CC BY
21
УДК 004.89
ВЛИЯНИЕ АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ НА УСЛОВИЯ РАДИОВИДИМОСТИ НАВИГАЦИОННЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Ю. С. Ломаев, А. С. Ломаев
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Представленная работа содержит информацию в части анализа условий распространения навигационных сигналов от навигационных космических аппаратов (НКА) до космических аппаратов (КА) слежения. В рамках проводимого анализа особое место отведено алгоритмам обработки излучаемых навигационных сигналов. Производится рассмотрение модифицированного алгоритма фильтрации сигналов в качестве усовершенствования стандартных методов фильтрации.
Ключевые слова: радиовидимость, навигационные сигналы, обработка сигналов, модуляция, фильтрация, космический аппарат.
INFLUENCE OF SIGNAL PROCESSING ALGORITHMS FOR RADIOVISIBILITY CONDITIONS OF NAVIGATION SPACECRAFTS
Yu. S. Lomaev, A. S. Lomaev
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
This work contains information regarding analysis of propagation conditions of navigation signals from navigation satellites to monitoring spacecrafts. The special place is given to processing algorithms of emitted navigation signals as part of analysis. Consideration of the modified algorithm for signal filtering allows to improve standard filtering techniques.
Keywords: radiovisibility, navigation signals, signal processing, modulation, filtering, spacecraft.
Исследование и анализ условий радиовидимости навигационных космических аппаратов является важной задачей, позволяющей увеличивать эффективность ретрансляции 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, возникает 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 приё-мо-передающих устройств на разные частоты с тем, чтобы устройства не создавали помехи друг
Секция «Математические методы моделирования, управления и анализа данных»
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.
Частота приёма Модуляция и фильтрация принимаемых сигналов
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. 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 dmid между двумя соседними точками р'-1 и р' (' - номер точки) рассчитывается по формуле (1), и проверяется условие (2):
d.
mid
p1 - Pi2)2+(p\ - pi)2 + •••+\/c
w-K2 / n n-1 \2
Pi - Pi ) + (P2 - P2 )
n -1
n-1
(1)
где n - число точек; j - размерность; г - номер точки. Для фильтра верхних (нижних) частот:
| если d(P', P'+1) - dmid > (<)0, то d(P, P'+1) е ^cutoff,
[иначе d(P', P'+1) е ^bandwidth ,
где wcutoff(bandwidth) - 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 орбите ВЭО2) в течение 10 дней (от 00:00:00 01 06.2016 до 00:00:00 11.06.2016, время UTC). Результаты влияния алгоритмов фильтрации сигналов на условия радиовидимости НКА приведены в таблице.
Результаты влияния алгоритмов фильтрации сигналов
КА на Методы фильтрации Количество Максимальное/ минимальное Среднее количе-
ВЭО (фильтры) сеансов количество радиовидимых ство радиовиди-
радиовидимости спутников мых 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 1734 13/3 9.57
сигнала
Окончание таблицы
КА на Методы фильтрации Количество Максимальное/ минимальное Среднее количе-
ВЭО (фильтры) сеансов количество радиовидимых ство радиовиди-
радиовидимости спутников мых спутников
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 1190 18/1 7.07
ФНЧ
Без фильтрации 1138 16/0 6.25
сигнала
Алгоритмы имеют одинаковые начальные параметры. По результатам отмечаем, что наилучшие показатели радиовидимости при КА на ВЭО 1 наблюдаются при использовании фильтра Кауэра, а при КА на ВЭО 2 - при использовании модифицированной ФНЧ.
Наилучшие показатели радиовидимости наблюдаются при использовании модифицированной ФНЧ. Полученные результаты могут быть полезными при проектировании приёмных антенн КА слежения. 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 для студ. высш. учеб. заведений. М. : Академия, 2008. 288 с.
4. Айфичер Э., Джервис Б. Цифровая обработка сигналов. Практический подход. 2-е издание / 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.
© Ломаев Ю. С., Ломаев А. С., 2017
