Научная статья на тему 'Применение последовательных алгоритмов для решения задачи ускоренного поиска навигационного сигнала'

Применение последовательных алгоритмов для решения задачи ускоренного поиска навигационного сигнала Текст научной статьи по специальности «Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства»

CC BY
106
129
Поделиться
Ключевые слова
ГЛОБАЛЬНАЯ НАВИГАЦИОННАЯ СПУТНИКОВАЯ СИСТЕМА / ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ АЛГОРИТМ ПОИСКА

Аннотация научной статьи по общим и комплексным проблемам технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства, автор научной работы — Власов И. Б., Мыкольников Я. В., Слепова И. С.

В статье рассматривается алгоритм последовательного поиска спутникового радионавигационного сигнала с комбинированной статистикой, который является оптимальным по критерию минимума средней длительности поиска в условиях приема слабого сигнала. Для ускорения работы блока обнаружителя в приемнике при синтезе алгоритма была использована согласованная фильтрация в частотной области на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ). Численным методом в программном пакете MATLAB проводились исследования характеристик блока обнаружения и сравнительный анализ рассматриваемого алгоритма с алгоритмом принятия решения по критерию Неймана-Пирсона.

Похожие темы научных работ по общим и комплексным проблемам технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства , автор научной работы — Власов И. Б., Мыкольников Я. В., Слепова И. С.,

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Применение последовательных алгоритмов для решения задачи ускоренного поиска навигационного сигнала»

Электронное научно-техническое издание

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Эл ид ФС 77 - 30569. Государственная регистрация N304-21100025. ISSN 1994-0406

Применение последовательных алгоритмов для решения задачи ускоренного поиска навигационного сигнала

77-30569/290478

# 01, январь 2012

Власов И. Б., Мыкольников Я. В., Слепова И. С.

УДК 621.396

МГТУ им. Н.Э. Баумана vlasov@bmstu.ru yakovm@mail.ru piramida-sis@yandex.ru

В глобальных навигационных спутниковых системах (ГНСС) существуют приложения, в которых решается задача ускоренного поиска в условиях приема слабого сигнала. Для этой цели в некоторых приемниках применяется та или иная схема быстрого поиска, которая основана на реализации алгоритмов быстрой свертки и распараллеливания процесса поиска.

1. Структурная схема обнаружителя сигнала ГНСС

В статье рассматриваем обнаружитель спутниковых радионавигационных сигналов (СРНС) (структурная схема обнаружителя представлена на рис.1), в которой применяется алгоритм согласованной фильтрации в частотной области, базирующийся на методах быстрого преобразования Фурье (БПФ). Этот алгоритм обладает серьезным преимуществом перед корреляционной обработкой: согласованный фильтр инвариантен к задержке сигнала, что позволяет отказаться от переборных процедур поиска сигнала по времени и реализовать параллельный анализ во всех временных элементах разрешения [1 ]. Это обеспечивает заметное сокращение времени поиска сигнала.

Рис.1. Структурная схема обнаружителя СРНС

Поиск по второму неизвестному параметру - доплеровской частоте Fд -реализуется путем последовательного перебора ряда заранее заданных значений допле-ровского сдвига. Для принятия решения о наличии или отсутствии сигнала в каждом элементе разрешения по задержке (канале) тз используем вычислитель решающей статистики (ВРС), реализующий последовательный алгоритм с комбинированной статистикой. В статье [2] был проведен сравнительный анализ статистических характеристик последовательного алгоритма, основанного на критерии Вальда, многоканальной последовательной процедуры с независимыми решениями, алгоритма поиска с зависимыми решениями, последовательного правила Маркуса-Сверлинга и алгоритма с комбинированной решающей статистикой. В условиях приема слабого сигнала оптимальным является последовательный алгоритм с комбинированной статистикой.

2. Последовательный алгоритм поиска с комбинированной статистикой Принцип построения алгоритма заключается в формировании двух решающих правил и сравнение их с двумя независимыми решающими порогами. Структура каждой из этих статистик, именуемых в дальнейшем соответственно "статистикой обнаружения" и "статистикой необнаружения", выбирается исходя из конкретных условий решаемой задачи.

Для решения задачи поиска и обнаружения сигнала ГНСС может применяться процедура с комбинированной статистикой, предусматривающая, что проверка гипотезы Н1 в каждом канале производится путем сравнения его парциальной статистики Л] с решающим порогом

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

* 1 А1 = ш-Л1 = ш-1п(Е1"1),

где ш - число каналов (ячеек поиска по задержке), Б - вероятность ложной тревоги, А1 -

1 -в

значение верхний порог, которое вычисляется формулой А1 =-[3]

а

*

При пересечении порога А 1 гипотеза Н1 в данном канале считается принятой независимо от состояния других каналов, т.е. для проверки Н1 используется последовательное правило с независимыми решениями. Гипотеза Но об отсутствии сигналов проверяется на

основании сравнения с вальдовским нижним порогом В1 (В1 = в ) статистики без-

1 -а

условного отношения правдоподобия, вычисленной для тех каналов, где не был превышен верхний порог. «Статистика необнаружения» формируется следующим образом:

1 т

Л = -ЦIЛ # . (1)

т -

1

Здесь £ - множество индексов каналов, в которых на к-ом шаге Л]> А1, I - число таких каналов.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

В задачах обнаружения сигналов ГНСС только в одной ячейке по времени задержки может находиться корреляционный пик, превышающий верхний порог статистики, соответствующий принятию решения о наличии сигнала того или иного спутника на входе приемника поэтому в формуле (1) I = 1.

Рассмотренное правило может быть записано в виде

И] = И, 1,гдё Л1 > А;; И = Но, гдё кк < 3; И = Н1, гдё Лк > в;.

3. Начальные условия для моделирования

На вход обнаружителя подается сигнал с выхода аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) на промежуточной частоте (ПЧ). В качестве начальных условий принимаем, что сигнал является детерминированным на фоне узкополосного гауссовского шума

с известным СКО (а = 1), смодулированным информационным сообщением. Логарифм

порциальной решающей статистики такого сигнала имеет следующий вид:

к

% (У г) = - ка12 2а1 У'

1=1

где ук - выходные отсчеты с коррелятора, а1 - ожидаемое значение отсчета с коррелятора Вероятность правильного обнаружения Б = 0.5; вероятность пропуска сигнала Б = 10-4.

4. Результаты моделирования блока обнаружителя

4.1. Зависимость средней длительности процедуры при обнаружении и правильном необнаружении сигнала от числа каналов при отношении с/ш (ОСШ) равным 0дБ

Средняя длительность последовательной процедуры линейно зависит от увеличения числа каналов. На рис.2 представлена зависимость числа шагов поиска от числа каналов при правильном обнаружении сигнала. По значениям, выделенным маркерами, видно, что, если сигнал присутствует в канале, то обнаружитель, реализующий последовательное правило поиска с комбинированной статистикой, примет решение о его наличии в два раза быстрее, чем при использовании классического критерия Неймана-Пирсона, если сигнал отсутствует - в четыре раза быстрее.

а

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

б

Рис. 2. Зависимость числа шагов поиска сигнала от числа каналов: а - при правильном обнаружении; б - при правильном необнаружении

4.2. Характеристики обнаружения

В одноканальном обнаружителе (рис. 3) вероятность правильного приема Б для комбинированной статистики при различных значениях ОСШ выше, чем для критерия Неймана-Пирсона. В многоканальном обнаружителе характеристики обнаружения двух алгоритмов близки по значениям друг другу.

а

б

Рис. 3. Характеристики обнаружения сигнала при различном числе каналов: а - число каналов m = 1; б - число каналов m = 1000

5. Выводы Было установлено:

- разработана модель блока обнаружителя сигнала ГНСС в программном пакете МЛТЬЛВ, которая позволят проводить анализ и исследования различных алгоритмов поиска;

- алгоритм последовательного поиска с комбинированной статистикой имеет аналогичные характеристики обнаружения, что и алгоритм с решающим правилом Неймана-Пирсона;

- при фиксированных характеристиках обнаружения рассмотренный алгоритм позволяет снизить среднее время обнаружения сигнала ГНСС при низком уровне ОСШ (0 дБ) в среднем в два раза при наличии сигнала, в четыре раза -при отсутствии сигнала.

Список использованных источников

1. Информационные технологии в радиотехнических системах: Учебное пособие / В.А. Васин, И.Б. Власов, Ю.М. Егоров и др.; Под ред. И.Б. Федорова. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011.

2. И.Б. Власов, Я.В. Мыкольников. Ускоренный поиск в частотной области с использование последовательных (вальдовских) правил. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007.

3. Вальд А. Последовательный анализ: Пер. с англ./Под ред. Б.А. Севастьянова. -М.: Физматгиз, 1960.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

4. Розанов Б.А., Соловьев Г.Н. К оценке эффективности многоканального анализа с одновременным принятием решений в каналах. - М.: Радиотехника и электроника.

5. Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. М.: Радио и Связь, 1981.

electronic scientific and technical periodical

SCIENCE and EDUCATION

_EL № KS 77 - 3Ü56'». .V;II421100025, ISSN 1994-jMOg_

Sequential algorithm application for solving navigation signal accelerated search problem

77-30569/290478 # 01, January 2012

Vlasov I.B., Mykol'nikov Ya.V., Slepova I.S.

Bauman Moscow State Technical University

vlasov@bmstu.ru yakovm@mail.ru piramida-sis@yandex.ru

This article considers a satellite navigation signal sequential search algorithm with complex statistics, which is optimal for average search duration minimum criterion in condition of weak signal receipt. Matched filtering in frequency domain, based on Fast Fourier Transform (FFT) is used in order to increase speed of signal acquisition. Signal detection block characteristics are researched in MATLAB. In addition, the considered algorithm and decision algorithm based on Neiman-Pirson criteria are compared.

Publications with keywords: Global Navigation Satellite Systems, detection block, sequential search algorithm

Publications with words: Global Navigation Satellite Systems, detection block, sequential search algorithm

Reference

1. Vasin V.A., Vlasov I.B., Dmitriev D.D., et al., in: I.B. Fedorov (Ed.), Information technology in radiotechnical systems, Moscow, Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana - BMSTU Press, 2011, 868 p.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

2. I.B. Vlasov, Ia.V. Mykol'nikov, Advanced search in the frequency domain with the use of Wald's sequential rules of, Moscow, MGTU im. N.E. Baumana - BMSTU Press, 2007.

3. Val'd A., in: B.A. Sevast'ianov (Ed.), Sequential analysis, Moscow, Fizmatgiz, 1960.

4. Rozanov B.A., Solov'ev G.N., Assessing the effectiveness of multichannel analysis with simultaneous decision-making in the channels of, Radiotekhnika i elektronika 21 (6) (1976)1233-1241.

5. Shirman Ia.D., Manzhos V.N., Theory and technology of processing of radar information on the background of noise, Moscow, Radio i Sviaz', 1981.