Архитектура приемника спутниковой навигации для космических аппаратов и методы первичной обработки сигналов

• Автор: Чистяков, Валерий Валентинович
• Шифр специальности: 05.11.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 135 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
1. Особенности приема сигналов спутниковых навигационных систем в космосе
1.1 Классификация орбит
1.2 Энергетический бюджет радиолинии навигационный КА - потребитель
1.3 Радиовидимость навигационных КА и распределение геометрического фактора
1.4 Взаимная динамика потребителя и навигационного КА
1.5 Выводы по разделу
2. Архитектура приемника сигналов спутниковых навигационных систем для космического потребителя
2.1 Основные подходы к проектированию навигационных приемников
2.2 Особенности проектирования аппаратуры космического базирования
2.3 Методы программной реализации коррелятора
2.4 Архитектура приемника с программно-аппаратным коррелятором
2.5 Оценка производительности процессора, необходимой для реализации коррелятора..
2.6 Выводы по разделу
3. Программный коррелятор с переменным временем интегрирования
3.1 Архитектура программного коррелятора
3.2 Принцип работы коррелятора с переменным временем интегрирования
3.3 Генератор кода и демодуляция входного сигнала
3.4 Г енератор несущей и компенсация доплеровского смещения частоты
3.5 Анализ характеристик квадратурных отсчетов на выходе коррелятора
3.6 Временная диаграмма работы коррелятора в режиме когерентного слежения
3.7 Выводы по разделу
4. Реализация основных алгоритмов первичной обработки сигналов спутниковых навигационных систем
4.1 Особенности реализации алгоритма поиска в приемнике космического базирования..

4.2 Алгоритм слежения за задержкой сигнала и анализ его характеристик
4.3 Алгоритм слежения за параметрами несущей частоты
4.4 Выделение символов навигационного сообщения
4.5 Выводы по разделу
Заключение
Список сокращений
Список литературы
Приложения
А. Требования к точности определения координат перспективных КА различного целевого назначения
Б. Параметры орбит потребителей, выбранных для моделирования условий приема сигналов спутниковых радионавигационных систем

Введение
Актуальность темы исследования. Для повышения автономности функционирования космических аппаратов (КА) различного целевого назначения в околоземном пространстве требуется использование бортовых средств навигации. Возможность высокоточного определения вектора состояния КА на борту значительно упрощает решение задач навигационного планирования (включая планирование маневров), удержания КА на орбите, предотвращения столкновений внутри группировки, а также открывает новые функциональные возможности в управлении космическими аппаратами, такие как создание группировок для полета строем (formation flying). Навигация КА может производиться при помощи инерциальных систем, датчиков звездного неба, спутниковых радионавигационных систем (СРНС) и других методов, а также комплексированием данных от разных навигационных датчиков. В настоящее время наиболее полно требованиям к навигационному обеспечению КА удовлетворяют среднеорбитальные СРНС - американская Global Positioning System (GPS) и российская Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС). К их достоинствам относятся высокая точность, доступность, надежность и непрерывность координатновременного обеспечения потребителей. Поэтому навигационные приемники GPS/ГЛОНАСС становятся неотъемлемой частью бортового комплекса управления КА, информация от которых используется как для уточнения орбитальных параметров центра масс КА, так и для планирования целевых задач в бортовом комплексе [17].
Степень разработанности темы исследования. Несмотря на большой выбор навигационных приемников GPS/ГЛОНАСС, представленных на рынке гражданской аппаратуры потребителей (АП), число приемников, пригодных для использования в условиях космического пространства, ограничено. При этом стоимость такой аппаратуры весьма высока, что обусловлено небольшим сегментом рынка и жесткими требованиями к радиационной стойкости элементной базы АП космического базирования [52]. Электронные компоненты приемника, соответствующие этим требованиям, в частности многоканальный коррелятор (МКК), доступны лишь в военном исполнении или в исполнении для двойного применения.
Высокая стоимость и ограниченная доступность радиационно-стойких МКК являются препятствием при разработке бортовой аппаратуры спутниковой навигации (БАСН) для гражданского потребителя. Выходом из сложившейся ситуации может быть использование подхода, при котором функции коррелятора в навигационном приемнике реализуются программными средствами и выполняются под управлением центрального процессора (ЦП)

привязка SIMD команд к архитектуре ЦП, что значительно затрудняет портирование кода на другую платформу.
Эффективным методом ускорения вычисления корреляции является использование битовых операций [45, 46]. В отличие от S1MD команд битовые операции являются универсальными и реализованы в большинстве ЦП, используемых для ЦОС. К таким операциям относятся, например, логические битовые операции XOR, AND и OR, позволяющие организовать параллельную обработку входного потока данных. Для этого разряды отсчетов ПЧ с выхода РЧ блока упаковываются в отдельные слова — обычно в одно слово, содержащее знаковые разряды, и в несколько слов, содержащих разряды амплитуды. В зависимости от упаковки разрядов корреляция входного сигнала с опорным может осуществляться одновременно для множества последовательных отсчетов сигнала одного НКА или одномоментных отсчетов сигналов нескольких ПКА. Варианты упаковки для 2-х разрядного представления отсчетов ПЧ изображены на Рисунке 2.4. Для такой упаковки входных данных

Si nil

Sk mk

(k-разрядное)
Sl m,

Sk mk
Sk S2 Sl
mk m2 m.

■*—N разрядов—►
Sk Sk sk
mk mk mk

s2 s2 s
m2 m2 m
Sl S| Sl
mi m. mi

Рисунок 2.4 - Варианты упаковки отсчетов ПЧ для 2-х разрядного квантования
умножение отсчетов ПЧ и опорной ПСП может быть выполнено с использованием операции XOR. При этом за одну операцию осуществляется умножение сразу нескольких отсчетов. Выигрыш в быстродействии зависит от разрядности First Input First Output (FIFO) буфера (a) или числа параллельных каналов МКК (б). Умножение отсчетов демодулированного сигнала и опорной частоты для каждого квадратурного канала реализуется с помощью одной логической операции XOR и переопределения разрядов, содержащих амплитуду [46]. Ниже приведено пояснение такой реализации на примере 2-х разрядного квантования отсчетов. В этом случае