CC BY
20======================================Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2012. Вып. 3
2. Радиолокационные системы многофункциональных самолетов / под ред. А. И. Канащенкова и В. И. Меркулова: в 3 т. Т. 1. РЛС - информационная основа боевых действий многофункциональных самолетов. Системы и алгоритмы первичной обработки радиолокационных сигналов. М.: Радиотехника, 2006. 655 с.
3. Papoulis A. Probability, random variables and stochastic processes. New York: McGraw-Hill, 1991. 667 p.
4. Финкельштейн М. И. Основы радиолокации: учебник для вузов. М.: Радио и связь. 1983. 536 с.
5. Лихарев В. А. Цифровые методы и устройства в радиолокации. М.: Сов. радио, 1973. 456 с.
V. I. Koshelev, V. A. Belokurov Ryazan state radio engineering university
Synthesis of algorithm of detection of the purpose combined with elimination of ambiguity on range
A multiframe detection method allowing to raise power range of target detection by radar system with range estimation ambiguity is considered.
Repetition period wobbulation, target movement hypothesis, range ambiguity
Статья поступила в редакцию 19 июля 2011 г.
УДК 627.722.6
М. Р. Бибарсов, Е. В. Грибанов
Военная академия связи
Вероятность ошибочного приема навигационного сообщения в аппаратуре потребителя спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС в условиях возмущений ионосферы
Исследовано влияние возникающих в условиях возмущений ионосферы общих и частотно-селективных замираний принимаемого сигнала на вероятность ошибочного приема навигационного сообщения в аппаратуре потребителя СРНС ГЛОНАСС.
Спутниковая радионавигационная система, возмущения в ионосфере, замирания, вероятность ошибки
Передаваемое в радиосигналах спутниковой радионавигационной системы (СРНС) ГЛОНАСС навигационное сообщение предназначено для проведения потребителями навигационных определений и планирования сеансов навигации [1]. Навигационное сообщение, передаваемое каждым навигационным спутником (НС), содержит оперативную и неоперативную информацию. Оперативная информация включает сдвиг шкалы времени НС относительно системной шкалы времени; относительное отличие несущей частоты излучаемого радиосигнала от номинального значения; эфемериды НС (координаты и параметры движения спутника на фиксированный момент времени); код метки времени, необходимой для синхронизации процесса извлечения навигационной информации в аппаратуре потребителя. Неоперативная информация содержит альманах системы.
В теории приема и обработки сигналов различают когерентную и некогерентную обработки. Оценки псевдодальностей и псевдоскоростей в приемнике сигналов СРНС могут быть получены как при когерентной, так и при некогерентной обработках сигналов. Выделение же навигационного сообщения возможно лишь в когерентном режиме [1].
© Бибарсов М. Р., Грибанов Е. В., 2012
41
Для обеспечения высокой помехоустойчивости и получения высокой точности измерения радионавигационных параметров в СРНС используют сигналы с относительной фазовой манипуляцией (ОФМ) и помехоустойчивое кодирование кодом Хэмминга (88, 77) (кодовое расстояние равно 4) [1].
При естественных возмущениях ионосферы (ЕВИ) и искусственных возмущениях ионосферы (ИВИ) возрастает интегральная электронная концентрация (ЭК) Мт, которая на высотах слоя Г имеет неоднородный характер: = Nт + А N, где Nт и А N - среднее значение интегральной ЭК ионосферы и ее флуктуации относительно Nт соответственно [2], [3].
Увеличение вследствие ЕВИ и ИВИ флуктуаций интегральной ЭК А N в слое Г, характеризуемых среднеквадратическим отклонением (СКО) ст^ , приводит к увеличению
СКО флуктуаций фазового фронта волны на выходе ионосферного слоя (аф ~ ад^ ) и к возникновению общих замираний (ОЗ) принимаемых сигналов, поскольку коэффициент глубины замираний трансионосферного канала связи (КС) у ~ [2], [3]. Увеличение Стф обуслов-
ливает сужение полосы когерентности ионосферы (АГк ~ 1/аф). Поскольку в СРНС используется широкополосный сигнал с шириной спектра АР0 = 10 МГц, при сужении полосы до АРк < 0.1 МГц возникают частотно-селективные замирания (ЧСЗ), так как ДГ0 ^ ДГк [2], [3].
Цель настоящей статьи заключается в оценке вероятности ошибочного приема навигационного сообщения в аппаратуре потребителя СРНС "ГЛОНАСС" в условиях возмущений ионосферы.
Вероятность ошибочного приема сигналов ОФМ в каналах с постоянными параметрами и аддитивными гауссовскими шумами при когерентном приеме описывается выражением [4]:
2| I 2 \ 1 р + 21*2 2
Рош= (12) • 1-Г Ы2^о ) , где Г (х) = ,— I е~ ' ёХ - интеграл вероятности; И) - от-
\2п
-да
ношение "сигнал/шум" (ОСШ) на входе приемника. Для КС с релеевскими замираниями [5]
Рош =1 [[1 - Г2 (Т^Дю (И2 ) &И2, (1)
9 ^
о
,(И2 ) = (2^/И2
-И2/И2
где ю!И ) = ^ 2у И / И) ] е ' 0 - плотность вероятности превышения порога сигналом,
подверженным замираниям.
Интеграл (1) может быть вычислен только приближенными методами [5], но при 2
больших значениях И [4]
Рош * 1 (2 + ЗИ02) . (2)
Энергетический выигрыш при использовании когерентного приема при общих замираниях не превышает 3 дБ [6], а так как интеграл (1) вычисляется приближенным методом, то для упрощения вычислений можно воспользоваться соотношением, определяю-
щим среднюю вероятность ошибочного приема сигналов ОФМ при некогерентном приеме на выходе демодулятора в виде [6]:
Рош = (12) • [(1 + Y2 )/ (l + Y2 + h2 )] ехр [- Y (l + Y2 + h? )]
(3)
где согласно [2], [3] у = 1/
ехр а ф -1
, причем а2 = (80.8Vс)2 (oANJ/о)2; /о
- не-
сущая частота; с - скорость света.
Выражение (3) в случае релеевских замираний (у2 = о) сводится к виду [6]:
Рош = 1 (2 + 2Ио ).
(4)
На рис. 1 представлены зависимости Рош (Ло) при у2 = 0 для когерентного приема
(кривая 1) и для некогерентного приема (кривая 2), построенные согласно выражениям (2), (4). Из зависимостей следует, что выигрыш когерентного приема настолько незначителен, что оценку помехоустойчивости когерентного приема можно проводить согласно выражению (3).
Помехоустойчивое кодирование, реализованное в КС с постоянными параметрами, в каналах с замираниями (хотя и обеспечивает энергетический выигрыш в несколько децибел) не может компенсировать возникающих потерь помехоустойчивости [7]. В связи с этим, для оценки вероятности ошибочного приема навигационного сообщения СРНС ГЛОНАСС в КС с ОЗ можно использовать соотношение (3).
При модели КС с ЧСЗ, когда замирания спектральных составляющих сигнала
□ = 2 п (/ - /о ) в пределах полосы его спектра ДQо = 2 лА^о описываются релеевским законом и происходят без взаимной корреляции; уменьшение ОСШ на входе приемника описывается коэффициентом пэ ^ 1 энергетических потерь при обработке (в согласованном фильтре или в корреляторе) сигнала, подверженного ЧСЗ [2], [3]. Указанный коэффициент определится как
Пч = erf [я(AFK/AFo)]|_1 + (2п2) (Д^/Д^) где erf [•] - функция ошибок; AFK = 2/о (2 + d2 )
- п32 (AFo/AFk ) {2 - ехр [-п2 (AFjЩ )2 ]},
, причем
d2 = (h 2- 3Иэ hx+ 3h\) с21 (l92n2 /02/s4)
> 1
- коэффициент, характеризующий нарастание дифракционных эффектов во фронте волны по мере ее распространения (Ъу=
= 5 -105 м - расстояние от нижней границы ионосферного слоя до точки приема; Лэ =
= 2.55 -105 м - эквивалентная толщина слоя Р ионосферы с неизменным по высоте зна-
Р 10"
10
-2 _
10-
10 10
—5
-4 _
Рис. 1
3
Состояние ионосферы N 3 эл./м Nт, эл./м2 aANт, эл./м2
Невозмущенная ионосфера (НИ) 1012 2.55 -1017 1013
ЕВИ 1013 2.55-1018 1015
ИВИ 1014 2.55-1019 1017
чением ЭК; 18 = 200 м - характерный размер мелкомасштабных неоднородностей). С учетом ЧСЗ выражение (3) примет
вид
Рош = (12) [(1 + У2 )/(1 + У2 + И?Пч )_ х
хехр (1 + У2 + И)Пэ )]. (5)
В таблице даны параметры ионосферы [2], [3] при различном ее состоянии, для которых на рис. 2 представлены зависимости Рош (Л0), построенные согласно (5). Из зависимостей следует, что в условиях НИ вероятность ошибочного приема навигационного сообщения Рош = 10—5 обеспечивается при ОСШ на входе приемника И^ = 11 (10 дБ), в
условиях ЕВИ - при = 104 (40 дБ), а в условиях ИВИ - при = 6 -104 (48 дБ).
13 2 —5
В условиях НИ (при Од^ = 10 эл./м ) вероятность ошибки Рош < 10 достигается
за счет выбора частотных параметров /0 = 1.6 ГГц и Ар0 = 10 МГц, при которых фактор
рассеяния радиоволн на неоднородностях ионосферы не проявляется и замирания принимае-
17 2
мых сигналов отсутствуют. Однако в условиях ИВИ, когда о^ = 10 эл./м , передача
сигналов с указанными частотными параметрами может сопровождаться существенным увеличением вероятности ошибочного приема навигационного сообщения.
Повышение помехоустойчивости возможно применением пространственно-разнесенного приема на несколько (п) антенн, расположенных на расстояниях, превышающих интервал пространственной корреляции замираний [7]. В устройстве обработки используют квадратичное сложение сигналов отдельных приемников или более сложные алгоритмы когерентного сложения с весами (однако последние при существенно более сложной реализации обеспечивают выигрыш не более чем в 1.. .2 дБ).
Вероятность ошибки в схеме квадратичного сложения определится как [8]:
п-1 к
Рош = X Ск+к-1Рош1 (1 - Рош1 ^ (6)
к =0
где РоШ1 - вероятность ошибки при одиночном некогерентном приеме для того же значения Л0 . Эта же формула справедлива и для оптимального когерентного разнесенного приема, если под Рош1 понимать вероятность ошибки при оптимальном когерентном одиночном приеме [8].
На рис. 3 представлены зависимости 2
Р 10
10
10
-2
1010-
-3 _
Ро
ош
в условиях ИВИ, построенные со-
Рис. 2
======================================Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2012. Вып. 3
гласно (5) и (6) для пространственно-разнесенного приема на n = 1, 4 антенн. Из них следует, что при реализуемом на входе приемника СРНС ГЛОНАСС ОСШ h0 = 20 дБ
в условиях ИВИ вероятность ошибочного приема навигационного сообщения в аппаратуре потребителя СРНС ГЛОНАСС составит .Рош = 6 -10 . При пространственно-разнесенном приеме на две антенны вероятность ошибочного приема навигационного сообщения уменьшится до Рош = 10-4, а при приеме на три или четыре антенны .Рош «с 10-5.
Таким образом, установлено, что фактор рассеяния радиоволн в неоднородностях ионосферы, проявляющийся в виде замираний принимаемых сигналов существенно влияет на вероятность ошибочного приема навигационного сообщения. Замирания могут носить общий (райсовский, релеевский) или частотно-селективный характер в зависимости от несущей частоты fo и полосы AFo передаваемых сигналов, а также от степени возмущения неоднородной ионосферы.
Список литературы
1. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / под ред. А. И. Перова, В. Н. Харисова. 4-е изд. М.: Радиотехника, 2010. 800 с.
2. Маслов О. Н., Пашинцев В. П. Модели трансионосферных радиоканалов и помехоустойчивость систем космической связи // Прил. к журналу "Инфокоммуникационные технологии". Вып. 4 / ПГАТИ. Самара, 2006. 357 с.
3. Пашинцев В. П., Солчатов М. Э., Гахов Р. П. Влияние ионосферы на характеристики космических систем передачи информации. М.: Физматлит, 2006. 184 с.
4. Военные системы радиосвязи / В. В. Игнатов, Ю. П. Килимник, И. Н. Никольский и др. / под ред. В. В. Игнатова / ВАС. Л., 1989. 386 с.
5. Буга Н. Н. Основы теории связи и передачи данных: учебник для слушателей воен. акад. и высш. ко-манд.-инж. училищ: в 2 ч. Ч. 2 / ВАС. Л., 1970. 707 с.
6. Финк Л. М. Теория передачи дискретных сообщений. 2-е изд. М: Сов. радио, 1970. 728 с.
7. Волков Л. Н., Немировский М. С., Шинаков Ю. С. Системы цифровой радиосвязи: базовые методы и характеристики: учеб. пособие. М.: Эко-Трендз, 2005. 392 с.
8. Общая теория связи / Д. Л. Бураченко, Г. Д. Заварин, Н. И. Клюев и др. / ВАС. Л., 1970. 412 с.
M. R. Bibarsov, Е. V. Gribanov Military academy of communication
Probability of erroneous reception of the navigating message in equipment of consumer satellite radio navigation system GLONASS in the conditions of ionosphere indignations
Influence of ionosphere perturbations arising in the conditions of the general and frequency selective fading of a received signal on error receiving probability of the navigation message in equipment of SRNS GLONASS customer is probed.
Satellite radio navigating system, ionosphere perturbations, fading, error probability
Статья поступила в редакцию 5 января 2012 г.
Рис. 3
