К моему удивлению, предыдущую статью приняли достаточно тепло. Сегодня продолжим рассмотрение этого вопроса.
Меры по борьбе с помехами
В навигации уровень шума всегда превышает уровень сигнала. Для определения уровня помехи (отношение помеха/сигнал, J/S ratio) считают, насколько помеха превышает уровень шума. Далее рассмотрены методы увеличения помехоустойчивости приёмников вместе с максимальной помехой, против которой эти методы являются эффективными.
1. Увеличение полосы сигнала (до 10 дБ);
2. Увеличение мощности передатчика на КА (до 20 дБ);
3. Комплексирование навигационных приёмников (до 30 дБ);
4. Использование цифровых аппаратных фильтров (до 40 дБ);
5. Использование частотно-временной коррекции (до 50 дБ);
6. Использование антенных методов (до 70 дБ);
Первые два метода зависят от используемого сигнала космического аппарата и не могут быть изменены с Земли после запуска. Антенные методы сильно усложняют и удорожают аппаратуру потребителей, что резко сужает возможный круг пользователей.
Комплексирование навигационных приёмников не позволяет значительно увеличить помехоустойчивость навигационного приёмника. Это объясняется тем, что инерциальные навигационные системы (ИНС) не подвержены влиянию радиотехнических помех и имеют высокую точность измерений в краткосрочной перспективе. Однако ошибка определения навигационных параметров накапливается с течением времени и требует коррекции от ГНСС. Выше изображена схема, где при помощи фильтра Калмана производится комплексирование навигационного приёмника.
Использование частотно-временной коррекции (подавление помех в частотной области) является эффективным методом, но очень сложно реализуемым в реальном масштабе времени. Это вызвано тем, что выполнение этого метода следует проводить при помощи микро-ЭВМ параллельно с работой петель слежения, дискриминаторов, решением навигационной и скоростной задач и разрешением неоднозначностей при работе в режиме RTK. Исходя из этого, для возможности производить подавление помехи в частотной области, необходимо иметь значительный запас вычислительных мощностей, которые не будут задействованы при отсутствии помех.
Среди цифровых фильтров выделяют две категории:
1. Рекурсивные фильтры (с бесконечной импульсной характеристикой);
2. Нерекурсивные фильтры (с конечной импульсной характеристикой).
А что выбрать?
Вопрос выбора сильно зависит от доступной аппаратуры. Оптимальными с точки зрения сложности реализации и стоимости конечного устройства являются цифровые фильтры. В навигационных приёмниках можно найти как БИХ-, так и КИХ-фильтры. У КИХ-фильтров есть преимущество в виде возможности создания фильтра с линейной ФЧХ и, вследствие этого, постоянной групповой задержкой. Это означает, что различные частотные составляющие будут задержаны на одинаковое количество тактов при прохождении фильтра. Однако, при использовании БИХ-фильтра можно добиться гораздо более узкого окна режекции и суммарно меньшей переходной полосы при том же порядке фильтра.
Как оно работает?
Для работы алгоритмов подавления помех необходима информация о помеховой обстановке. Обнаружение узкополосных помех удобно производить в частотной области, в то время как для обнаружения спуфинговых атак следует анализировать поведение псевдозадержек, энергетического потенциала и доплеровского смещения на наличие перескоков.
Для обнаружения помех следует применять оконные функции в связи с т.н. явлением растекания спектра. В связи с тем, что постановщики помех могут находиться на разном удалении от приёмника, помехи будут иметь различные уровни. Без применения оконных функций, некоторые помехи могут быть замаскированы боковыми лепестками прямоугольного окна, не обнаружены и не компенсированы.
Пару слов о моей разработке
Передо мной стояла задача в существующей структуре навигационного приёмника на базе СБИС 1879ВЯ1Я производства НТЦ «Модуль» разработать подавитель. Если вкратце рассказать об этой аппаратно-программной платформе, то можно выделить:
1. 4 12-битовых АЦП с частотой дискретизации 81.92 МГц;
2. Ядро ARM1176;
3. 2 DSP-ядра NeuroMatrix, имеющих векторно-матричный перемножитель, способный успешно распараллеливать операции с малоразрядными величинами;
4. Аппаратный блок предварительный обработки сигналов (БПОС).
Остальные детали можно найти на сайте, сейчас больше внимания уделим БПОС-у. Общая схема приёмника приведена выше. Он содержит антенну, аналоговый тракт (например, ГЛОНАСС L1, но сейчас это не играет роли), АЦП, цифровые каналы и сигнальный процессор. БПОС содержит 24 цифровых канала, 12 из которых имеют доступ к трём блокам КИХ-фильтров. Каждый из блоков содержит 4 КИХ-фильтра 64-го порядка с 8-битными коэффициентами. Внутри одного блока фильтры могут быть коммутированы последовательно или параллельно для реализации от одного до четырёх подавителей. Цифровые каналы содержат цифровой гетеродин, ФНЧ, дециматор (для понижения частоты дискретизации), а также нормализатор. В сигнальном процессоре (NeuroMatrix, не ARM), происходит работа алгоритмов обнаружения помех, расчёта коэффициентов аппаратных фильтров, корреляционная обработка и петли слежения (ФАП и ССЗ).
При использовании фильтра 128-го порядка с 16-битными коэффициентами удалось достигнуть работоспособности приёмника при воздействии узкополосной помехи мощностью 67 дБ, находящейся в главном лепестке спектра сигнала.
С радостью отвечу на вопросы в комментариях, либо, если их окажется значительное количество, напишу третью часть статьи. Спасибо за внимание
Небольшой апдейт
Совсем забыл привести две самые интересные картинки. Ниже приведен спектр навигационного сигнала при наличии узкополосной помехи до и после прохождения разработанного фильтра:
А так же выход согласованного фильтра для этих спектров:
Как можно заметить, при наличии узкополосной помехи корреляционный пик не может быть различен в выходе коррелятора.
Также следует отметить, что у фильтра имеется особенность, а именно вносимая групповая задержка, равная половине размера фильтра. Эта величина учитывается при последующем решении навигационной задачи и, тем самым, полностью компенсируется.
Автор: NelSon29
