Применение алгоритмов обработки сигналов для улучшения радиовидимости навигационных космических аппаратов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Решетневские чтения. 2017

УДК 004.89

ПРИМЕНЕНИЕ АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ РАДИОВИДИМОСТИ НАВИГАЦИОННЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ*

Ю. С. Ломаев, И. А. Иванов

АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

E-mail: lomaevys@iss-reshetnev.ru

Представленная работа содержит информацию в части анализа алгоритмов обработки сигналов, распространяющихся от навигационных космических аппаратов (НКА) до космических аппаратов слежения. В рамках проводимого анализа особое место отведено алгоритмам обработки сигналов, позволяющим улучшать радиовидимость НКА. Производится рассмотрение модифицированного алгоритма фильтрации сигналов в качестве усовершенствования стандартных методов фильтрации.

Ключевые слова: космический аппарат, навигационные сигналы, обработка сигналов, радиовидимость, модуляция, фильтрация.

APPLYING SIGNAL PROCESSING ALGORITHMS TO IMPROVE RADIOVISIBILITY CONDITIONS OF NAVIGATION SPACECRAFTS

Yu. S. Lomaev, I. A. Ivanov

JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: lomaevys@iss-reshetnev.ru

This work contains information regarding the analysis of algorithms to process the signals propagating from navigation spacecrafts (NS) to monitoring spacecrafts. In terms of conducted analysis the special attention is paid to signal processing algorithms that improve satellite radiovisibility. The modified signal filtering algorithm is considered that improves standard filtering techniques.

Keywords: spacecraft, navigation signals, signal processing, radiovisibility, modulation, filtering.

Исследование и анализ условий радиовидимости навигационных космических аппаратов является важной задачей, позволяющей увеличивать эффективность ретрансляции космическими аппаратами (КА) слежения излучаемых спутниками сигналов. В качестве способа, используемого для увеличения эффективности ретрансляции, применяются разработки модифицированных приёмных антенных решёток, создаваемых путём увеличения количества приёмных антенн. Однако реализация данного способа финансово затратная. Увеличение числа приёмных антенн увеличивает массу аппарата в целом, следовательно, необходимо затратить больше ресурсов для вывода КА на орбиту. Теоретическим альтернативным способом увеличения эффективности ретрансляции является увеличение количества передатчиков НКА, однако, в рамках существующих навигационных спутниковых систем практическая состыковка дополнительных передатчиков к уже функционирующим НКА с имеющимися передатчиками (направлены в сторону Земли) фактически невозможна.

Так как конструктивное улучшение либо сложно в реализации, либо финансово нерентабельно, возника-

ет идея алгоритмического улучшения. Очевидно, что для увеличения эффективности ретрансляции стоит обратить внимание на модуляцию и фильтрацию сигнала.

Модуляция позволяет при организации вещания настроить функционирование всех приёмо-передаю-щих устройств на разные частоты с тем, чтобы устройства не создавали помехи друг другу [1]. Фильтрация сигнала необходима для уменьшения влияния теплового шумового излучения Земли, планет, Солнца, звёзд и межзвёздной среды [2].

Схематичное изображение процессов модуляции и фильтрации принимаемых сигналов приведено на рисунке.

В работе использовались такие стандартные методы фильтрации, как фильтры Бесселя, Баттерворта, Чебышева, эллиптический фильтр [3-5]. В качестве улучшенного алгоритма фильтрации рассматривался модифицированный алгоритм фильтрации нижних частот (ФНЧ).

Алгоритм основан на прямом и обратном преобразованиях Фурье с введением эвклидовой метрики для определения полосы пропускания.

* Работа поддержана РФФИ и Правительством Красноярского края в соответствии с исследовательским проектом № 16-41-243036.

Математические методы моделирования, управления и анализа данных

Частота приёма Схема обработки принимаемых сигналов

Результаты влияния алгоритмов фильтрации сигналов

КА на Методы фильтрации Количество сеан- Максимальное/минимальное Среднее количество

ВЭО (фильтры) сов радиовиди- количество радиовидимых радиовидимых

мости спутников спутников

ВЭО 1 Бесселя 1765 14/4 9.89

Баттерворта 1773 14/4 9.93

Чебышева 1746 14/3 9.63

Кауэра 1780 14/4 10.01

Модифицированная ФНЧ 1757 14/3 9.78

Без фильтрации сигнала 1734 13/3 9.57

ВЭО 2 Бесселя 1162 17/1 6.70

Баттерворта 1168 17/1 6.73

Чебышева 1144 16/1 6.34

Кауэра 1179 17/1 6.87

Модифицированная ФНЧ 1190 18/1 7.07

Без фильтрации сигнала 1138 16/0 6.25

В основе определения полосы пропускания заложена идея дискретизации сигнала с последующим рассмотрением среднего расстояния между всеми парами точек и сравнением найденного среднего расстояния с расстоянием между каждыми двумя соседними точками.

Расстояние йт'й между двумя соседними точками Р'-1 и р' (' - номер точки) рассчитывается по формуле (1), и проверяется условие (2):

^А _

// 1 2\2 / 1 2\2 , , // п «-К2 . / п п-1 \2

_У (Р1 ~Р1) + (Р2 -Р2) + ■■■ + У(Р1 -Р1 ) + (Р2 -Р2 ) =

п-1

п-1 I-

+1 ' 2 - Р< )

п -1

(1)

где п - число точек;} - размерность; ' - номер точки. Для фильтра верхних (нижних) частот:

| если й(р' , р'+1) - > (<)0, то й(Р, Р+1) е ^

1иначе й(Р, Р+1) е ПапА,^

(2)

де Wcutoff(bandwldth) - полосы среза и пропускания соответственно.

В качестве модельных примеров рассматривается анализ условий распространения навигационных сигналов от НКА до КА слежения (КА на высокоэллиптической орбите ВЭО1 и высокоэллиптической орби-

те ВЭО2) в течение 10 дней (от 00:00:00 01.06.2016 до 00:00:00 11.06.2016, время иТС). Результаты влияния алгоритмов фильтрации сигналов на условия радиовидимости НКА приведены в таблице 1. Алгоритмы имеют одинаковые начальные параметры. По результатам отмечаем, что наилучшие показатели радиовидимости у КА на ВЭО1 наблюдаются при использовании фильтра Кауэра, а у КА на ВЭО2 - при использовании модифицированной ФНЧ.

В дальнейшем планируется исследовать влияние алгоритма модифицированной ФНЧ на условия радиовидимости НКА при долговременном орбитальном движении КА слежения.

Библиографические ссылки

1. Сергиенко А. Б. Цифровая обработка сигналов. СПб. : Питер, 2002. 608 с.

2. Джиган В. И. Адаптивная фильтрация сигналов: теория и алгоритмы. М. : Техносфера, 2013. 528 с.

3. Павлов В. Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств : учеб. пособие. М. : Академия, 2008. 288 с.

4. Айфичер Э., Джервис Б. Цифровая обработка сигналов. Практический подход. 2-е изд. : пер. с англ. М. : Вильямс, 2004. 992 с.

5. Левин В. Л., Микшис М. Н., Теплюк И. Н. Аналоговые и цифровые фильтры: расчет и реализация. М. : Мир, 1982. 592 с.

Решетневскуе чтения. 2017

References

1. Sergiyenko A. B. Tsifrovaya obrabotka signalov. SPb. i Piter, 2002. 60S р.

2. Dzhigan V. I. Adaptivnaya fil'tratsiya signalovi teoriya i algoritmy. M. i Tekhnosfera, 2013. 52S р.

3. Pavlov V. N. Skhemotekhnika analogovykh elektronnykh ustroystvi uchebnoye posobiye dlya studentov vysshikh uchebnykh zavedeniy. M. i Akademiya, 200S. 2SS р.

4. Ayficher E., Dzhervis B. Tsifrovaya obrabotka signalov. Prakticheskiy podkhod. 2-ye izdaniye. Per. s angl. M. i Vil'yams, 2004. 992 р.

5. Levin V. L., Mikshis M. N., Teplyuk I. N. Analogovyye i tsifrovyye fil'tryi raschet i realizatsiya. M. i Mir, 19S2. 592 р.

© Ломаев Ю. С., Иванов И. А., 2017