ftp://rf-lab.org/pub/diploms/2016/2016_Zabelin.rar

1. Выпускная квалификационная работа
Забелина В.А.
на тему
Разработка программных средств для
обнаружения и анализа сигналов современных
систем спутникового позиционирования
Руководитель выпускной квалификационной работы: Мельников А.О.
Москва, 2016 1

2. Обзор предметной области
2
Спутниковые навигационные системы
все активнее охватывают различные
области человеческой жизни. В них
реализованы новейшие возможности,
которые обеспечивают безопасность
как страны, так и человека с его
различными сферами деятельности.

3. Постановка задачи
Цель выпускной квалификационной работы
Разработка алгоритма и программных средств, реализующих
процедуру обнаружения сигналов спутникового
позиционирования в системах GPS,ГЛОНАСС,BeiDou
Задачи выпускной квалификационной работы
• Проведение обзора предметной области
• Проведение обзора алгоритмов обнаружения сигналов для
различных систем спутникового позиционирования
• Разработка обобщенной процедуры обнаружения
сигналов
• Разработка программного средства реализующего
данные алгоритмы
3

4. Сравнительные характеристики
рассматриваемых систем
Система Страна Первый
запуск
Кол-во
спутнико
в
(резерв)
Способ
разделения
сигналов
навигационных
спутников
Тактовая
частота
дальномер
-ного кода
ГЛОНАСС Россия 1976 24(3) Частотное
разделение
0.511 МГц
GPS США 1974 24(4) Кодовое
разделение
1.023 МГц
BeiDou Китай 2000 16 Кодовое
разделение
2.046 МГц
4

5. Формирование ШПС
5
Широкополосный сигнал формируется
путем перемножения сгенерированной
несущей частоты на псевдослучайную
последовательность.

6. Принцип формирования сигнала GPS
6
L1= 1575.42МГц = 154 * 10.23МГц
L2= 1227.6МГц = 120 * 10.23МГц

7. Принцип формирования сигнала ГЛОНАСС
7
Номинальные значения несущих частот в частотных поддиапазонах L1и L2 определяются
fK1 = f01 + K∆f1
fK2 = f02 + K∆f2
где К- номера несущих частот навигационных радиосигналов, излучаемых НКА
f01=1602 МГц ∆f1= 562,5 кГц, для поддиапазона L1
f02=1246МГц ∆f2= 437,5 кГц, для поддиапазона L2

8. Структура сигнала BeiDou
8

9. Обнаружение и оценка параметров сигнала
9
Логарифмическое отношение правдоподобия:
Оценка методом максимального правдоподобия:
𝑓(ω, ∆𝑡) =
𝑎 𝑠
𝑐2
. 𝑠 𝑛 (ω, ∆𝑡) 𝑥 𝑛 −
𝐸𝑠
2𝑐2
𝐾
𝑛=1
𝑀 = max
𝜔,∆𝑡
𝑓(𝜔,∆𝑡)
Обнаружение методом минимума
риска ложного обнаружения:
𝑀 > ln П
Sn – опорный сигнал
хn – принимаемый сигнал
as – амплитуда сигнала
Es – мощность сигнала
с2 – мощность шума
П – порог
ω – доплеровский сдвиг
∆t – задержка сигнала

10. Модель сигнала в приёмнике
𝑠"𝑡, 𝜆(П( 𝑡), 𝑡), 𝜗( 𝑡), 𝜇( 𝑡)* =
= - 𝛾𝑗 𝑠𝑗 0𝑡, 𝜆𝑗 (П( 𝑡), 𝑡), 𝜗𝑗 ( 𝑡), 𝜇𝑗 ( 𝑡)1
𝑁
𝑗 =1
λ - вектор радионавигационных параметров сигнала
навигационного спутника
µ - вектор параметров сигнала, в которых не содержится какая-
либо навигационная информация
ϑ - дискретный параметр, несущий дополнительную
навигационную информацию
γ - случайный параметр, характеризующий наличие или
отсутствие сигнала навигационного спутника и принимающий
значение 1 или 0
s - сигнальная функция спутникового сигнала
П - вектор состояния потребителя
t – момент времени
n(t) - шум
10
𝑦( 𝑡) = 𝑠(𝑡, 𝜆(П( 𝑡), 𝑡), 𝜗( 𝑡), 𝜇( 𝑡). + 𝑛( 𝑡) ,где

11. Алгоритм параллельного коррелятора
Для ускорения вычислений корреляции в алгоритме параллельного
поиска используется процедура быстрого преобразования Фурье.
Операция децимации понижает частоту следования входных отсчетов
сигнала в зависимости от выбранной системы. Для GPS – 2046, для
ГЛОНАСС – 1022, для BeiDou – 4092 отсчетов в миллисекунду.
11

12. Область поиска
Метод параллельного поиска
по фазе кода на интервале
времени T охватывает все
возможные смещения сдвига
кода для определенного
доплеровского смещения
частоты.
12

13. Структура программного комплекса
13

14. Схема вычислительного эксперимента
14

15. Результаты вычислительного эксперимента
15
Параметры моделирования:
Номер космического аппарата – 1
Длина выборки – 102000 отсчётов
Частота дискретизации – 102*106 Гц
Доплеровское смещение равномерно
распределено в пределах ± 15 кГц

16. Вычислительные затраты
Функция Кол-во операций
умножения
Преобразование Фурье 2NlogN
Умножение входного и опорного сигналов N
Обратное преобразование Фурье NlogN
𝑂( 𝑛) = (4∗(2𝑁𝑙 𝑜 𝑔𝑁+ 𝑁𝑙 𝑜 𝑔𝑁 + 𝑁))∗ 𝑁𝑢𝑚_𝑓𝑟𝑒𝑞 ∗ 𝑁𝑢𝑚_𝑠𝑎𝑡 =
= (12NlogN+4N)∗Num_freq∗Num_sat
N – размер Фурье
Num_freq – количество вариантов доплеровских сдвигов
Num_sat – количество спутников
16

17. Нагрузочное тестирование
17

18. Выводы
— Сигналы рассмотренных систем можно считать
некоррелированными, так как разные системы используют различные
частотные диапазоны, а внутри диапазона спутники используют
частотные, либо кодовое разделение. В таких условиях наиболее
эффективным подходом является использование схемы на основе
классического коррелятора.
— Прямая реализация процедуры корреляционного поиска требует
больших вычислительных затрат. В данной выпускной
квалификационной работе для снижения вычислительных затрат
применяется подход на основе быстрого преобразования Фурье.
— Незначительные различия в графиках производительности алгоритма
обнаружения для систем GPS,ГЛОНАСС,BeiDou объясняются
погрешностью численного моделирования.
— Результаты полунатурного моделирования согласуются с
результатами численного моделирования.
— На основании проведённого анализа, можно заключить, что
рассмотренная процедура является универсальным средством
обнаружения сигналов GPS,ГЛОНАСС,BeiDou.
18

19. 19