Учебная специализация «Радионавигационные системы и комплексы» в составе собственного образовательного стандарта МГТУ им. Н. Э. Баумана Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ МГТУ ИМ. Н. Э. БАУМАНА

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Эл № ФС77 • 48211. Государственная регистрация №0421200025. ISSN 1994-0408

электронный научно-технический журнал

Учебная специализация «Радионавигационные системы и комплексы» в составе собственного образовательного стандарта МГТУ им. Н.Э. Баумана

77-48211/582952

# 06, июнь 2013 Власов И. Б.

УДК 629.78

Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана [email protected]

В настоящее время спутниковая радионавигация относится к числу ключевых технологий, обеспечивающих информационную независимость и безопасность государства. Достижения спутниковой радионавигации находят широкое применение в системах, гражданского, двойного и военного назначения, соответственно, специалисты в этой области весьма востребованы не только на предприятиях ракетно-космической и смежных отраслей, но и среди потребителей услуг Глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Подготовка специалистов этого направления ведется в ряде ВУЗов нашей страны, в том числе - в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана.

В 1998г. на кафедре «Радиоэлектронные системы и устройства» МГТУ в качестве эксперимента был прочитан факультативный курс, содержавший базовые сведения в области спутниковой навигации. Курс вызвал интерес у слушателей и с 2000 г. был введен в учебные программы в качестве обязательного для студентов 5-го года обучения по направлению «Радиотехника» (специальность 210601 «Радиоэлектронные системы и комплексы»). В настоящее время общий объем курса составляет 120 часов, в том числе лекций -51 час, лабораторные работы - 20 часов, самостоятельная работа студентов 49 часов. Содержание курса постоянно обновляется и дополняется с учетом последних научно - технических достижений в области спутниковой навигации.

В соответствии с рекомендациями Минвуза, курс разделен на два модуля. Первый модуль посвящен базовым понятиям и принципам функционирования радионавигационных систем и содержит 6 тем. Во втором модуле излагаются методы и алгоритмы обработки сигналов в аппаратуре потребителей спутниковых радионавигационных систем, сгруппированные в 8 тем (см. таблицу 1).

Таблица 1

Укрупненная структура курса «Основы радионавигации»

Модуль 1 Базовые понятия и принципы функционирования радионавигационных систем

1.1 Основные понятия и определения, классификация. Методы навигационных измерений, основанные на измерении угла прихода сигнала, времени распространения (задержки), доплеровского сдвига

1.2 История, принципы построения и функционирования РНС наземного и авиационного базирования

1.3 История, принципы построения и функционирования спутниковых радионавигационных систем (СРНС) первого поколения

1.4 Глобальные навигационные спутниковые системы (СРНС второго поколения). Структура орбитальной группировки.

1.5 Наземный комплекс управления ГНСС. Координатно-временное обеспечение ГНСС

1.6 Структура сигналов и сообщений в ГНСС

Модуль 2 Методы и алгоритмы обработки сигналов в аппаратуре потребителей спутниковых радионавигационных систем

2.1 Состав, назначение и технические характеристики основных функциональных узлов аппаратуры потребителя

2.2 Статистические модели сигналов и помех в радионавигации

2.3 Особенности задачи поиска сигнала в радионавигационных системах. Принципы организации и алгоритмы поиска сигнала.

2.4 Когерентные и некогерентные схемы слежения за задержкой доплеровской частотой и фазой сигналов СРНС.

2.5 Потенциальная и реальная точность навигационно-временных определений по сигналам ГНСС. Основные источники погрешностей измерений. Дифференциальная коррекция и относительные измерения.

2.6 Пространственно-временная обработка сигналов в АП СРНС. Методы и аппаратура определения угловой ориентации объектов по сигналам ГНСС

2.7 Интегрированные (инерциально - спутниковые ) навигационные системы

2.8. Обзор вновь создаваемых глобальных и региональных спутниковых навигационных систем

Из приведенного описания курса видно, что он позволяет студентам получить объем базовых знаний, достаточный для «продвинутого» пользователя аппаратуры ГНСС. Однако целый ряд вопросов, необходимых для профессионального участия в разработке и развитии спутниковых навигационных технологий и соответствующе аппаратуры, остается за рамками данного курса.

Поэтому в рамках происходящего в настоящее время перехода на федеральные учебные стандарты четвертого поколения, в разработке которых активно участвовал МГТУ, Университет разработал собственный образовательный стандарт высшего профессионального образования по специальности 210601 «Радиоэлектронные системы и комплексы». Этот стандарт предусматривает создание специализации «Радионавигационные системы и комплексы», направленной на углубленное изучение спутниковых радионавигационных систем, а также радионавигационных систем наземного и авиационного базирования.

Программа предполагает, что базовый курс «Основы радионавигации», как и ранее, будет читаться всем студентам, обучаемым по специальности 210601. При этом для студентов, избравших специализацию «Радионавигационные системы и комплексы», будет прочитан ряд дополнительных курсов, большая часть из которых является обязательной, меньшая -факультативной (по выбору).

Специализация «Радионавигационные системы и комплексы» будет преподаваться на 5 и 6 курсах начиная с 2015-2016 учебного года.

В соответствии с разработанным учебным планом, к числу обязательных отнесено 4 дисциплины специализации:

1. Аппаратура потребителей СРНС (тенденции и перспективы развития.) Общий объем курса 72 часа.

2. Радионавигационные сигналы современных СРНС. Общий объем курса 72 часа.

3. Методы и средства высокоточных радионавигационных измерений. Общий объем курса 108 часов.

4. Функциональных дополнения спутниковых радионавигационных систем. Общий объем курса 72 часа.

В качестве дисциплин по выбору планируются курсы:

1. Проекты СРНС GALILEO, BEIDOU/ COMPASS, QZSS, IRNSS.

2. Радионавигационные системы и комплексы наземного и авиационного базирования.

Укрупненные структуры перечисленных курсов приведены в таблицах 2-7.

Таблица 2

Укрупненная структура курса «Аппаратура потребителей СРНС (тенденции и перспективы развития.)»

Модуль 1 «Методы теории статистических решений, используемые в программно-алгоритмическом обеспечении АП СРНС».

1.1 Оценка параметров сигналов как задача теории статистических решений.

1.2 Потенциальная точность независимых оценок задержки, частоты, фазы сигнала. Потенциальная точность совместных оценок задержки и частоты, задержки по огибающей и фазе сигнала. Оптимальная фильтрация сигналов в частотной и временной областях

1.3 Основы теории линейной фильтрации. Фильтры Винера и Калмана (уравнения оптимальной фильтрации, структурные схемы). Основные положения теории оптимальной нелинейной фильтрации. Уравнения нелинейной фильтрации в гауссовском приближении. Обобщенная структурная схема системы оптимальной нелинейной фильтрации, дискриминатор и сглаживающий фильтр.

1.4 Двухэтапные алгоритмы обработки информации в АП Комплексная фильтрация задержки и фазы в когерентном и некогерентном режимах. Комплексная фильтрация задержки с поддержкой оценки доплеровского сдвига. Комплексная фильтрация координат потребителя при вторичной обработке.

1.5 Одноэтапные алгоритмы обработки информации в АП. Комплексная фильтрация задержки и фазы в когерентном и некогерентном режимах.

1.6 Интегрированные спутниково-инерциальные навигационных системы.

1.7 Пространственно-временная фильтрация сигналов СРНС при известном и неизвестном направлении прихода сигнала. Проблема неоднозначности фазовых измерений и методы ее разрешения.

Модуль 2 «Программно- алгоритмическое обеспечение и техническая реализация аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем»

2.1 Требования к характеристикам радиочастотного тракта, аналого-цифрового преобразователя, опорного генератора и синтезатора частот.

2.2 Устройства оптимальной фильтрации в частотной и временной областях. Оптимальный фильтр третьего порядка для следящей системы за фазой сигнала. Оптимальный фильтр второго порядка для следящей системы за задержкой огибающей сигнала. Оптимальный фильтр второго порядка системы, следящей за частотой сигнала.

2.3 Схемы комплексных фильтров слежения за задержкой, доплеровским сдвигом и фазой. Комплексный фильтр слежения за фазой и частотой сигнала в когерентном приемнике. Комплексный фильтр слежения за задержкой огибающей и доплеровской частотой сигнала в когерентном и некогерентном приемнике. Комплексный фильтр слежения за задержкой огибающей с «доплеровской поддержкой».

2.4 Одношаговый алгоритм вторичной обработки. Фильтрационные алгоритмы вторичной обработки. Алгоритмы вторичного сглаживания оценок псевдодальности. Вторичное сглаживание оценок псевдодальности оценками псевдодоплеровского смещения частоты. Вторичное сглаживание оценок псевдодальности приращениями оценок фазы.

2.5 Одноэтапная обработка сигналов в приемниках СРНС. Одноэтапный алгоритм обработки сигналов для некогерентного режима. Многомерный дискриминатор с когерентной обработкой. Интегрированный сглаживающий фильтр. Статистические характеристики синфазных и квадратурных компонент корреляторов когерентного приемника. Статистические характеристики синфазных и квадратурных компонент корреляторов некогерентного приемника. Статистические характеристики фазовых и частотных дискриминаторов.

2.6 Комплексная фильтрация измерений на выходе спутниковой и инерциальной навигационных систем. Комплексная фильтрация задержки огибающей, доплеровского смещения частоты радиосигнала и сигналов инерциальной навигационной системы. Слабосвязанные и разомкнутые схемы комплексирования.

2.7 Пространственно-временная фильтрация сигналов СРНС при известном и неизвестном направлении прихода сигнала.

2.8 Угломерная аппаратура потребителя СРНС

Таблица 3 Укрупненная структура курса «Радионавигационные сигналы современных СРНС».

Модуль 1 Общие характеристики сигналов СРНС.

1.1 Потенциальная точность измерения (оценки) псевдозадержки

1.2 Потенциальная точность измерения (оценки) псевдодоплеровской частоты

1.3 Разрешающая способность при одновременном наблюдении нескольких сигналов

1.4 Сигнал с бинарной фазовой манипуляцией (BPSK). Достижимая точность оценок радионавигационных параметров по сравнению с потенциальной

1.5 Модулирующие ПСП, используемые в СРНС: М-последовательности, последовательности Голда и Кассами

1.6 Меандровые шумоподобные (ВОС) сигналы. Принцип формирования меандровых сигналов. Параметры и виды модулирующих последовательностей. Особенности спектров и АКФ простейших (ВОС) сигналов.

Модуль 2 Комбинированные (мультиплексированные) меандровые сигналы

2.1 Мультипликативные меандровые ПСП (multiplexed BOC, MBOC), варианты построения.

2.2 Мультиплексированные во времени (time-multiplexedBOC, TMBOC); Составные (composite BOC, CBOC).

2.3 Альтернативные BOC сигналы, варианты построения.

2.4 Сравнительный анализ точности измерения задержки при использовании разлисных видов модуляции

2.5 Примеры и перспективы использования (ВОС) сигналов в СРНС ГЛОНАСС, ГАЛИЛЕО, GPS, BEIDOU.

2.6 Навигационные сообщения в СРНС. Состав и структура передаваемой информации. Помехоустойчивое кодирование

Таблица 4

Укрупненная структура курса «Методы и средства высокоточных радионавигационных измерений».

Модуль 1 Дифференциальноая навигация и относительные измерения

1.1 Пространственная и временная корреляция погрешностей навигационных измерений

1.2 Погрешности эфемеридно-временного обеспечения

1.3 Погрешности, обусловленные тропосферной рефракцией

1.4 Погрешности, обусловленные ионосферной рефракцией.

1.5 Принципы дифференциальной коррекции

1.6 Методы относительных измерений

1.7 Разностные методы устранения фазовой неоднозначности. Методы оценки параметра фазовой неоднозначности

1.8 Методы обнаружения и исправления искажений, вызванных сбоями слежения за фазой

Модуль 2 Высокоточные навигационные определения

2.1 Предпосылки развития технологий высокоточных навигационных определений

2.2 Расширенные и уточненные модели первичных измерений. Методы оценки параметров моделей первичных навигационных измерений

2.4 Высокоточная эфемеридно-временная информация. Эффекты, связанные с положением НКА в пространстве

2.5 Релятивистские эффекты. Гравитационно-приливные эффекты.

2.6 Расширенный вектор состояния потребителя

2.7 Высокоточное определение местоположения

2.8 Характеристики алгоритмов высокоточных навигационных определения

Таблица 5 Укрупненная структура курса «Функциональные дополнения СРНС».

Модуль 1 Региональные и широкозонные системы дифференциальной коррекции

1.1 Региональные ДПС. Общие принципы построения

1.2 Широкозонная ДПС WAAS (США)

1.3 Широкозонная ДПС EGNOS (ЕВРОСОЮЗ)

1.4 Широкозонная ДПС MSAS (ЯПОНИЯ)

1.5 Широкозонная ДПС GAGAN (Индия)

Модуль 2 Российская система дифференциальной коррекции и мониторинга СРНС

2.1 История создания СДКМ

2.2 Назначение и области применения

2.4 Принципы построения и функционирования

2.5 Архитектура

2.6 Комплекс сбора измерений

2.7 Комплекс обработки данных

2.8 Комплекс доставки информации СДКМ

2.9 Комплекс контроля

2.10 Подсистема информационного взаимодействия

2.11 Результаты использования и перспективы развития СДКМ

Содержание дисциплин по выбору имеет более описательный характер и допускает большую вариативность (программы могут пересматриваться в начале каждого учебного года). Поэтому структуры этих дисциплин в данной статье не рассматриваются.

Заключение

Разработанная в рамках собственного образовательного стандарта МГТУ им. Н.Э. Баумана новая специализация «Радионавигационные системы и комплексы» позволяет студентам, специализирующимся в области радионавигации, получить широкий круг знаний и компетенций, необходимых для квалифицированной профессиональной работы в указанной области. Учебная программа специализации «Радионавигационные системы и комплексы» предусматривает возможность постоянной доработки отдельных курсов с целью учета последних достижений спутниковой радионавигации, которая в настоящее время является одной из наиболее быстро развивающихся областей науки и техники.

Список литературы

1. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования /Р.В. Бакитько, Е.Н. Болденков, Н.Е. Булавский, В.В. Дворкин, В.С. Ефименко, В.Е. Косенко, В.Я. Нартов, А.И. Перов, А.Е. Перьков, В.В. Тюбалин, Ю.М. Урличич, В.Н. Харисов, В.Е. Чеботарев, А.Ю. Шатилов, под ред. А.И. Перова, В.Н. Харисова. М.: Радиотехника, 2010.

2. Информационные технологии в радиотехнических системах / В.А. Васин, И.Б. Власов, Д.Д. Дмитриев, В.В. Калмыков, Ф.Ф. Кузнецов, А.И. Николаев, В.Б. Пудловский, В.А. Родзивилов, Ю.Н. Себекин, А.И. Сение, Г.П. Слукин, И.Б. Федоров, под ред. И.Б. Федорова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009.

3. Власов И.Б. Глобальные навигационные спутниковые системы. Учеб. пособие. 2-е изд., перераб. и доп., М. «Рудомино». 2010. -200с.: ил.

4. Перов А.И. Методы и алгоритмы оптимального приема сигналов в аппаратуре потребителей спутниковых радионавигационных систем. Учеб. пособие для вузов.- М.: Радиотехника. 2012. 240с., ил.

5. Бакулев П.А., Сосновский А.А. Радионавигационные системы. Учебник для вузов. Изд-е 2-е, испр. и доп.: «Радиотехника», 2011.