CC BY
9Решетневскуе чтения. 2018
УДК 621.376.4
МНОГОКАНАЛЬНЫЙ АЛГОРИТМ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ВЛИЯНИЯ РАССОГЛАСОВАНИЯ ИМПЕДАНСОВ ПРИ КАЛИБРОВКЕ ИМИТАТОРОВ НАВИГАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ
Н. М. Крат
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
E-mail: kratnm@iss-reshetnev.ru
Описан многоканальный алгоритм для уменьшения систематической составляющей погрешности оценки внутренней задержки имитатора навигационных сигналов при калибровке последнего. Приведены результаты его моделирования, проведенного с целью оценки потенциальной точности.
Ключевые слова: имитатор навигационных сигналов, калибровка, задержка сигнала, многоканальный алгоритм, корреляционная обработка, систематическая ошибка, отраженный сигнал.
MULTICHANNEL ALGORITHM FOR IMPEDANCE MISMATCH REDUCING AT NAVIGATION SIGNAL SIMULATOR CALIBRATION
N. M. Krat
JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: kratnm@iss-reshetnev.ru
Multichannel algorithm for systematic inaccuracy of inner delay estimation reducing while navigation signal simulator calibration is described. Results of algorithm modelling for its' accuracy estimation are carried.
Keywords: navigation signal simulator, calibration, signal delay, multichannel algorithm, correlation processing, systematic inaccuracy, reflected signal.
Одной из задач, решаемых в радиотехнике, является улучшение точности радиотехнических устройств и систем. В качестве примера можно привести задачу уменьшения эквивалентной погрешности псевдодальности (ЭППД) за счет космического комплекса системы ГЛОНАСС [1]. Так, к 2020 году в рамках федеральной целевой программы «Поддержание, развитие и использование системы ГЛОНАСС на 2012-2020 гг.» требуется довести значение ЭППД до уровня 30-50 см [2].
Проведенный анализ составляющих ЭППД показал, что одним из необходимых условий для достижения требуемого значения ЭППД является учет внутренних задержек в радиочастотных трактах навигационной аппаратуры, обеспечивающей измерение параметров навигационных сигналов в целях эфемеридно-времен-ного обеспечения космических аппаратов ГЛОНАСС.
Для определения внутренней задержки в навигационной аппаратуре проводится её калибровка. Обычно калибровка выполняется с применением имитаторов навигационных сигналов (ИНС). Для обеспечения калибровки навигационной аппаратуры с требуемой точностью необходимо, чтобы внутренняя задержка в ИНС была известна, в связи с чем проводится калибровка ИНС. Одним из источников систематической погрешности калибровки ИНС является рассогласование волновых сопротивлений средств
измерений. Значение этой погрешности в зависимости от качества согласования и длины кабельной сборки может достигать сотни пикосекунд [3]. Данное явление эквивалентно многолучевому распространению с особенностью, что луч, соответствующий отраженному сигналу, приходит с того же направления, что и прямой сигнал, но с дополнительной задержкой. При этом параметры отраженного сигнала постоянны во времени и определяются значениями электрических параметров измерительных приборов, входящих в схему измерения. Значение амплитуды отраженного сигнала составляет сотые доли от амплитуды полезного сигнала.
Предлагаемый алгоритм калибровки ИНС подразумевает, что задержка отраженного сигнала относительно прямого известна, и имеется осциллограмма сигнала на входе устройства обработки сигналов.
Алгоритм заключается в последовательном переборе значений истиной задержки полезного сигнала и произведения модуля комплексного коэффициента отражения на косинус угла между прямым и отраженным сигналами и выборе таких значений, при которых взаимные корреляционные функции между опорным сигналом и сигналом на входе осциллографа, а также опорным сигналом и сформированным аналогом входного наиболее близки друг к другу (минимальная сумма квадратов невязок).
Системы управления, космическая навигация и связь
СКО шумовой составляющей алгоритма
Отношение сигнал-шум по мощности, дБ 56,5 42,5 36,5 22,5 16,5
СКО оценки алгоритма, пс 0 4,5 9,3 42,2 79,7
СКО оценки корреляционным методом, пс 0,7 3,3 6,5 32,4 64,2
Математически алгоритм можно описать следующим образом:
t +—
S (синт ((,СmP )-K0 (t¡)) — min(t0*,mp*),
_ _T_
ti _tmax 2
где г0 - оценка задержки прямого сигнала; тр -оценка значения произведения модуля комплексного коэффициента отражения на косинус угла между полезным и отраженным сигналами; гтах - оценка задержки сигнала, полученная стандартным корреляционным методом; Т - длительность чипа дальномерно-го кода навигационного сигнала; К0 - взаимная корреляционная функция (ВКФ) между входным и опорным сигналами; Ксинт - ВКФ между расчетным аналогом входного сигнала, учитывающего рассогласование и опорным сигналом.
ВКФ Ксинт для момента прихода полезного сигна-
*
ла г0 рассчитывается согласно следующему выражению:
Ксинт (, С тР " ) = ТПСП , ,
= X 5оп (г)(оп ( - г0*) + тр'^п ( - С -Дг)).
г =0
где ТПСП - период дальномерного кода навигационного сигнала; 5оп - опорный сигнал, соответствующий модулирующей последовательности имитируемого сигнала; Дг - дополнительная задержка отраженного сигнала, определяемая электрической длиной кабеля.
Значения параметров г0* и тр* последовательно перебираются в диапазоне, определяемом исходя из технических характеристик применяемых средств измерения (длины и допусков на входные сопротивления разъемов кабеля и осциллографа, а также КСВ ИНС) и оценки предельного значения систематической погрешности, приведенного, например [3]. Шаг перебора следует выбирать исходя из требуемого значения остаточной погрешности.
Важнейшим свойством алгоритма является его погрешность, включающая две составляющие: случайную, обусловленную наличием во входном сигнале шума и систематическую, определяемую (предполагается) шагом перебора параметров. Для оценки случайной составляющей алгоритма было проведено компьютерное моделирование. В качестве сигнала использовался открытый сигнал ГЛОНАСС ЫОБ [4]. Значение Дг составляло 10 нс, значение тр - 0,015. Для этих условий значение систематической погрешности составляет 150 пс. Шаг перебора по Дг 10 пс, по тр 0,001. Результаты моделирования приведены в таблице.
Анализ данных, приведенных в таблице, позволяет сделать следующие выводы:
1) случайная составляющая алгоритма превышает потенциальную точность, определяемую неравенством
Крамера-Рао [5] в 1,2-1,5 раз. Это обусловлено тем, что обработка сигнала не оптимальна, так как форма сигнала точно неизвестна (неизвестно значение mp);
2) нулевое СКО при отношении сигнал-шум 56,5 дБ обусловлено тем, что задержка полезного сигнала перебиралась с шагом 10 пс, и значение погрешности (с вероятностью 0,997) не превышает 2 пс, что составляет менее половины шага перебора.
Дальнейшие исследования будут направлены на определение систематической составляющей погрешности алгоритма.
Библиографические ссылки
1. Глобальная спутниковая навигационная система ГЛОНАСС / под ред. В. Н. Харисова, А. И. Перова, В. А. Болдина. 4-е изд., перераб. и доп. М. : ИПРЖР, 2010. 800 с.
2. Федеральная целевая программа «Поддержание, развитие и использование системы ГЛОНАСС на 2012-2020 годы» (утв. постановлением Правительства Российской Федерации от 03.03.2012 г. № 189).
3. Крат Н. М., Савин А. А. Влияние рассогласования импедансов в тракте передачи сигнала при калибровке задержек имитаторов навигационных сигналов // Сибирский журнал науки и технологий. 2017. Т. 18, № 3. С. 520-524.
4. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС (Интерфейсный контрольный документ, пятая редакция) М. : Координационный научно-информационный центр РФ, 2008. 74 с.
5. Радиотехнические системы : учебник / Ю. М. Ка-заринов и др. ; под ред. Ю. М. Казаринова. М. : Академия, 2008. 529 с.
References
1. Global'naya sputnikovaya navigatsionnaya sistema GLONASS / Pod red. V. N. Kharisova, A. I. Perova, V. A. Boldina. Izd 4-e, pererab. i dop. M. : IPRZhR, 2010. 800 s.
2. Federal'naya tselevaya programma "Podderzhanie, razvitie i ispol'zovanie sistemy GLONASS na 2012-2020 gody" (utverzhdena postanovleniem Pravitel'stva Rossiy-skoy Federatsii ot 03.03.2012 g. № 189).
3. Krat N. M., Savin A. A. Vliyanie rassoglasovaniya impedansov v trakte peredachi signala pri kalibrovke zaderzhek imitatorov navigatsionnykh signalov // Sibirskiy zhurnal nauki i tekhnologiy. 2017. T. 18, № 3. Р. 520-524.
4. Global'naya navigatsionnaya sputnikovaya sistema GLONASS (Interfeysnyy kontrol'nyy dokument, pyataya redaktsiya) M. : Koordinatsionnyy nauchno-informatsion-nyy tsentr Rossiyskoy Federatsii, 2008. 74 s.
5. Radiotekhnicheskie sistemy. Uchebnik / Yu. M. Kazarinov i dr. ; pod red. Yu. M. Kazarinova. M. : Akademiya, 2008. 529 s.
© Крат Н. М., 2018
