2016 Бакалаварская работа Лукьянчикова Андрея Игоревича на тему "Разработка программно-математических средств для адаптивного подавления искусственных помех в системах спутникового позиционирования"
•Download as PPTX, PDF•
0 likes•242 views
ftp://rf-lab.org/pub/diploms/2016/2016_Lukyanchikov.7z
Recommended
Recommended
More Related Content
What's hot
What's hot (19)
Similar to 2016 Бакалаварская работа Лукьянчикова Андрея Игоревича на тему "Разработка программно-математических средств для адаптивного подавления искусственных помех в системах спутникового позиционирования"
Similar to 2016 Бакалаварская работа Лукьянчикова Андрея Игоревича на тему "Разработка программно-математических средств для адаптивного подавления искусственных помех в системах спутникового позиционирования" (20)
More from RF-Lab
More from RF-Lab (20)
2016 Бакалаварская работа Лукьянчикова Андрея Игоревича на тему "Разработка программно-математических средств для адаптивного подавления искусственных помех в системах спутникового позиционирования"
- 1. “Разработка программно- математических средств для адаптивного подавления искусственных помех в системах спутникового позиционирования” Лукьянчиков А.И. Руководитель: к.т.н., Мельников А.О. Московский технологический университет
- 2. Обзор предметной области • Система спутниковой навигации включает в себя: НКА (навигационные космические аппараты) НАП (навигационную аппаратуру потребителей) НКУ (наземные комплексы управления) • На приемную антенну поступает не только сигнал со спутника, но и разного рода помехи. 1
- 3. Виды помех • Непреднамеренные - Естественные - Индустриальные • Преднамеренные - Созданные и направленные специальной аппаратурой 2
- 4. Модели преднамеренных помех • Узкополосная помеха • Широкополосная помеха • ЛЧМ помеха 𝑥 𝑡 = 𝐴 ∗ 𝑒 𝑗∗2𝜋∗𝑓∗𝑡 𝑥 𝑡 = 𝐴 ∗ 𝑒 𝑗∗2𝜋∗ 𝑓+𝑘∗𝑡 ∗𝑡 A – амплитуда f – частота t – момент времени k – константа 3
- 5. Многоантенная система а) б) а) четырехэлементная антенная решетка б) семиэлементная антенная решетка Одно из средств борьбы с мощными помехами - многоантенная система приема 4
- 6. Диаграмма направленности антенной решетки Nx – количество антенн по оси x Ny – количество антенн по оси y e – exp dx-расстояние между антеннами по оси x dy-расстояние между антеннами по оси y ѳ – угол возвышения Ѱ – азимут λ – длинна волны 𝐴 𝜃, 𝜑 = 𝑒 𝑗(𝑖−1)𝜓 𝑥 𝑁 𝑦 𝑘=1 𝑁 𝑥 𝑖=1 𝑒 𝑗(𝑘−1)𝜓 𝑦 𝜓𝑥 = 2𝜋 𝑑 𝑥 𝜆0 sin 𝜃 cos 𝜑 𝜓 𝑦 = 2𝜋 𝑑 𝑦 𝜆0 sin 𝜃 sin 𝜑 5
- 7. Модель сигнала 𝑋 𝑛 = 𝑆𝑖𝑔𝑛𝑎𝑙𝑖 + 𝑆 𝑖=1 𝐽𝑎𝑚𝑗 𝐽 𝑗=1 + 𝑁𝑜𝑖𝑠𝑒 𝑛 Signali – Полезный сигнал i-го источника Jamj – Помеха j-го источника Noisen –шум антенны n Xn – Выходной сигнал антенны n n=1…N 6
- 8. Пространственная обработка До После За счет весовых коэффициентов можно сформировать провал в направлении мощной помехи в диаграмме направленности антенной решетки 7
- 9. Постановка задачи При изменяющихся условиях фиксированные весовые коэффициенты не справляются со своей задачей. Для решения этой проблемы используются фильтры с изменяющимися параметрами, например адаптивные. Задача - разработка эффективной процедуры вычисления весовых коэффициентов антенн для подавления мощной помехи. - провести обзор предметной области - провести обзор методов адаптивной компенсации помех при приеме антенной решеткой - разработать программные средства, реализующие адаптивную подстройку параметров антенной решетки для компенсации помех в приемниках систем спутниковой навигации - провести моделирование и сравнительный анализ алгоритмов адаптивной компенсации помех в системах спутниковой навигации 8
- 10. Адаптивный фильтр x(k) – входной сигнал d(k) – требуемый сигнал y(k) – выходной сигнал e(k) = d(k) – y(k) – сигнал ошибки k – номер отcчёта Адаптивный фильтр - это фильтр с изменяющимися в процессе работы параметрами 9
- 11. Адаптивный фильтр для антенной решетки x – вектор-столбец принятого сигнала d(k)=x1(k) – эталонный сигнал h – вектор-строка весовых коэффициентов k – номер отсчета Стационарная помеха Помеха изменяющая направление 𝑒 𝑘 = 𝑑 𝑘 − 𝒉(𝑘) ∗ 𝒙 𝑘 10
- 12. Пространственно- временной фильтр h – весовой коэффициент s – сигнал после задержки y – выход фильтра e – сигнал ошибки - задержка 11
- 13. Адаптивные алгоритмы вычисления весовых коэффициентов • Алгоритм минимизации среднеквадратической ошибки (LMS) • Метод обращения корреляционной матрицы (SMI) • Рекурсивный метод адаптивной фильтрации (RLS) 12
- 14. Алгоритм минимизации среднеквадратической ошибки(LMS) w – вектор весовых коэффициентов d – требуемый сигнал x – вектор входного сигнала e – вектор сигнала ошибки µ – шаг сходимости H – эрмитово сопряжение 𝐰 𝑘 + 1 = 𝐰 𝑘 + 𝜇 ∗ 𝐱 𝑘 ∗ 𝑒 𝑘 𝑒 𝑘 = 𝑑 𝑘 − 𝒘 𝐻 𝑘 ∗ 𝒙 𝑘 13
- 15. Метод обращения корреляционной матрицы(SMI) x – входной сигнал Rxx – корреляционная матрица r – матрица взаимной корреляции L – длина выборки 𝐰𝑜𝑝𝑡 = 𝐑 𝐱𝐱 −1 𝐫 𝐑 𝐱𝐱 = 1 𝐿 𝐱𝑖 𝑘 𝐱𝑖 𝐻 𝑘 𝑖∈ 𝐿 осчетов 𝐫 = 1 𝐿 𝑑 𝑘 𝐱𝑖 𝑘 𝑖∈{𝐿 осчетов} 14
- 16. Рекурсивный метод адаптивной фильтрации (RLS) 𝐑 𝐱𝐱 = 1 𝐿 𝜆 𝑘−𝑖 𝐱𝑖 𝑘 𝐱𝑖 𝐻 (𝑘) 𝑖∈{𝐿 осчетов} 𝐩 𝑘 = 𝜆−1 𝐑−1 𝑘 − 1 𝐱 𝑘 1 + 𝜆−1 𝐱 𝐻 𝑘 𝐑−1 𝑘 − 1 𝐱 𝑘 𝐫 = 1 𝐿 𝜆 𝑘−𝑖 𝑑 𝑘 𝐱𝑖 𝑘 𝑖∈ 𝐿 осчетов 𝐰 𝑘 = 𝐰 𝑘 − 1 + 𝐩 𝑘 𝑑 𝑘 − 𝐰 𝐻 𝑘 − 1 𝐱 𝑘 p(k) - вектор коэффициентов Калмана λ - параметр экспоненциального взвешивания и лежит в диапазоне 0 < λ ≤ 1 15
- 19. Адаптация коэффициентов ВК 4й антенны ВК 2й антенны ВК 3й антенны Рекурсивный метод адаптивной фильтрации Метод минимизации среднеквадратической ошибки 18
- 20. СКО сигнала ошибки Рекурсивный метод адаптивной фильтрации Значение СКО Метод минимизации среднеквадратической ошибки 19
- 21. Вычислительные эксперименты СКО: 1151.652855 До подавления Алгоритм подавления Среднеквадратическое отклонение и номер эталонной антенны 1 2 3 4 LMS 682.683795 354.460267 325.423049 378.341417 SMI 682.787961 354.460267 325.423049 378.341417 RLS 682.891096 354.481688 325.431412 378.396087 После подавления 𝜎 = 1 𝑛 𝑥𝑖 − 𝑥 𝑐 2 𝑛 𝑖=1 𝑥 𝑐 = 1 𝑛 𝑥𝑖 𝑛 𝑖=1 СКО рассчитывается: 20
- 22. Вычислительные эксперименты Отношение Сигнал/Шум по номеру спутника [дБ/Гц] 2 6 12 14 35.851 35.578 35.149 35.250 До подавления После подавления Алгоритм подавления Отношение Сигнал/Шум по номеру спутника [дБ/Гц] 2 6 12 14 LSM 37.192 38.183 41.032 34.964 SMI 37.233 38.202 41.049 34.958 RLS 37.269 38.215 41.062 34.950 21
- 24. Вычислительные эксперименты Алгоритм подавления Среднеквадратическое отклонение и номер эталонной антенны 1 2 3 4 LMS 457.487927 149.587065 151.575266 173.133167 SMI 445.600047 147.565160 149.096437 166.622668 RLS 445.638548 147.712789 149.155834 166.775143 Алгоритм подавления Среднеквадратическое отклонение и номер эталонной антенны 1 2 3 4 LMS 682.683795 354.460267 325.423049 378.341417 SMI 682.787961 354.460267 325.423049 378.341417 RLS 682.891096 354.481688 325.431412 378.396087 Пространственная фильтрация Пространственно-временная фильтрация 23
- 25. Вычислительные эксперименты Алгоритм подавления Отношение Сигнал/Шум по номеру спутника [дБ/Гц] 2 6 12 14 LSM 40.128 38.643 43.732 34.950 SMI 44.623 37.905 43,488 35.062 RLS 44.700 37.982 43.599 35.140 Алгоритм подавления Отношение Сигнал/Шум по номеру спутника [дБ/Гц] 2 6 12 14 LSM 37.192 38.183 41.032 34.964 SMI 37.233 38.202 41.049 34.958 RLS 37.269 38.215 41.062 34.950 Пространственная фильтрация Пространственно-временная фильтрация 24
- 27. Выводы • Искусственные помехи могут быть эффективно скомпенсированы с помощью многоэлементной антенны. • Для компенсации нестационарных помех следует использовать адаптивные процедуры подстройки коэффициентов фильтра. • В условиях многолучевого распространения эффективность пространственного фильтра может снижаться. Для компенсации такого рода помех можно использовать пространственно-временной фильтр • Для быстроизменяющейся помехи необходимо подбирать параметры адаптивного алгоритма в том числе размер выборки и номер эталонной антенны 26
Editor's Notes
- Уважаемые члены аттестационной комиссии, вашему вниманию представляется ВКР на тему:
- Космическое оборудование (спутник) передает сигнал в виде радиоволн спутниковому приемнику (навигатору). Однако, на приемную антенну поступает не только входной сигнал, но и разного рода помехи, которые негативно влияют на работоспособность спутникового приёмника.
- Из непреднамеренных естественные и искуственные, к преднамеренным - специальная аппаратура направленная на нарушение работоспособности.
- В данной работе рассматриваются преднамеренные помехи следующих видов: узкополосная, широкополосная, ЛЧМ Одни из способов борьбы с мощными помехами является многоантенная система приема.
- В зависимости от количества антенных элементов и расстояния между ними формируется диаграмма направленности антенной решётки. Она представляет собой графическое отображение усиления антенны и направленного действия.
- На слайде показан способ формирования диаграммы направленности плоской прямоугольной антенной решетки, где в направлении оси x решетка имеет Nx элементов, расположенных на расстоянии dx друг от друга. В направлении оси y решетка имеет Ny элементов, расположенных на расстоянии dy друг от друга. Тем самым общее число элементов равно NxNy
- Модель сигнала каждого из элемента антенной решетки равна сумме сигналов от источников (сигнала, помех) с учетом фазового сдвига и шума каждого эллемента решетки.
- Метод пространственной обработки основан на том, что сигнал падающий на антенную решётку приходит на антенны с разными фазами, что позволяет получить информацию о пространственном положении источников сигнала, а следовательно и избавиться от помех при помощи формирования провалов в диаграмме направленности. Сформировать провал в направлении мощной можно с помощью весовых коэффициентов
- В рамках данной бакалаврской работе необходимо:
- Когда условия фильтрации меняются, фиксированные весовые коэффициенты не могут справится со своей задачей. Для решения этой проблемы используются фильтры с изменяющимися параметрами, например адаптивные. Адаптивный фильтр позволяет учесть изменения параметров мощной коррелированной помехи. Адаптивный фильтр устроен так, что выходной сигнал приближается к требуемому сигналу за счет изменения ВК, рассчитываемых адаптивным алгоритмом на основе обработки требуемого и выходного сигналов.
- Для приёма сигнала спутниковой системы нельзя предсказать требуемый сигнал. При подавлении помехи антенной решеткой, можно использовать в качестве опорного сигнала выход одного из элементов решетки. Целевая функция адаптивной антенной решетки будет являться минимизация среднеквадратического отклонения (СКО) сигнала ошибки.
- Пространственно-временная обработка сигнала позволяет устранять широкополосные помехи совместно с узкополосными помехами. а также компенсировать многолучевые распространения. Для организации фильтрации во времени используются линии задержек.
- Алгоритм минимизации средней квадратической ошибки (относится к градиентным алгоритмам) LMS метод является самым простым с точки зрения вычислительной и алгоритмической сложности. Также нужно отметить, что с увеличением шага сходимости увеличивается скорость сходимости, однако увеличивается среднеквадратическая ошибка. Поэтому при использовании на практике LMS алгоритма необходимо выбирать между скоростью сходимости алгоритма и минимизацией среднеквадратической ошибки.
- В том случае, когда сходимость алгоритмов к установившемуся значению весового коэффициента становится крайне большим. Одним из путей ускорения является использование метода непосредственного обращения выборочной корреляционной матрицы.
- Рекурсивный метод адаптивной фильтрации Используется для преодолении ограничения сходимости алгоритма минимизации среднеквадратической ошибки, а также решения проблемы выбора выборки входного сигнала у метода непосредственного обращения корреляционной матрицы.
- На слайде представлена структурная схема разработанного программного средства.
- На слайде представлена схема эксперимента.
- На слайде видно, как адаптируются весовые коэффициенты во время фильтрации
- Также видно как минимизируется среднеквадратическое отклонение сигнала ошибки
- После фильтрации виден ярко выраженный пик корреляционной функции.
- Нагрузочное тестирование показало, что при большей выборке улучшается среднеквадратическое отклонение, однако увеличивается время расчета весовых коэффициентов, поэтому нужно идти на компромисс между временем выполнения и значением СКО.