Поиск сигналов BeiDou B1 китайской навигационной спутниковой системы Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

P(t) = Po(t) =

0!

Р(£) = е-ш*.

Наработка на отказ — есть отношение суммарной наработки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки. По смыслу значение 70 — есть не что иное, как среднее время между двумя смежными отказами восстанавливаемого объекта. Статистическое значение этой величины определяется по формуле

т:=-

и: iv>

(26

где ^ — суммарная наработка Л-го объекта из N находящихся под наблюдением; гл — общее число отказов того же объекта.

При простейшем потоке Пуассона имеет место равенство

Отсюда

Р(£) = ехр[-шг\ = ехр(-£)

Рассмотренные показатели характеризуют лишь одну сторону надежности — безотказность. Такие показатели принято называть единичными. Есть единичные показатели, характеризующие и другие стороны надежности, такие, как долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость.

Однако в ряде случаев удобно, особенно при анализе взаимосвязи надежности авиационной техники с боеготовностью и стоимостью эксплуатации, применять комплексные показатели надежности. Такими показателями являются, например, коэффициент готовности Кг, коэффициент технического использования Кт.и, средняя и удельная на единицу наработки трудоемкость технического обслуживания, средняя суммарная и удельная суммарная стоимость технического обслуживания.

^ = -

(27)

Q

ЛИТЕРАТУРА

1. Аралов Г. Д. Состояние и перспективы решения задач повышения надежности, долговечности и ресурсов конструкции самолетов гражданской авиации. М.: Воздушный транспорт, 1984.

2. Ицкович А. А. Надежность летательных аппаратов и двигателей. М.: МГТУ ГА, 1990.

3. Пархоменко П.П., Согомонян Б.С. Анализ отказов и повреждений авиационной техники, влияющих на безопасность полетов. Тамбов: Грамота, 2013. № 10 (77).

4. Моломин В.П. Модели управления надёжностью авиационной техники. - М.: Машиностроение, 1981.

5. Инженерно-авиационная служба и эксплуатация летательных аппаратов. М.: Военное издательство МО СССР, 1971.

6. Гришко А.К. Структурные компоненты геоинформационных систем и их основные области применения / А.К. Гришко, А.С. Зорькин, В.Я. Баннов, В.А. Трусов // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2010. Т. I. С. 287-288.

7. Юрков Н.К. К проблеме моделирования риска отказа электронной аппаратуры длительного функционирования / Н.К. Юрков, И.И. Кочегаров, Д.Л. Петрянин // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. 2015. № 4 (32). С. 220-231.

8. Алексеев К.П. Надёжность и технико-экономические характеристики авиационных двигателей. -М.: Транспорт, 1980.

УДК 615.035.4 Кабыл С. К.

«Самарский Государственный Аэрокосмический университет им. С.П.Королева», Самара, Россия

ПОИСК СИГНАЛОВ BEIDOU B1 КИТАЙСКОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ

В качестве новой системы ГНСС, BeiDou быстро развивается в последние годы. Система используется для позиционирования, но и может быть использована для предоставления точных координат для кадастровых работ. С достижимой точностью, BeiDou стал привлекательным инструментом для навигационных и геодезических целей. Китайская навигационная система BeiDou схож с GPS. Тот факт, что существуют две независимые, но, как правило, очень похожие спутниковые навигационные системы также обращает внимание на комбинированное использование. Такое комбинированное использование вызывает ряд преимуществ. Во-первых, число наблюдаемых спутников увеличивается по отношению к одной системе. Это позволит пользователю с лучшей спутниковой геометрии и более избыточной информации, что позволяет ему вычислить более точное определение местоположения. В случаях с затрудненной видимостью неба, таких как горные или городские районы, положение не исправится без этих дополнительных спутников. Кроме того, чем больше спутниковых измерений доступны, чем раньше и надежнее пользователь может обнаружить и изолировать даже неисправные спутники. Таким образом, комбинированное использование GPS, BeiDou, Galileo и ГЛОНАСС может обеспечить лучшую целостность определения местоположения, чем использование только одной системы.

Ключевые слова:

BeiDou, обнаружение, GNSS, ГЛОНАСС, Galileo.

или

1

Introduction

The Chinese BeiDou Navigation Satellite system (BDS) has a mixed space constellation that will have, when fully deployed, five Geostationary Earth Orbit (GEO) satellites, twenty-seven MEO satellites and three Inclined Geosynchronous Satellite Orbit (IGSO) satellites. The GEO satellites are operating in orbit at an altitude of 35,786 kilometers and positioned at 58.75°E, 8 0°E, 110.5°E, 140°E and 160°E, respectively. The MEO satellites are operating in orbit at an altitude of 21,528 km and an inclination of 55° to the equatorial plane. The IGSO satellites are operating in orbit at an altitude of 35,786 km and an inclination of 55° to the equatorial plane. These satellites broadcast navigation signals and messages within three frequency bands.

The BeiDou Navigation Satellite System (BDS) is Chinese independent satellite navigation system. At present the Chinese navigation satellite system BeiDou is anticipated to be complete in 2020 with 35 satellites. The BeiDou satellites transmit ranging signals based on Code Division

Multiple Access (CDMA) principle, like GPS and Galileo.

The characteristics of BeiDou B1I (B1 Inphase) signal can be compared with GPS L1 signal in order to realize the similarities and differences between the two systems. Both the civilian signals from these two systems have similar characteristics in general, for example, the periods of their spreading codes are both 1 millisecond (ms) long, and the coordinate systems and the navigation message structures are almost the same with minor differences. This eventually means that many algorithms that are implemented for the GPS receiver can be readily available to the BeiDou receiver without any major modification. But to improve the positioning performance, the modern GNSS signals, including BeiDou and the GPS L5, introduce a second layer of modulation between the navigation data and the PRN code chips, known as Neumann-Hoffman (NH) code modulation. This ultimately improves the data bit rate of the modern GNSS signals. Each navigation data is modulated by Neumann Hoffman code. The legacy GPS L1 C/A signal has a data

Twöbi Мeмдvнаvoднoгo cuMno3uVMa «Haöewnocmb u xauecmeo», 2016, moM 2

bit rate of 50 bits per second (bps), which means that 1 bit data lasts for 20 ms (i.e., the PRN code cycle repeats 20 times for each data bit). The data bit rate of BeiDou D1 signals is originally 50 bps, but after modulation by NH code, the data bit rate becomes 1 kbps, so compared to the GPS signal, the data bit rate of the BeiDou signal increases significantly. Particularly, the NH code modulated D1 signal has 1 kbps data bit rate which makes data bit transition possible within the data bit boundary. On the positive side, the NH code can boost the ability of anti-narrowband interference and improve the cross-correlation property of satellite signals and the bit synchronization; whereas on the negative side, the existence of NH code makes the acquisition and tracking of the modernized GNSS signals more challenging.

The main part

A GNSS software-defined receiver consists of three major components: RF front-end unit, a signal processing unit, and a navigation processing unit. The RF front-end module is responsible for signal amplification, noise filtering, down-conversion, automatic gain control, and analogue-to-digital conversion. The front-end module converts the received analog data to digital Intermediate Frequency (IF) data at a rate which is several times more than the code chipping rate. A 56,32 MHz sampling frequency is used to generate the raw digitized IF samples in all the experimented cases of this work.

With the rapid development of the BeiDou system it is important to research the acquisition of BeiDou B1 signal. The purpose of signal acquisition is to determine the visible satellite, coarse value of carrier frequency and code phase of their signals. In this project is presented an efficient and fast acquisition method based on Sparse FFT.

This work presents an efficient and fast acquisition process based on the following observations and properties of Fourier transform:

The receiver takes the FFT of the received signal;

It multiplies the output of this Fourier transform by the FFT of the CDMA code;

It performs the inverse FFT on the resulting signal.

The output of the inverse FFT will spike at the correct shift that synchronizes the code with the received signal. The inverse FFT is very sparse. It has only one spike and, hence, can be performed in sub-linear time. Further, a sublinear time algorithm for computing the sparse IFFT would require a sub-linear number of samples as input.

Aliasing a signal in the time domain is equivalent to subsampling it in the frequency domain, and vice versa.. Aliasing the time domain signal in the top left results in the signal in the top right; specifically, time samples 1 and 6 add into sample 1 in the aliased signal, samples 2 and 7 into sample 2, etc. In the Fourier domain, the FFT of the aliased signal is a subsampled version of the FFT of the initial signal; namely, sample 1 in the bottom right signal corresponds to sample 2 in the bottom left, sample 2 corresponds to sample 4, etc.

With the sparse IFFT step in place, the algorithm does not need the whole n-point FFT of

the signal. Specifically, all the IFFT requires is a subsampled version of this signal.

The proposed algorithm is implemented in MATLAB. I have implemented the proposed algorithm on BeiDou signal with sampling frequency of 56.32 MHz with various values. The results are illustrated on the figure 1. How u can see there is acquisition result of BeiDou signal. The count of visible satellites are three. It is 11 13 14. For subsampling factor of 2 resulted 2 times faster than that of conventional FFT based acquisition computation time. The results are tabulated on the tables.

Figure 1.

Mof satellites Computation time

11 36549 4.9267e6

13 5679 4.72681e6 119.2354

14 18690 3.0387e6

Tablel.PFTmethod

Mof satellites Computation time

11 36549 4.9267e6

13 5679 4.72681e6 50.7986

14 18690 3.0387e6

Table2. Fast acquisition based on sparse FFT method

Conclusion

In conclusion, I have presented faster BeiDou acquisition B1 signal for software-defined Bei-Dou receivers design. This algorithm exploits the properties of Fourier transform, sparse FFT, that reduces the number of computations, simplifies the hardware implementation, and decreases the acquisition time correspondingly. The main functionalities of a software-defined BeiDou B1 receiver were presented, while highlighting the similarities and differences of BeiDou B1 signal with the existing GPS L1 C/A signal. A novel acquisition with presence of NH code was presented and implemented for acquiring BeiDou satellites. The positioning results were presented for different GNSS constellations. Finally, the combined use of GPS, BeiDou, Galileo and GLONASS integrity can provide better positioning than the use of only one system.

REFERENCES

1. Baek, J., S. Yoo and S.Y. Kim (2012). Jamming Effect Analysis of Two Chinese GNSS BeiDou-II Civil Signals. International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE) Vol.2, No.6.

2. Bhuiyan, M. Z. H., S. Söderholm, S. Thombre, L. Ruotsalainen and H. Kuusniemi (2014). Implementation of a Software-defined BeiDou Receiver. In Lecture Notes in Electrical Engineering, Springer, in press.

3. Borio D., C. O'Driscoll and J. Fortuny (2013). Jammer Impact on Galileo and GPS Receivers. In Proc. ICL-GNSS, Torino, Italy, 1-6.

4. Borre, K., D.M. Akos, N. Bertelsen, P. Rinder, and S.H. Jensen (2007). A Software Defined GPS and Galileo Receiver - A Single- Frequency Approach. Birkhäuser.

5. China Satellite Navigation Office. (2012). BeiDou Navigation Satellite System Signal In Space Interface Control Document (2012): Open Service Signal B1I (Version 1.0).

6. Gibbons, G. (2011). GNSS Interoperability, not so easy after all. Inside GNSS. Gibbons, G. (2013). BeiDou to Restart Satellite Launches Next Year, Shift B1 Signal Frequency after 2016. Inside GNSS News.

7. IS-GPS-2 00G. (2012). Navstar GPS space segment / Navigation User Interfaces. Global Positioning Systems Directorate

8. Jiang, Z. (2004). Mitigation of Narrow Band Interference on Software Receivers based on Spectrum Analysis. MSc Thesis, published as UCGE Report No. 20202, Department of Geomatics Engineering, University of Calgary, Canada.

9. Kaplan, E. and D. Hegarty, eds. (2006). Understanding GPS Principles and Applications. Norwood, Ma, USA: Arctech House.

10. Kuusniemi, H., E. Airos, M.Z.H. Bhuiyan and T: Kröger (2012). GNSS jammers: how vulnerable are consumer grade satellite navigation receivers? European Journal of Navigation. 10(2), 14-21.

УДК 656.25:62-192

Горелик А. В., Журавлев И. А., Неваров П. А., Орлов А.В., Тарадин Н.А., Веселова А. С.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет путей сообщения Императора Николая II»

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ РИСКОВ, СВЯЗАННЫХ С НЕНАДЕЖНОЙ РАБОТОЙ СИСТЕМ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ

В работе рассмотрены вопросы анализа рисков, связанных с ненадежной работой систем ЖАТ, а также формирование расчетных данных для оценки величины риска по безотказности для системы ЖАТ. Для анализа последствий от отказов системы ЖАТ определяется количество задержек поездов и средняя длительность задержки одного поезда. Оценивание риска, связанного с безотказностью функционирования системы ЖАТ, производится с помощью матриц рисков при сравнении уровней риска, полученных в результате анализа, с установленными критериями риска. В работе представлены уровни риска, приведены примеры заполнения матриц рисков по безотказности системы ЖАТ. Для каждого уровня риска устанавливается частота событий через вероятность задержки поезда из-за отказа системы ЖАТ и решение о необходимости обработки риска. Ключевые слова:

безотказность, риски по безотказности, оценка рисков, уровни риска, матрица рисков

Текущее состояние железнодорожной инфраструктуры и рост грузонапряженности безусловно увеличивают риски, связанные с реализацией ОАО «РЖД» производственных процессов, что следует учитывать при оценке устойчивости развития холдинга. Это требует разработки соответствующей методики учета рисков и определения того, как влияет уровень надежности железнодорожной инфраструктуры на заданном участке железных дорог с определенным характером эксплуатационной работы на уровень рисков.

В рамках методологии Управления ресурсами на этапах жизненного цикла, рисками и анализом надежности (УРРАН) понятие риска включает два элемента [1,2]:

- вероятность возникновения события или сочетания событий, ведущих к опасности или частота возникновения таких событий;

- последствия опасности.

Оценку рисков связанных с отказами систем железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ), Расчетные данные для оценки величины риска

можно разделить на две области: риски, связанные с нарушением безотказности функционирования систем ЖАТ, и риски, связанные с нарушением безопасности функционирования систем ЖАТ.

Риски, связанные с функционированием систем ЖАТ, возникают при одновременном выполнении следующих условий [3,4]:

- наличие отказа системы ЖАТ;

- использование системы ЖАТ для реализации функций по управлению и регулированию процесса движения поезда.

Рассмотрим оценку величины риска, связанного с нарушением безотказности функционирования систем ЖАТ.

На основе исходных данных в соответствии с методикой, приведенной в [5,6] формируются расчетные данные для оценки величины риска по безотказности для системы ЖАТ в виде таблицы 1.

Для анализа частот возникновения риска необходимо определить вероятность задержки поезда из-за отказа системы ЖАТ. безотказности для системы ЖАТ Таблица

1

по

Обозначение показателя Наименование показателя

Хп Интенсивность использования системы ЖАТ, 1/ч

Т п Время использования системы ЖАТ, ч

лф Фактическое значение интенсивности отказов системы ЖАТ, 1/ч

Ив Интенсивность восстановления системы ЖАТ после отказа, 1/ч

Т х рч Расчетный период, ч

Вероятность задержки поезда из-за использования одного из элементов системы ЖАТ другим поездом (замыкания в другом маршруте):

Р -_Хп ■ Н-в_

РИСП- П , VI , л ,1 ' (1)

04 + Нп )0Ч + Нв)+ЧНв

где Нп - 1/Тп _

Вероятность задержки поезда при отсутствии влияния безотказности функционирования системы ЖАТ на движение поездов:

Ро —• (2)

Н п + ^п

Таким образом, вероятность задержки поезда из-за отказа системы ЖАТ можно определить так:

р.

ЗО :

Ф

+ И- в

+ (т^ +1) • Пет - П

о

3)

Для анализа последствий от отказов системы ЖАТ необходимо определить количество задержек поездов и среднюю длительность задержки одного поезда, согласно [5-7].

Оценивание риска заключается в сравнении уровней риска, полученных в результате анализа риска, с установленными критериями риска, по которым риск делят на четыре уровня: недопустимый, нежелательный, допустимый, не принимаемый в расчет.

Оценивание риска, связанного с безотказностью функционирования системы ЖАТ, производится с помощью матриц рисков, которые представляют собой таблицы с сочетанием вероятности задержек поездов на перегоне или станции из-за отказов системы ЖАТ, количества и длительности таких задержек. Отсчет матрицы рисков по вертикальной оси - оси вероятности (частоты) задержек поездов на перегоне или станции из-за отказов системы