Способ обработки сигналов космических радионавигационных систем Российский патент 2019 года по МПК H04B1/06 

Область техники

Изобретение относится к области радионавигации, конкретно к способам обработки сигналов космических радионавигационных систем.

Уровень техники

Известны способы обработки сигналов космических радионавигационных систем /1-4/.

Наиболее близким (по назначению и технической сущности) к заявляемому изобретению относится способ обработки сигналов космических радионавигационных систем /4/.

Известный способ обработки сигналов космических радионавигационных систем (КРНС) /4/ включает прием и выделение на частоте f_L1 неизвестного точного кода * или P(Y) при известном открытом коде или С/А в условиях отсутствия данных о начальной фазе сигнала ϕ_Н и частоте Доплера f_доп, преобразование сигнала на частоте f_L1 в цифровой вид , определение частоты Доплера f_доп сигнала на частоте f_L1, перенос спектра дискретного вещественного сигнала на нулевую частоту методом цифрового гетеродинирования _, измерение требуемой фазовой поправки Δϕ_Н и фазовая коррекция сигнала с выделением квадратур, содержащих только P(Y) код и только C/А код , декодирование открытого кода и чтение навигационного сообщения Ns(h), декодирование закрытого кода D(h), выделение из него закрытого дальномерного кода D^*(h) путем вычитания навигационного сообщения и выделение из него криптостойкой последовательности данных W(h) для каждого навигационного спутника.

При этом прием и обработку сигналов КРНС производят на двух частотах, а измерение доплеровских частот разных навигационных спутников (НС) проводят с помощью следящих контуров ФАПЧ.

Недостатком известного способа обработки сигналов КРНС является относительно невысокая точность декодирования сигналов КРНС, связанная с необходимостью высокой точности измерения частоты Доплера f_доп и начальной фазы ϕ_Н сигналов КНРС.

Задачей и техническим результатом изобретения является повышение точности декодирования сигналов КРНС.

Сущность изобретения

Решение поставленной задачи и достижение заявленного технического результата обеспечивается тем, что способ обработки сигналов космических радионавигационных систем включает прием и выделение на частоте f_L1 неизвестного точного кода * или P(Y) при известном открытом коде или С/А в условиях отсутствия данных о начальной фазе сигнала ϕ_Н и частоте Доплера f_{доп .} Далее производят преобразование сигнала КРНС на частоте f_L1 в цифровой вид . После этого определяют частоту Доплера f_доп сигнала на частоте f_L1 и переносят спектр дискретного вещественного сигнала на нулевую частоту методом цифрового гетеродинирования . Далее производят измерение фазовой поправки Δϕ_Н и проводят фазовую коррекцию сигнала КРНС с выделением квадратур, содержащих только P(Y) код и только C/А код . Затем декодируют открытый код и читают навигационное сообщение Ns(h). Одновременно декодируют закрытый код D(h), и выделяют из него закрытый дальномерный кода D^*(h) путем вычитания навигационного сообщения и выделения из него криптостойкой последовательности данных W(h) для каждого навигационного спутника.

Согласно изобретению перенос спектра дискретного вещественного сигнала на нулевую частоту выполняют методом цифрового гетеродинирования. Разделение кодов C/А и P(Y) по отдельным квадратурам – методом фазовой коррекции сигнала на величину измеряемой фазовой поправки. Декодирование закрытого кода осуществляют путем пороговой обработки выделенной квадратуры сигнала с отслеживанием граничных значений изменения уровня сигнала . Криптостойкую последовательность данных W(h) для каждого НС выделяют из свертки путем умножения по модулю «2» декодированной последовательности D(h), навигационного сообщения Ns(h) и открытого дальномерного P код – P(h).

Введение указанных отличий позволяет выделить криптостойкую последовательность данных W(h) для каждого НС без использования двухчастотной обработки сигналов КРНС и не требует применения следящих контуров ФАПЧ для точного измерения частоты Доплера f_доп сигналов КРНС.

Этим обеспечивается повышение точности декодирования сигналов КРНС с одновременным сокращением времени на чтение навигационного сообщения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, представленными на фиг. 1- фиг. 6.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, реализующего предложенный способ обработки сигналов КРНС; на фиг. 2- вид сигнала КРНС во временной (фиг. 2а) и спектральной (фиг. 2б) форме; на фиг. 3- схема цифрового гетеродинирования сигналов КРНС; на фиг. 4- временная диаграмма сигналов P(Y) и C(A) на выбранном участке после цифрового гетеродинирования и фазовой коррекции сигнала; на фиг. 5- временная диаграмма сигналов P(Y) и результатов их декодирования D(h); на фиг 6-сравнительная оценка результатов декодирования по предложенному и известному способу обработки сигналов КРНС, как функция вероятности (Р_д) точного декодирования сигналов КНРС от отношения сигнал/шум (С/Ш).

На фиг. 1-6 обозначены:

1 – аналоговый канал приема сигналов частоты L1 в полосе 20 МГц.

2 – модуль аналого-цифрового преобразования АЦП.

3 – модуль расчета частоты Доплера.

4 – модуль цифрового гетеродинирования

5 – модуль генерации открытого грубого дальномерного кода С/А

6 – модуль поиска начала периода открытого дальномерного кода

7 – модуль измерения фазовой поправки

8 – модуль фазовой коррекции и разделения открытого и закрытого кода по квадратурам

9 – модуль чтения навигационного сообщения

10 – модуль декодирования закрытого кода путем пороговой обработки выделенной квадратуры сигнала с отслеживанием граничных значений изменения уровня сигнала;

11 – модуль генерации открытого точного дальномерного кода Р

12 – модуль выделения криптостойкой последовательности данных W(h)

Раскрытие сущности изобретения

Способ обработки сигналов космических радионавигационных систем включает прием и выделение на частоте f_L1 неизвестного точного кода * или P(Y) при известном открытом коде или С/А в условиях отсутствия данных о начальной фазе сигнала ϕ_Н и частоте Доплера f_доп. Далее производят преобразование сигнала КРНС на частоте f_L1 в цифровой вид . После этого определяют частоту Доплера f_доп сигнала на частоте f_L1 и переносят спектр дискретного вещественного сигнала на нулевую частоту методом цифрового гетеродинирования . Далее производят измерение фазовой поправки Δϕ_Н и проводят фазовую коррекцию сигнала КРНС с выделением квадратур, содержащих только P(Y) код и только C/А код . Затем декодируют открытый код и читают навигационное сообщение Ns(h). Одновременно декодируют закрытый код D(h), и выделяют из него закрытый дальномерный кода D^*(h) путем вычитания навигационного сообщения и выделения из него криптостойкой последовательности данных W(h) для каждого навигационного спутника. Согласно изобретению перенос спектра дискретного вещественного сигнала на нулевую частоту выполняют методом цифрового гетеродинирования. Разделение кодов C/А и P(Y) по отдельным квадратурам – методом фазовой коррекции сигнала на величину измеряемой фазовой поправки. Декодирование закрытого кода осуществляют путем пороговой обработки выделенной квадратуры сигнала с отслеживанием граничных значений изменения уровня сигнала . Криптостойкую последовательность данных W(h) для каждого НС выделяют из свертки путем умножения по модулю «2» декодированной последовательности D(h), навигационного сообщения Ns(h) и открытого дальномерного P код – P(h).

При этом цифровое гетеродинирование сигнала производят путем умножения преобразуемого сигнала на комплексный гармонический сигнал в соответствии с выражением

(1)

где:

и - реальная и мнимая составляющие квадратурного сигнала; f_доп – частота Доплера, обусловленная движением КА по известной траектории относительно точки приема сигнала;

ϕ_Н – случайная начальная фаза принятого сигнала, обусловленная неопределенностью длинны трасы его прохождения;

- принятый и оцифрованный сигнал на частоте f_L1;

f_ПЧ – промежуточная частота на выходе аналогового модуля приема, равная разности f_L1 и частоты гетеродина приемного модуля f_Г;

f_Д – частота дискретизации.

Фазовую коррекцию сигнала на измеряемую по известному открытому коду величину фазовой поправки ϕ_Н проводят из условий:

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

где:

k^* – номер отсчета сигнала, соответствующий началу периода открытого дальномерного кода С/А;

N – количество отсчетов, соответствующее длине открытого дальномерного кода С/А;

– поправка, учитывающая четверть комплексной плоскости, в которой располагается комплексное число и вычисляемая в зависимости от знаков компонент .

Пороговую обработку выделенной квадратуры сигнала осуществляют из условия:

(7)

(8)

где:

= (V_max+V_min)/2 –порог принятия решения, равный среднему значению границ изменения сигнала;

– свертка внутри одного бита кода;

M – количество отсчетов сигнала, равное по длительности одному биту кода;

h – номер анализируемого бита кода;

L – общее количество бит в анализируемой выборке.

Устройство, реализующее предложенный способ обработки сигналов космических радионавигационных систем (КРНС), содержит последовательно соединенные аналоговый канал 1 приема сигналов частоты L1 в полосе 20 МГц, модуль 2 аналого-цифрового преобразования (АЦП) сигналов КРНС, модуль 4 цифрового гетеродинирования сигналов КРНС. Второй вход модуля 4 соединен с выходом модуля 3 расчета частоты Доплера. Первый выход модуля 4 цифрового гетеродинирования соединен через модуль 9 чтения навигационного сообщения с первым входом модуля 12 выделения криптостойкой последовательности данных W(h). Второй выход модуля 4 цифрового гетеродинирования соединен через модуль 6 поиска начала периода открытого дальномерного кода, через модуль 8 фазовой коррекции и разделения открытого и закрытого кода по квадратурам, через модуль 10 декодирования закрытого кода путем пороговой обработки выделенной квадратуры сигнала с отслеживанием граничных значений изменения уровня сигнала со вторым входом модуля 12 выделения криптостойкой последовательности данных W(h), третий вход которого соединен с выходом модуля 11 генерации открытого точного дальномерного кода Р. Второй вход модуля 6 соединен с выходом модуля 5 генерации открытого грубого дальномерного кода С/А, а его выход через модуль 7 измерения фазовой поправки соединен со вторым входом модуля 8.

Устройство, реализующее предложенный способ обработки сигналов КРНС, работает следующим образом.

Канал 1 принимает сигналы КРНС на частоте L1 в полосе частот 20 МГц. Принятые сигналы КРНС в канале 1 усиливаются и передаются на модуль 2 АЦП. В модуле 2 аналоговые сигналы КРНС преобразуются в цифровую форму и передаются на модуль 4 цифрового гетеродинирования. В модуле 4 цифровое гетеродинирование сигнала производится (фиг. 3) путем умножения преобразуемого сигнала модуля 3, на комплексный гармонический сигнал в соответствии с выражением (1). Результаты цифрового гетеродинирования по первому выходу модуля 4 передаются в модуль 6, а по второму выходу - на модуль 9 чтения навигационного сообщения. Прочитанное в модуле 9 сообщение в сигнале КРНС на частоте L1 передается на первый вход модуля 12 для выделения криптостойкой последовательности данных W(h). Одновременно в модуле 6 производится поиск начала периода открытого дальномерного кода С/А на основе генерации открытого грубого дальномерного кода С/А в модуле 6. Найденное в модуле 6 начало кода С/А передается по первому выходу в модуль 8 фазовой коррекции и разделения открытого и закрытого кода по квадратурам, а по второму выходу в модуль 7 измерения фазовой поправки Δϕ_Н. Далее в модуле 8 проводят фазовую коррекцию сигнала из условий (2) – (6) на величину фазовой поправки ϕ_Н. Откорректированный в блоке 8 сигнал передается на модуль 10. В модуле 10 производится декодирование закрытого кода путем пороговой обработки выделенной квадратуры сигнала с отслеживанием граничных значений изменения уровня сигнала КРНС. Пороговая обработка выделенной квадратуры сигнала производится из условий (7) – (8). Результаты пороговой обработки в модуле 10 передаются на второй вход модуля 12 выделения криптостойкой последовательности данных W(h). Одновременно в модуле 11 производится генерация открытого точного дальномерного кода Р и передача его на третий вход указанного выше модуля 12. На основе входных данных в модуле 12 производится корреляционная обработка принятых сигналов КНРС и выделение из них криптостойкой последовательности данных W(h) и декодирование информационных сообщений спутниковых систем связи.

Промышленная применимость.

Изобретение разработано на уровне технического предложения, математической модели и программного обеспечения обработки сигналов КРНС.

Результаты математического моделирования (фиг. 6) показали возможность повышения точности декодирования сигналов КРНС на 5-15% и, как следствие, достичь заявленного технического результата изобретения.

Источники информации

1. OPTIMUM SEMI-CODELESS CARRIER PHASE TRACKING OF L2 К. Т. Woo NavCom Technology, Inc., Redondo Beach, California (Presented at the 12th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation, Nashville, Tennesee, September 14-17, 1999).

2. US 3047660 John P. Costas "Means for Obtaining Character Time in a Radio Communication System Receiver".

3. Цифровые радиоприемные системы: Справочник / М.И.Жодзишский, Р.Б Мазепа и др. / Под редакцией М.И.Жодзишского. - М.: Радио и связь, 1990, 208 с.

4. RU 2363099, 20.09.2008.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к обработке сигналов космических радионавигационных систем (КРНС), и предназначено для повышения точности декодирования сигналов КРНС. Сущность способа заключается в приеме и выделении на частоте f_L1 неизвестного точного кода * или P(Y) при известном открытом коде или С/А в условиях отсутствия данных о начальной фазе сигнала ϕ_Н и частоте Доплера f_доп. Далее производят преобразование сигнала КРНС на частоте f_L1 в цифровой вид . После этого определяют частоту Доплера f_доп сигнала на частоте f_L1 и переносят спектр дискретного вещественного сигнала на нулевую частоту методом цифрового гетеродинирования . Далее производят измерение фазовой поправки Δϕ_Н и проводят фазовую коррекцию сигнала КРНС с выделением квадратур, содержащих только P(Y) код и только C/А код . Затем декодируют открытый код и читают навигационное сообщение Ns(h). Одновременно декодируют закрытый код D(h) и выделяют из него закрытый дальномерный код D^*(h) путем вычитания навигационного сообщения и выделения из него криптостойкой последовательности данных W(h) для каждого навигационного спутника. Перенос спектра дискретного вещественного сигнала на нулевую частоту выполняют методом цифрового гетеродинирования. Разделение кодов C/А и P(Y) по отдельным квадратурам - методом фазовой коррекции сигнала на величину измеряемой фазовой поправки. Декодирование закрытого кода осуществляют путем пороговой обработки выделенной квадратуры сигнала с отслеживанием граничных значений изменения уровня сигнала . Криптостойкую последовательность данных W(h) для каждого спутника выделяют из свертки путем умножения по модулю «2» декодированной последовательности D(h), навигационного сообщения Ns(h) и открытого дальномерного P кода - P(h). 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ обработки сигналов космических радионавигационных систем, включающий прием и выделение на частоте f_L1 неизвестного точного кода * или P(Y) при известном открытом коде или С/А в условиях отсутствия данных о начальной фазе сигнала ϕ_Н и частоте Доплера f_доп, преобразование сигнала на частоте f_L1 в цифровой вид , определение частоты Доплера f_доп сигнала на частоте f_L1, перенос спектра дискретного вещественного сигнала на нулевую частоту методом цифрового гетеродинирования _, измерение требуемой фазовой поправки ϕ_Н и фазовая коррекция сигнала с выделением квадратур, содержащих только P(Y) код и только C/А код , декодирование открытого кода и чтение навигационного сообщения Ns(h), декодирование закрытого кода D(h), выделение из него закрытого дальномерного кода D^*(h) путем вычитания навигационного сообщения и выделение из него криптостойкой последовательности данных W(h) для каждого навигационного спутника, отличающийся тем, что перенос спектра дискретного вещественного сигнала на нулевую частоту выполняют методом цифрового гетеродинирования, разделение кодов C/А и P(Y) по отдельным квадратурам - методом фазовой коррекции сигнала на величину измеряемой фазовой поправки, декодирование закрытого кода осуществляют путем пороговой обработки выделенной квадратуры сигнала с отслеживанием граничных значений изменения уровня сигнала , а криптостойкую последовательность данных W(h) для каждого НС выделяют из свертки путем умножения по модулю «2» декодированной последовательности D(h), навигационного сообщения Ns(h) и открытого дальномерного P кода – P(h).

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что цифровое гетеродинирование сигнала производят путем умножения преобразуемого сигнала на комплексный гармонический сигнал .

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что умножение сигналов проводят в соответствии с выражением

где

и - реальная и мнимая составляющие квадратурного сигнала; f_доп – частота Доплера, обусловленная движением КА по известной траектории относительно точки приема сигнала;

ϕ_Н – случайная начальная фаза принятого сигнала, обусловленная неопределенностью длинны трасы его прохождения;

- принятый и оцифрованный сигнал на частоте f_L1;

F_пч – промежуточная частота на выходе аналогового модуля приема, равная разности f_L1 и частоты гетеродина приемного модуля f_Г;

f_Д – частота дискретизации.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что фазовую коррекцию сигнала на измеряемую по известному открытому коду величину фазовой поправки Δϕ_Н проводят из условий:

где

k^* – номер отсчета сигнала, соответствующий началу периода открытого дальномерного кода С/А;

N – количество отсчетов, соответствующее длине открытого дальномерного кода С/А;

– поправка, учитывающая четверть комплексной плоскости, в которой располагается комплексное число , и вычисляемая в зависимости от знаков компонент .

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пороговую обработку выделенной квадратуры сигнала осуществляют из условия:

где

= (V_max+V_min)/2 - порог принятия решения, равный среднему значению границ изменения сигнала;

– свертка внутри одного бита кода;

M – количество отсчетов сигнала, равное по длительности одному биту кода;

h – номер анализируемого бита кода;

L – общее количество бит в анализируемой выборке.