторого передатчика возникает множество переотраженных сигналов, сильно искажающих оценку фазы прямого сигнала. При этом, как правило, отражения сигнала происходят от предметов самой различной формы и размера, имеющих сложные характеристики отражения, что делает затруднительным аналитический синтез алгоритмов борьбы с эффектами, которые вызывают отраженные сигналы в петле фазовой автоподстройки (ФАП) и системе слежения за задержкой (ССЗ). Поэтому основными методами исследования в работе являются эксперименты в реальных условиях и имитационное моделирование на основе записей, полученных во время экспериментов.
Рассмотрим далее два основных тезиса, идущих в основу предлагаемой методики борьбы с многолучевостью в ЛСМ.
Во-первых, опираясь на работы [2-5], можно с уверенностью судить о том, что при падении сигнала с ограниченной полосой на предмет сложной формы, гармоники отраженного сигнала имеют иные частоты, фазы, амплитуды и поляризацию, нежели гармоники в прямом сигнале, и зависеть эти параметры будут от характеристик предмета и свойств самого сигнала.
Во-вторых, известно, что существует три вида разнесения, используемых для повышения качества работы систем связи в сложных условиях [6-9]: по частоте, по времени и в пространстве (или по поляризации). Таким образом, используя свойства отражения сигналов, а также несколько вариантов разнесения на передатчике ЛСМ, возможно увеличивать порядок избыточности измерений на приемнике.
Например, в простейшем случае формируется один сигнал с одной антенны передатчика. Тогда для его приема используется один канал слежения в приемнике. С использованием двух антенн на передатчике, а также излучая на двух частотах на каждой из них, можно получить уже 4 независимых канала слежения на приемнике для одного передатчика. При этом можно пойти дальше и реализовать разнесенный прием и на приемнике, установив две независимые антенны.
Таким образом, количество
задействованных каналов, работающих независимо по входным сигналам, увеличится до 8, что является уже достаточно большим порядком избыточности.
Рассмотрим далее более подробно основные теоретические особенности сигналов в подобных условиях.
СЕРКИН Ф.Б.
РАДИОЭЛЕКТРОНИКА
3. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЛСМ С ИЗБЫТОЧНОСТЬЮ ИЗМЕРЕНИЙ
Как правило, внутри помещений или на местности, содержащей множество различных конструкций, количество отраженных сигналов на входе приемной антенны исчисляется десятками [10]. Для общего понимания процессов, происходящих с результирующим сигналом на входе антенны, вначале обратимся к упрощенной модели, когда в эфире помимо прямого сигнала присутствует один отраженный сигнал (Рис. 1). На рисунке изображена реализация ЛСМ, содержащей N передатчиков, функционирующих с временным разделением. В заданный временной слот начинает излучение сигнала передатчик Tx 1. Сигнал, приходящий на антенну приемника Rx назовем прямым сигналом (LOS — Line-of-Sight) А, который в наибольшей степени подвергается только затуханию при распространении в пространстве и несет в себе полезную информацию о фазе, которую необходимо использовать для местоопределения. Помимо сигнала А, на вход приемника Rx также поступает отраженный сигнал B, появившийся вследствие падения сигнала передатчика Tx 1 на поверхность сложной формы или иначе — цель.
Рис. 2.
отраженного сигнала В на петли ФАП.
Рис. 1. Упрощенная модель отражения сигнала.
При рассмотрении векторной
диаграммы принятых сигналов, можно видеть, что отраженный сигнал В имеет иную фазу и амплитуду, нежели прямой сигнал А, что вызывает искажение результирующего сигнала С. В результате данного эффекта дискриминатор петли ФАП [1] сформирует на выходе сигнал ошибки Дф (Рис. 2). Таким образом, в петле появится динамическая ошибка слежения, и измерения будут искажены. Рассмотрим далее методы разнесения, применимые для ЛСМ, функционирующей с временным разделением сигналов передатчиков. 3.1 Разнесение по поляризации Обратимся к механизму формирования отраженного сигнала. В книге [5] вводится понятие собственной поляризации цели. При облучении цели волной, поляризация которой совпадает с одной из собственных поляризаций цели, форма и ориентация в пространстве эллипса поляризации рассеянной волны будут совпадать с соответствующими параметрами облучающей волны. При этом направления вращения векторов поля будут противоположными при наблюдении
РАДИОЭЛЕКТРОНИКА
обеих волн со стороны цели или антенны и совпадающими при наблюдении по нормали к фронту каждой волны. Если один из модулей коэффициентов отражения для собственных поляризаций больше другого, то он и определяет поляризацию, при которой величина плотности потока мощности отраженной волны будет максимальна. Возможен случай, когда поляризация волны не совпадает ни с одной из собственных поляризаций цели. Тогда в собственном базисе цели любая волна может быть разложена по собственным поляризациям. Собственный базис цели обладает тем преимуществом, что с его помощью можно наиболее просто представить преобразование поляризации приотраженииволныотцели.Такимобразом, действие матрицы рассеяния в собственном базисе эквивалентно умножению каждой из компонент облучающей волны на некоторый комплексный множитель [5]. Можно говорить, что оператор рассеяния цели осуществляет усиление или ослабление компонент, совпадающих с собственными поляризациями цели, причем коэффициенты усиления или ослабления в общем случае комплексны и различны для различных ортов собственного базиса цели. После сложения усиленные или ослабленные компоненты, параллельные ортам собственного базиса, дают в сумме комплексный вектор отраженной волны, отличающийся от комплексного вектора облучающей волны.
Из вышеизложенного можно сделать важный с практической точки зрения вывод: при излучении сигналов с двух антенн различной поляризации, отраженные сигналы также будут иметь различную поляризацию и окажут разное влияние на результирующий сигнал на входе приемника (Рис. 3). Можно видеть, что возможны ситуации, когда отраженный сигнал антенны 1 оказывает гораздо большее влияние на
Рис. 3. Результирующие сигналы при излучении с антенн разной поляризации.
работу дискриминатора петли ФАП, нежели отраженный сигнал антенны 2. Однако, следует отметить, что поведение данных сигналов главным образом будет определяться предметами, от которых отражаются сигналы ЛСМ, и в различных помещениях поведение сигналов будет также различно.
Далее представим, что приемник движется с некоторой скоростью, а цели представляют собой предметы сложной формы. В таком случае характеристики отражения будет постоянно меняться: новые отраженные сигналы будут появляться, старые — пропадать. При этом, поскольку отражения будут происходить каждый раз от разных упрощенных целей, то и собственные базисы этих целей будут различны, и, как следствие, влияние на результирующий сигнал будет также каждый раз различно.
Далее следует сделать важное замечание. Очевидно, что если при подобном поведении отраженных сигналов их влияние на результирующие сигналы окажется некоррелированным между собой, то с использованием некоторого механизма переключения между сигналами, приходящими с различных антенн передатчика,можно минимизировать влияние многолучевости. Однако, в реальности величина корреляции будет определяться характеристиками конкретных целей или предметов, находящихся в помещении.
Л с
16 СЕРКИН Ф.Б.
РАДИОЭЛЕКТРОНИКА
т.
Рис. 4. Прием сигналов на две независимые антенны с единым фазовым центром.
Очевидно, что из вышеизложенного можно сделать ещё один практически значимый вывод: данный механизм использования поляризации применим и к приемнику. Предположим, что сигнал с передатчика излучается с одной антенны, а принимается независимо на две приемные антенны с единым фазовым центром (Рис 4).
Поскольку антенны передатчика и приемника при рассмотрении в едином базисе не всегда имеют одинаковую поляризацию, т.к. приемник может двигаться по любым траекториям, в том числе и по наклонным. В таком случае на приемные антенны будет приходить один отраженный сигнал с некоторой искаженной относительно передатчика поляризацией. В таком случае также не сложно видеть, что его влияние на приемники, подключенные к антеннам разной поляризации также окажется различным и будет подчиняться тем же законам, что описаны выше для целей. 3.2 Разнесение по частоте Выше механизмы отражения
сигналов рассматривались на основе радиолокационного подхода. Метод разнесения по частоте удобно описывать при помощи характерного для систем беспроводной передачи информации анализа характеристик канала
распространения. Известно [6], что канал распространения сигнала имеет некоторый интервал корреляции по частоте, определяющийся характером движения объекта, а также набором отражающих объектов, генерирующих отраженные сигналы. Очевидно, что разнесение сигналов передатчика по частоте на значения, большие интервала корреляции позволят с использованием некоторого механизма переключения между сигналами минимизировать влияние многолучевости.
Для пояснения данного механизма для двух моментов времени и /2, таких, что (/2 — /1) > где & — интервал корреляции частотной характеристики канала по времени, ниже приведены оценки частотной характеристики канала, а также относительно неё изображены спектры излучаемых сигналов (Рис. 5). Красным на рисунке отмечен сигнал, оценка фазы несущей частоты которого используется для местоопределения. Можно видеть, что в момент времени /1 провал частотной характеристики канала приходится на сигнал на частоте /1, при этом сигнал на /2 практически не искажён. В момент времени /2 изображена обратная ситуация.
LPS signals Channel
Рис. 5. Использование частотного разнесения для борьбы с многолучевостью в ЛСМ.
РАДИОЭЛЕКТРОНИКА
Рис. 6. Иллюстрация функционирования ЛСМ.
4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ МЕХАНИЗМА ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ МЕЖДУ КАНАЛАМИ
При реализации механизма переключения между каналами с практической точки зрения оказывается не важно, каким именно методом реализована избыточность. Рассмотрим алгоритм переключения между каналами для случая, когда приемник в ЛСМ функционирует на втором этапе работы, а именно, определяет приращение локальных координат. В данном случае для реализации разностно-дальномерного метода необходимо вычислить оценки разности приращений полных фаз координат для трех пар передатчиков ЛСМ. Предположим, что избыточность
Рис. 7. Векторные диаграммы результирующих сигналов.
реализована с помощью разнесения по поляризации в приемнике.
На Рис. 6 можно видеть, как сигналы, излученные передатчиками Тх 1 и Тх 3 отразились от поверхности сложной формы и поступили на антенны приемника Rx.
На Рис. 7 показаны векторные диаграммы результирующих сигналов на различных приемных антеннах. Можно видеть, что влияние на петлю ФАП различно, при этом на антенне 2 оно заметно меньше, чем на антенне 1.
На Рис. 8 изображена схема алгоритма работы для одной разности приращений фазы несущей частоты сигналов пары передатчиков. Результирующие сигналы М и С поступают на входы корреляционных приемников этих сигналов. Данные приемники по итогам работы выдают оценки полной фазы
Рис. 8. Алгоритм переключения между каналами для расчета приращений локальных координат приемника.
СЕРКИН Ф.Б.
РАДИОЭЛЕКТРОНИКА
сигналов А и D. Далее в блоках и вычисляется приращение данных оценок и разность между ними. Таким образом, получена разность приращений оценок полных фаз сигналов передатчиков А и D для антенны 1. Аналогичным образом вычисляется разность приращений оценок полных фаз сигналов передатчиков А и D для антенны 2. Данные разности затем пересчитываются в оценки относительных скоростей v1 и v2 в блоках и соответственно.
По данным значениям вычисляется приращение, которое является оценкой относительного ускорения, а затем, возводя полученные значения в квадрат, можно получить оценки интенсивности относительного ускорения для антенн 1 и 2 соответственно. Исходя из допустимой динамики движения объекта далее возможно выставить порог для решающего устройства, которое при превышении оценки интенсивности относительного ускорения осуществляет переключение между антеннами, формируя решение для блока выбора оценки. Приращения фаз между антеннами могут вести себя различным образом, вызывая скачки в моменты переключения между антеннами. Для борьбы с этим при переходах между антеннами может использоваться корректирующий алгоритм, например, кубическая интерполяция 3-го порядка. Полином для подобной интерполяции может быть представлен следующим образом:
А(х) = а(х — х1)3 + Ь(х — х1)2 + с(х — х1) + С, где [х, х1] — интервал интерполяции, а, Ь, с, d— коэффициенты полинома.
Итоговые скорректированные значения разностей приращений поступают на выход алгоритма для последующего вычисления приращений координат.
5. ЭКСПЕРИМЕНТЫ И ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Для проверки изложенных гипотез о поведении сигналов в ангаре, а также исследования характеристик предложенных алгоритмов переключения между каналами была развернута часть ЛСМ. На стене в различных углах были установлены два передатчика Тх 1 и Тх 2, излучающие сигналы ЛСМ. Компьютер РС подключен с помощью проводов к передатчикам: реализует управление и синхронизацию. Приемник Rx расположен на подвижном объекте и двигается по кругу постоянного радиуса в середине ангара. Схема экспериментальной установки изображена на Рис. 9. Подобная установка позволяла оценить характеристики оценок полной фазы сигналов передатчиков, а также разностей оценок полной фазы сигналов двух передатчиков. Повышение избыточности измерений было достигнуто установкой двух независимых антенн на приемнике, с каждой из которых сигнал записывался синхронно и независимо.
Далее записанные данные с помощью имитационного моделирования подавались на алгоритмы слежения, описанные в [1]. Результатом работы алгоритмов слежения являлись оценки полной фазы сигналов на протяжении эксперимента. Затем данные оценки обрабатывались алгоритмом, использующим наличие
Рис. 9. Схема экспериментальной установки в ангаре.
РАДИОЭЛЕКТРОНИКА
|||ЦЩ|,||
lIH
ли
Epochs
Рис. 10. Оценка интенсивности относитльного ускорения.
Рис. 11. Оценки относительной скорости. избыточности измерений, который выдавал скорректированные значения. Результаты работы предлагаемых алгоритмов переключения показаны на Рис. 10, 11 для случая, когда антенны установлены вертикально, а также на Рис. 12, 13 для случая,
Рис. 12. Оценка интенсивности относитльного ускорения.
Epochs
Рис. 13. Оценки относительной скорости.
когда антенны установлены горизонтально. В обоих случаях антенны представляют собой два вибратора с единым фазовым центром и углов 90 градусов между собой.
Главным индикатором эффективности работы алгоритма можно считать количество исключенных скачков интенсивности относительного ускорения: Для вертикально установленных антенн количество исключенных пиков составило ~78%, для случая горизонтально установленных антенн — ~83%. Также на Рис. 11 и 13 можно видеть существенное снижение количества выбросов в оценке относительной скорости.
6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной статье, опираясь на известные теоретические эффекты, предложена методика создания и использования избыточности измерений оценки полных фаз, а также разности приращений полных фаз сигналов передатчиков систем локального местоопределения. Предложен алгоритм оценки интенсивности относительного ускорения подвижного объекта, позволяющий с использованием порогового метода производить
переключение между каналами приемника в моменты, когда фиксируются аномальные скачки, характерные для влияния многолучевого канала распространения сигналов. Также предложен алгоритм сглаживания переходов между антеннами, использующий кубическую интерполяцию сплайнами.
В целом, с использованием описанных методов и алгоритмов, используя две приемные антенны с единым фазовым центром, удалось исключить из оценок относительной скорости подвижного объекта порядка 80% скачков, вызванных эффектами многолучевости.
Данные алгоритмы дают базу для разработки более совершенных методов
20 СЕРКИН Ф.Б.
РАДИОЭЛЕКТРОНИКА
использования избыточности, а также
дальнейших исследований в данной
области.
ЛИТЕРАТУРА
1. Серкин ФБ. Локальная система местоопределения с интегрированным каналом передачи данных. Диссертация на соисканиеученой степени кандидата технических наук, Москва, МАИ, 2016.
2. Штагер ЕА, Чаевский ЕВ. Рассеяние волн на телах сложной формы. Москва, Советское радио, 1974, 240 с.
3. Зубкович СГ. Статистические характеристики радиосигналов, отраженных от земной поверхности.. Москва, Советское радио, 1968, 224 с.
4. Басс ФГ, Фукс ИМ. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. Москва, Наука, 1972, 424 с.
5. Канарейкин ДБ, Павлов НФ, Потехин ВА. Поляризация радиолокационных сигналов. Москва, Советское радио, 1966, 440 с.
6. Финк ЛМ. Теория передачи дискретных сообщений. Москва, Советское радио, 1970, 728 с.
7. Зюко АГ, Кловский ДД, Коржик ВИ, Назаров МВ. Теория электрической связи. Москва, Радио и связь, 1999, 432 с.
8. Важенин НА, Вейцель ВА, Волковский АС, Мазепа РБ. Радиосистемы и сети передачи информации. Москва, Изд. МАИ, 2002, 568 с.
9. Van Trees HL. Optimum Array Processing. Part IV of Detection, Estimation, and Modulation Theory. New York, John Wiley & Sons Inc., 2002, 1470 p.
10. Medbo J, Schramm P. Channel Models for HIPERLAN/2 in Different Indoor Scenarios. ETSIEP BRAN Document Number 3ERI085B, Ericsson Radio Systems AB, 1998.
Серкин Федор Борисович к.т.н.
Московский авиационный институт 4, Волоколамское ш., Москва 125993, Россия E-mail: serkinfb@list.ru.
