CC BY
13Труды МАИ. Выпуск № 93 www.mai.ru/science/trudy/_
УДК 629.76.05
Повышение помехоустойчивости навигационной аппаратуры потребителя ГЛОНАСС за счет комплексирования с инерциальными навигационными датчиками
Иванов В.Ф.*, Кошкаров А.С.**
Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского, ул. Ждановская, 13, Санкт-Петербург, 197198, Россия *e-mail: vf_ivanov@list.ru **e-mail: koshkarof@rambler.ru
Аннотация
В статье рассмотрены возможности повышения помехоустойчивости навигационной аппаратуры потребителей за счет различных схем комплексирования. Проведено обоснование и состав функциональных связей при использовании схемы глубокого комплексирования навигационной аппаратуры с бортовой инерциальной навигационной системой ЛА. Особенностью предложенной схемы является реализация навигационной аппаратуры в формате программного приемника на основе специализированной микросхемы. Предложена схема ввода ассистирующей информации в НАП комплексированную с бортовой ИНС.
Ключевые слова: навигационная аппаратура потребителей, помехоустойчивость, комплексирование, инерциальные навигационные системы.
Введение
В настоящее время наблюдается значительный рост требований к техническим характеристикам навигационных комплексов (НК) летательных аппаратов (ЛА), в том числе беспилотных, в части, касающейся повышения обеспечение их помехоустойчивости к непреднамеренным и умышленным помехам [1,2].
Основной задачей НК в этих условиях является формирование и выдача в режиме реального времени координат, скорости, ускорения и, в некоторых случаях, параметров ориентации ЛА в пространстве. Данная информация используется как для управления непосредственно на борту, так и для реализации координатного метода управления служебным бортовым оборудованием и специальной аппаратурой в беспилотных системах, что в свою очередь требует высокой точности и надежности определения текущих навигационных параметров.
Высокий уровень надежности и автономности НК обеспечивается за счет использования инерциальных навигационных систем (ИНС). Использование ИНС в составе НК позволяет с высокой точностью определять параметры ориентации ЛА в пространстве. Известными недостатками данных систем являются невысокая точность определения координат и нарастающий с течением времени характер ошибок местоопределения [3].
Высокоточное определение координат местоположения и скорости в современных образцах НК, как правило, осуществляется за счет использования аппаратуры потребителей космических навигационных систем. Стандартные
образцы навигационной аппаратуры потребителей (НАП), обладая точностью определения координат местоположения на уровне единиц метров, в то же время имеют существенный недостаток - недостаточный уровень помехоустойчивости, который обусловлен низким уровнем мощности принимаемых радионавигационных сигналов ГЛОНАСС - порядка -166...-156 дБВт [4, 5].
Поэтому одним из методов повышения точности и помехоустойчивости НАП является комплексирование с автономными навигационными системами. Комплексирование с ИНС как метод, с помощью которого можно добиться повышения точности и помехоустойчивости радиоприемных устройств АП довольно долгое время считался радикальным и дорогостоящим. В первую очередь это связано с тем, что основой навигационных комплексов являлись прецизионные платформенные и бесплатформенные ИНС (БИНС), обладавшие значительной массой и высокой стоимостью (до 150-200 кг и 150-300 тысяч долларов США, соответственно). По этой причине данный метод повышения помехоустойчивости АП не предназначался для широкого круга потребителей. Появление серийных образцов малогабаритных бесплатформенных ИНС с точностными характеристиками, близкими к характеристикам платформенных ИНС, а также микромеханических датчиков позволило создать НК для большинства типов потребителей.
До настоящего времени наибольшее распространение имел метод комплексирования НАП и ИНС, основанный на совместной вторичной обработке навигационных данных разнородных систем. Данный метод, называемый так же
комплексирование "по выходам", слабосвязанная схема комплексирования, схема с низким уровнем интеграции (в иностранной технической литературе - loosely coupled) [6, 7], позволяет проводить совместную обработку выходной информации навигационных датчиков и систем, в частности, НАП и ИНС. Обобщенная структурная схема, представленная на рисунке 1 отображает основные элементы НАП, БИНС и фильтра НАП/БИНС, а также их взаимосвязь в соответствии с реализуемыми алгоритмами комплексирования на уровне вторичной обработки информации. К основным структурным элементам НАП относятся: коррелятор, генератор опорной псевдослучайной последовательности (ПСП), блок поиска сигналов навигационных КА (НКА), схемы слежения за задержкой и за несущей частотой принимаемых радионавигационных сигналов (РНС), схема выделения символов информации, фильтр Калмана. К основным элементам БИНС относятся чувствительные элементы (ЧЭ): блоки акселерометров и гироскопов.
Приемное устройство НАП осуществляет поиск, обнаружение, усиление и поэтапное преобразование частоты радионавигационных сигналов ГЛОНАСС/GPS. Преобразованные радионавигационные сигналы затем поступают на корреляторы, на другие входы которых подаются опорные сигналы. Выходные сигналы корреляторов поступают в кольца слежения за задержкой кода и несущей частотой. Сигналы рассогласования по фазе и частоте между опорным и принимаемым сигналами, вырабатываемые в кольцах слежения, передаются обратно к управляемому генератору опорного сигнала. Схема слежения за несущей частотой обычно имеет третий порядок астатизма. Выходная информация схемы слежения за
несущей частотой может быть использована в схеме слежения за задержкой, имеющей, как правило, первый порядок астатизма.
Рисунок 1 - Слабосвязанная схема комплексирования На схеме (см. рисунок 1) изображены основные каналы ввода дополнительной (корректирующей) информации, получаемой в результате обработки в фильтре НАП/БИНС. Корректирующая информация поступает в блок предварительной обработки и коррекции ЧЭ (компенсация погрешностей датчиков) БИНС, в блок определения параметров ориентации инерциальной системы (коррекция погрешностей определения угловых параметров). В фильтр Калмана НАП из фильтра НАП/БИНС поступают скорректированные значения измерений скорости
ЖЕЬ. Кроме того, информация о местоположении и скорости ЛА /^ш//г(/), Уиппс (/),
полученная на основе измерений БИНС, после соответствующего преобразования может быть использована для уменьшения времени поиска радионавигационных сигналов. Сокращение времени поиска сигналов (при условии наличия в запоминающем устройстве НАП альманаха системы) достигается путем сужения диапазона априорных значений задержек и доплеровских частот за счет указания текущих координат и скорости, получаемых в результате решения задачи счисления пути, непрерывно выполняемого БИНС.
На рисунке 1 использованы следующие условные обозначения:
- синфазная и квадратурная составляющие входного радионавигационного сигнала, соответственно;
тк4 ,/дсчк1 - оценки задержки принимаемой псевдослучайной
последовательности дальномерного кода и доплеровского сдвига частоты (ДСЧ) сигнала;
гь/.(,/ьдсч/.( - значения задержки и ДСЧ, полученные по результатам измерений БИНС;
соЕЬ, ¡¥еь - векторы измерений угловой скорости и ускорения ПС на выходе измерительного блока БИНС в проекциях на оси связанной с измерительным блоком системы координат;
®еь> К„ - скорректированные с учетом погрешностей гироскопов и акселерометров значения угловой скорости и ускорения;
ЛУ - векторы параметров ориентации и скорости, определенные по результатам измерений датчиков БИНС;
^ап ' кои' бинс " векторы текущих параметров местоположения, вектора скорости и параметров ориентации, на выходах АП, схемы комплексной обработки информации и БИНС, соответственно;
АК,АК' - коэффициенты усиления схем слежения за задержкой и несущей, соответственно.
Простейшие схемы комплексирования на уровне вторичной обработки информации используют только один канал обратной связи: выход БИНС - схема поиска радионавигационных сигналов - цифровой управляемый генератор. Использование данного канала обратной связи позволяет сократить время поиска радионавигационных сигналов.
В более сложных схемах комплексирования на уровне вторичной обработки информации в состав вектора состояния включают информацию о значениях погрешностей датчиков автономных навигационных систем, в том числе инерциальных. Результирующий вектор состояния может содержать несколько десятков параметров. Кроме того, канал обратной связи может быть использован для выставки и коррекции погрешностей БИНС непосредственно во время работы НК на борту ЛА.
Однако метод комплексирования АП и БИНС при осуществлении вторичной обработки информации позволяет достичь требуемого качества навигационных определений только в случае работоспособности самих измерителей. Следует отметить, что ситуации, когда измерители становятся неработоспособными -наблюдаются срывы сопровождения в схемах слежения за задержкой и несущей частотой сигналов навигационных КА, являются довольно распространенными.
Кроме того, существенным недостатком данного метода комплексирования является необходимость усложнения НК за счет применения ИНС высокой точности и резервирования критически важных узлов.
Для решения задачи повышения помехоустойчивости НК более перспективным является метод комплексирования на уровне первичной обработки информации (на уровне измеряемых параметров), то есть данных с колец (схем) слежения за задержкой и частотой несущей радионавигационных сигналов, гироскопов и акселерометров БИНС (в том числе микромеханических) с использованием единого вычислительного устройства в составе НК. Данный метод носит название сильносвязанной схемы или глубокого комплексирования - "tightly coupled", "deeply integrated" ("ultra-tightly") по терминологии, используемой в технической литературе [6, 7]. На рисунке 2 изображена структурная схема, представляющая метод глубокого комплексирования приемника радионавигационных сигналов и БИНС. На данном рисунке изображен состав основных блоков приемника НАП и БИНС, а также блоков, непосредственно реализующих алгоритмы комплексирования. Блок вычисления ожидаемых значений задержки и доплеровского сдвига частоты принимаемых радионавигационных сигналов относится к схеме комплексирования.
При реализации метода глубокого комплексирования появляется возможность использования неполного состава типовых структурных элементов как в спутниковом навигационном приемнике, так и в инерциальной системе.
Рисунок 2 - Сильносвязанная схема комплексирования Например, НАП может состоять из радиочастотного тракта, блока корреляторов, схемы слежения за задержкой и частотой несущей принимаемых сигналов, и не иметь собственного навигационного процессора, предназначенного для решения задачи вторичной обработки. В то же время БИНС может содержать в своем составе навигационные датчики - гироскопы, акселерометры и устройство, отвечающее за предварительную обработку информации от них. Решение задачи совместной обработки информации в схемах с глубоким уровнем комплексирования выполняется в отдельных аппаратно-программных модулях, чем достигается улучшение массогабаритных характеристик НК.
Принципиальным отличием каналов ввода дополнительной (корректирующей) информации в сильносвязанной схеме комплексирования (см. рисунок 2) по сравнению со слабосвязанной схемой комплексирования (см. рисунок 1), является возможность ввода предварительно обработанных и преобразованных измерений с выходов датчиков БИНС непосредственно в кольца слежения за частотой и задержкой НАП.
Метод глубокого комплексирования НАП и БИНС по сравнению с методом комплексирования на уровне вторичной обработки информации обладает следующими преимуществами [8]:
- существенное уменьшение вероятности ложных захватов следящими измерителями радионавигационных параметров;
- уменьшение вероятности срыва слежения за соответствующими параметрами принимаемых радиосигналов;
- для высокодинамичных объектов - компенсация влияния движения объекта на работу следящих измерителей;
- возможность уменьшения порядка астатизма колец слежения и, как следствие, уменьшение случайной ошибки слежения;
- повышение помехоустойчивости НАП.
Сдерживающим фактором, не позволяющим в полной мере использовать на практике все преимущества метода глубокого комплексирования, является необходимость значительных временных и материальных затрат на проведение работ по изменению структуры аппаратной части приемника радионавигационных
сигналов для решения задачи интеграции с модулями инерциальной системы. Это связано с особенностью традиционной схемы построения НАП, заключающейся в аппаратной реализации основных операций цифровой обработки радионавигационных сигналов.
Выходом из данной ситуации может быть принципиальное изменение подхода к проектированию и разработке НАП для использования в составе бортового НК ЛА.
Наибольший положительный эффект от использования глубокой схемы комплексирования НАП и БИНС может быть достигнут при использовании программного приемника ГЛОНАСС/GPS в составе НК. Основным отличием программных приемников от традиционной схемы построения АП является реализация основных операций первичной и вторичной цифровой обработки радионавигационных сигналов (ЦОС) в виде программных модулей, выполняемых на специализированных или универсальных процессорах. В зарубежной технической литературе указанный подход к созданию программных приемников радиосигналов получил название «software defined radio» (SDR).
Преимущества программной обработки радиосигналов перед существующими аппаратными платформами заключаются в следующем [9, 10]:
- получение более высоких технических характеристик устройств приема и обработки радиосигналов;
- синтез сложных алгоритмов обработки сигналов, не реализуемых традиционными методами;
- коррекция алгоритмов обработки сигналов без изменений аппаратной части;
- оперативная программная перестройка АП при появлении новых навигационных сигналов без изменений аппаратной части;
- реализация алгоритмов глубокого комплексирования с навигационными датчиками и другими системами.
Рассмотрим основные этапы программной обработки сигналов НКА.
Оцифрованный радионавигационный сигнал промежуточной частоты ,
представленный квадратурными составляющими IkvQki, записывается во входной
программный буфер. Далее следует предварительная обработка: сортировка по квадратурным составляющим записанного набора данных, пороговое ограничение радиосигнала по заданному уровню, компенсация доплеровского сдвига частоты.
В программном приемнике выполнение операций поиска по задержке и доплеровскому сдвигу частоты, а так же обнаружения радионавигационных сигналов может быть осуществлено с использованием согласованного фильтра, программно реализуемого в составе приемного устройства. Для обеспечения работы согласованного фильтра на основе кодообразующих полиномов программным методом формируются дальномерные ПСП для каждого навигационного КА ГЛОНАСС и GPS. Сформированные опорные ПСП хранятся в отдельном массиве (в памяти) и используются при выполнении операций свертки с принимаемыми навигационными сигналами.
Для повышения качества работы блока программного обнаружителя радиосигнала может быть реализована схема некогерентного накопления
результатов свертки принимаемого и опорного сигналов на заданном числе периодов дальномерного кода.
Для выполнения операции поиска по частоте на выходе согласованного фильтра формируется целочисленный массив синфазной и квадратурной
составляющих опорного сигнала с определенным шагом по частоте.
Рисунок 3 - Схема взаимодействия программно-реализованной НАП с ИНС Существенное улучшение характеристик слежения за параметрами навигационных сигналов в программном приемнике достигается за счет реализации круговой свертки в частотной области.
Схема, представленная на рисунке 3, отображает процесс взаимодействия программного приемника с ИНС в составе НК.
Очевидно, что использование программного объединения разнородных навигационных датчиков в составе НК является технологичным и современным решением, которое будет способствовать не только повышению надежности
навигационных определений на борту ЛА, но и надежности самого аппарата со всех точек зрения.
Кроме этого, реализация метода и алгоритмов комплексирования -совместной цифровой обработки измерений НАП и измерительной информации датчиков БИНС на уровне колец слежения за задержкой и частотой несущей радиосигналов позволяет улучшить характеристики следящих систем, а именно, уменьшить полосы захвата за счет дополнительной (ассистирующей) информации при этом величина ширины полосы пропускания следящей системы может быть уменьшена до значений порядка 3-5 Гц. Дальнейшее уменьшение полосы пропускания возможно, как за счет использования стабильного носителя шкалы времени в составе НАП (опорного генератора с относительной нестабильностью шкалы времени не хуже 10-6), так и за счет БИНС высокой точности. На рисунке 4 представлена блок-схема, отображающая основные этапы алгоритма комплексной обработки информации НАП и БИНС на уровне колец слежения за задержкой и несущей частотой принимаемых радионавигационных сигналов. Указанный способ позволяют осуществлять накопление сигнала на интервале времени 1 секунда и более [11-12]. При этом дополнительный прирост в коэффициенте усиления может достигать 30 дБ, а чувствительность НАП в режиме слежения -190 дБВт.
Использование единого навигационного вычислительного устройства для программно-реализованной НАП и БИНС в составе НК, реализованного на основе метода глубокого комплексирования, позволяет снизить массогабаритные характеристики и энергопотребление служебного бортового оборудования.
Рисунок 4 - Блок-схема реализации алгоритма ввода ассистирующей информации в следящие системы
Проведенные исследования, в том числе и результаты экспериментов с использованием реальных радионавигационных сигналов ГЛОНАСС, показали, что применение метода и алгоритмов глубокого комплексирования макетного образца программной НАП и БИНС, построенной на основе микромеханических датчиков,
приводит к повышению помехоустойчивости НК в среднем на 6-12 дБ.
Библиографический список
1. Алешин Б.С., Антонов Д.А., Веремеенко К.К., Жарков М.В., Зимин Р.Ю., Кузнецов И.М., Пронькин А.Н. Малогабаритный интегрированный навигационно-
посадочный комплекс // Труды МАИ. 2012. № 54. URL: https://www. mai.ru/science/trudy/published.php?ID=29692
2. Валайтите А.А., Никитин Д.П., Садовская Е.В. Исследование влияния ошибки многолучевости на точность определения параметров сигналов ГНСС (глобальных навигационных спутниковых систем) при помощи имитатора навигационного поля // Труды МАИ. 2014. № 77. URL: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=53172
3. Мишин А.Ю., Фролова О.А., Исаев Ю.К., Егоров А.В. Комплексная навигационная система летательного аппарата // Труды МАИ. 2010. № 38. URL: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=14161
4. ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ (редакция 5.1). - М.: Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения, 2008. - 60 с.
5. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации. - М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2000. - 268 с.
6. Соловьев Ю.А. Комплексирование глобальных спутниковых радионавигационных систем с другими навигационными измерителями (обзор) // Радиотехника. 1999. № 1. С. 3-21.
7. Фатеев В.Ф. Инфраструктура малых космических аппаратов. - М.: Радиотехника, 2011. - 432 с.
8. Перов А.И., Харисов В.Н. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования. - М.: Радиотехника, 2010. - 800 с.
9. Бахолдин В.С., Герасименко В.С., Добриков В.А, Дубинко Ю.С., Иванов В.Ф., Сахно И.В., Ткачев Е.А. Программный приемник ГЛОНАСС/GPS/Galileo на нейропроцессоре Л1879ВМ1 // II Всероссийская конференция «Фундаментальное и прикладное координатно-временное обеспечение» (КВО-2005): тезисы докладов. -СПб.: 2005. С. 168-170.
10. Бабаков В.Н., Бахолдин В.С., Борсук О.А., Герасименко И.С., Добриков В.А., Дубинко Ю.С., Иванов В.Ф., Лукьяненко А.В., Сахно И.В., Симонов А.Б., Ткачев Е.А. Способ программной обработки буферизованных выборок оцифрованных сигналов и мультисистемный многоканальный программный приемник реального времени сигналов спутниковых навигационных систем и систем их поддержек для его осуществления. Патент РФ № 2336631. Бюлл. № 29, 20.10.2008.
11. Айсфеллер Б., Кройе К., Санрома Д., Люк Т. Разработка и анализ технических характеристик сильносвязанной системы ГСНС/ИНС // Гироскопия и навигация. 2003. № 2(41). С. 47-64.
12. Ладетто К., Мермино Б. Комплексирование цифрового магнитного компаса и гироскопа в задаче пешеходной навигации // Гироскопия и навигация. 2003. № 2(41). С. 65-77.
