Главная » 2014»Август»1 » Скачать Алгоритмы обработки радиосигналов в системах позиционирования в условиях многолучевого распространения радиоволн. Зарецкий, бесплатно
23:42
Скачать Алгоритмы обработки радиосигналов в системах позиционирования в условиях многолучевого распространения радиоволн. Зарецкий, бесплатно
Алгоритмы обработки радиосигналов в системах позиционирования в условиях многолучевого распространения радиоволн
Диссертация
Автор: Зарецкий, Станислав Витальевич
Название: Алгоритмы обработки радиосигналов в системах позиционирования в условиях многолучевого распространения радиоволн
Справка: Зарецкий, Станислав Витальевич. Алгоритмы обработки радиосигналов в системах позиционирования в условиях многолучевого распространения радиоволн : диссертация кандидата технических наук : 05.12.04 / Зарецкий Станислав Витальевич; [Место защиты: Моск. гос. ин-т радиотехники, электроники и автоматики] - Москва, 2010 - Количество страниц: 136 с. ил. Москва, 2010 136 c. :
Объем: 136 стр.
Информация: Москва, 2010
Содержание:
Принятые сокращения
Введение:
1 Состояние проблемы в настоящее время
11 Обзор существующих и разрабатываемых систем позиционирования
111 Системы позиционирования на основе спутниковых систем GPS и ГЛОНАСС
112 Угломерные системы позиционирования
113 Разностно-дальномерные системы позиционирования
114 Комбинированные системы позиционирования
115 Сравнительный анализ систем позиционирования
2 Синтез помехозащищённой системы позиционирования при наличии многолучевого распространения радиосигналов
21 Описание модели сигнала'
22 Алгоритм и структура оптимальной обработки'
23 Алгоритм и структура квазиоптимальной обработки40
23 Анализ потенциальной точности местоопределения
Выводы по разделу 248
3 Анализ помехозащищённой системы позиционирования при наличии многолучевого распространения радиосигналов
31 Влияние геометрического фактора на точность позиционирования
32 Анализ многолучевого распространения радиосигналов вусловиях города
33 Оптимизация выбора структуры системы, использование упрощенных вспомогательных базовых станций
34 Выбор сигналов для решения задачи позиционированя в условиях городской застройки
35 Анализ помехозащищённости- разностно-дальномерной системы позиционирования
Выводы по разделу 3
4 Повышение точности позиционирования, в условиях городской застройки
41 Применение сигналов с оптимальной автокорреляционной функцией
42 Применение динамически-перестраиваемых псевдослучайных последовательностей
43 Использование специальных видов обработки сигналов, получаемых на ириёмньк позициях
431 Когерентная компенсация помеховых сигналов
432 Способ подавления боковых лепестков, основанный на обнулении заданного участка корреляционной функции
443 Оптимальное использование избыточной информации, получаемой с дополнительных приёмных позиций и данных, получаемых при повторных измерениях
444 Использование доплеровского смещения частоты принятого сигнала в расчетах вектора скорости и повышения точности позиционирования
5 Моделирование на основе экспериментальных исследований характеристик распространения сигналов в городских условиях
51Описание реализованного макета разностно-дальномерной системы позиционирования
511 Системотехнические аспекты реализации макета
512 Алгоритмы работы макета системы
52 Экспериментальные исследования распространения радиосигнала в условиях городской застройки
Введение:
В последнее время активно развиваются технологии и связанные с ними услуги по определению местоположения людей и перемещаемых объектов. К таким услугам, например, относятся:
• навигация на незнакомой местности;
• получение справочной информации (расположение ближайших заправок, магазинов и т.д.);
• вызовы экстренных служб;
• диспетчеризация транспорта;
• контроль за перемещением людей и техники.
Для решения этих задач необходимо, чтобы специализированная система определяла с требуемой точностью место, где находится абонент, т.е. решала задачу позиционирования.
На сегодняшний день подавляющее число задач позиционирования решается на основе использования приёмников спутниковых систем GPS (США) и ГЛОНАСС (Россия). Эти системы не могут в полном объёме удовлетворить потребности в услугах позиционирования, поскольку они имеют два существенных ограничения:
Приёмники спутниковых систем не могут принимать сигналы со спутников внутри зданий, поскольку эти сигналы не проходят сквозь такие препятствия, как стены и перекрытия (даже с применением технологии A-GPS); Спутниковые системы имеют слабую помехозащищённость, особенно от преднамеренных радиопомех. В частности, передатчик, мощностью всего 4 Вт способен «заглушить» приёмники GPS в радиусе 100 км [2].
В настоящее время в мире активно развиваются локальные (т.е. действующие на территории города или большого района) и сетевые системы позиционирования, в частности, на основе сотовых систем радиосвязи [3;4;67]. Более того, в некоторых странах операторы сетей связи по закону обязаны предоставлять информацию о местоположении абонентов экстренным и другим службам в случае необходимости. В частности, в США операторы связи обязаны сообщать службе 911 координаты абонентов с точностью 125м.
Основные методы определения координат в локальных наземных системах позиционирования можно разделить на три главных группы (не считая метода позиционирования с точностью до соты Cell ID), а также их комбинации:
Рис. 1. Угломерный метод позиционирования Метод определения местоположения источника радиоизлучения, основанный на определении угла прихода сигнала на нескольких приёмных позициях (рис.1), в зарубежной литературе этот метод называется АОА (angle of arrival). Для определения направления прихода сигналов сотовых телефонов или радиостанций используются фазированные антенные решетки, устанавливаемые на базовых станциях сети или в других фиксированных пунктах. Поскольку диаграмма направленности приёмных антенн базовых станций имеет определённую ширину, то точность позиционирования ухудшается по мере удаления передатчика от базовой станции. Для пеленгации объекта на плоскости, его сигнал должен быть принят не менее чем двумя базовыми станциями одновременно.
Рис. 2. Разностно-далькомерный метод позиционирования Метод определения местоположения перемещаемого объекта, основанный на определении времени прихода сигнала на различные базовые станции. Поскольку точное время излучения радиосигнала обычно неизвестно, то используется вычисление разности времён прихода сигнала на различные базовые станции, после чего эти разности времён пересчитываются в разности расстояний (рис. 2). Поэтому этот метод называется разностно-дальномерньш (или TDOA- time difference of arrival). Для однозначного определения координат на плоскости этим методом, необходимо принимать сигнал от источника излучения не менее чем тремя базовыми станциями одновременно. При этом сигнал, излученный абонентом, должен иметь полосу, достаточную для обеспечения необходимой точности позиционирования. Например, точности позициоЕгирования 30м при единичном измерении соответствует полоса сигнала 10 МГц. В реальной системе полоса излучаемого сигнала может быть меньше, т.к. необходимую точность можно достичь путём усреднения результатов серии измерений. Тем не менее, данный метод плохо применим для традиционных узкополосных систем связи.
Метод определения местоположения перемещаемого объекта, основанный на измерении амплитуды принятого сигнала. В этом методе на базовой станции производится измерение амплитуды сигнала переданного абонентом. Поскольку эта амплитуда уменьшается по мере увеличения расстояния между передатчиком и приёмником, то, измеряя амплитуду, можно судить об удалённости абонента от базовой станции. Данный метод неплохо реализуется на открытой местности, где обеспечивается прямая видимость между передатчиком и приёмником. В городе условия распространения радиосигнала далеки от идеальных и данный метод становится малопригодным, но он успешно может быть применён в качестве источника избыточных данных в комбинации с другими методами.
В настоящее время системы, использующие описанные выше принципы работы, активно развиваются, и в лучших из них точность позиционирования на открытой местности достигает единиц метров. Однако на пути практической реализации таких систем стоит немало проблем, главной из которых является многолучевое распространение радиосигнала в условиях города. Ввиду того, что в городе, где условия распространения сигнала имеют сложный характер, сигнал, излученный передатчиком, вследствие переотражений от препятствий, может приходить на приёмник с совершенно иных, по сравнению с истинным, направлений (как показано на рис.3).
Рис 3. Многолучевое распространение радиосигнала в условиях города Кроме того, на приёмных позициях уровень переотраженных сигналов может бьггь намного выше, чем у прямого сигнала, ослабленного прохождением сквозь строения. После такого ослабления, прямой сигнал может даже быть ниже уровня шума и не восприниматься приёмником, в то время как переотраженные сигналы могут иметь достаточно высокий уровень для их обнаружения. Для иллюстрации на рис.4 приведен пример огибающей сигнала, принятого в городских условиях (полоса сигнала - 5 МГц, несущая частота - 915 МГц). Для сравнения на рис. 5 представлен аналогичный сигнал, принятый в условиях прямой видимости между передатчиком и приёмником.
1 2 3 4 же
Рис. 4. Огибаюшая сигнала, принятого в условиях многолучевого распространения
1 2 3 4 шс
Рис. 5. Огибающая сигнала, принятого в условиях прямой видимости Таким образом, основным источником ошибок определения местоположения перемещаемых объектов в городских условиях является многолучевое распространение радиосигналов, когда уровень прямого сигнала от абонента, принятый базовой станцией, бывает намного меньше уровня сигнала, переотражённого от различных объектов. Ошибки измерения координат до 500м [6;7;8], которые вызваны многолучевым распространением сигналов, оказываются неприемлемо большими для большинства практических применений, особенно связанных с безопасностью, где требуемая точность не должна быть хуже, чем 30м.
Проблема позиционирования в условиях многолучевоети до настоящего времени не решена на должном уровне ввиду её сложности, в частности, теоретический синтез системы с учётом переотражений пока не даёт нужных результатов, хотя попытки такого синтеза имели место [68;69]. В предлагаемой' вниманию работе подобный синтез проведен, получены оптимальные алгоритмы и структура обработки.
Цель работы заключается в разработке и реализации комплексного подхода к проектированию локальной радиотехнической системы позиционирования, устойчивой к воздействию пассивных помех, обусловленных переотражениями сигнала в условиях городской застройки. В рамках поставленной цели решаются следующие задачи:
• выбор структуры системы в целом;
• выбор параметров зондирующих сигналов;
• разработка методов обработки принимаемых сигналов;
Исследование проводится на примере локальной системы позиционирования, использующей разностно-дальномерный метод. В состав системы входят:
• абонентские устройства (АУ) в виде малогабаритных передатчиков импульсного широкополосного сигнала с индивидуальным кодом. Передатчики могут работать либо, постоянно, позволяя системе контролировать их перемещения, либо включаться абонентом в экстремальных ситуациях для вызова службы спасения к месту происшествия;
• не менее трёх приёмных базовых станций (БС), размещаемых по периферии контролируемого района города. Назначение БС - принимать сигналы АУ, оценивать их параметры (амплитуда, частота, время прихода, индивидуальный код абонента) и передавать по каналу связи в центр управления системы;
• Центр управления системы (ЦУС) на основании принятой с БС информации рассчитывает местоположение абонентов и передаёт эти данные соответствующим потребителям;
Выбор в качестве объекта исследования именно такой системы позиционирования обусловлен, в первую очередь, её большими потенциальными возможностями (точностью позиционирования и высокой помехозащищённостью) , широким спектром потребителей, а также наметившейся сегодня тенденции к практическому использованию в городах именно таких систем.
На защиту выносится теоретическое и экспериментальное обоснование использования в локальной радиотехнической системе позиционирования предложенных типов сигналов, а также алгоритмы приёма и, обработки таких сигналов. Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Использование для создания структуры системы локационного принципа определения координат (на основе пассивной многопозиционной радиолокации), позволяет обеспечить высокую помехозащищенность системы от возможных преднамеренных помех.
2. Корректно созданная модель системы позиционирования и её сигналов позволила получить алгоритм, и структуру обработки сигналов, показывающие, что наиболее информативными являются не только прямой сигнал, но и отражения от объектов с известными характеристиками. Однако реализация такой структуры достаточно сложна и- потребовалась разработка более простых квазиоптимальных алгоритмов.
3. Использование библиотеки сигнатур - откликов фильтра на тестовый сигнал (с его переотражениями от стационарных отражателей), дало< возможность создать квазиоптимальную структуру и алгоритм' вторичной обработки сигналов, по результирующим свойствам мало отличающиеся от оптимальных, но более простые в аппаратно-программной реализации. Реализация этой структуры позволяет обеспечить измерение координат объекта при» наличии только одной приёмной позиции и при отсутствии прямого сигнала.
4. При невозможности использования сигнатурной обработки, приемлемую точность позиционирования можно получить, в (Частности, используя ФКМ сигналы с кодированием их динамически-перестраиваемыми ПСП с последующим усреднением откликов на выходе согласованного фильтра, либо применяя «расчистку» результирующего отклика от боковых лепестков в заданной области.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Впервые для наземных локальных систем позиционирования, функционирующих в городских условиях предложен способ оптимизации формы сигнала с целью его выделения на фоне сильных отражений от зданий.
2. Разработан эффективный алгоритм когерентной компенсации помехового сигнала для наземных систем.
3. Разработан эффективный алгоритм> использования избыточных измерений угловых координат и информации о спектральных характеристиках принятых сигналов.
4. Предложен и опробован способ определения местоположения объекта, основанный на использовании априорной информации об источниках переотражения и использовании сигнатур.
Практическая ценность проведенной работы заключается в разработке комплексного подхода и апробации ряда методов и системных решений, позволяющих существенно - повысить точность. определения местоположения перемещаемого объекта радиотехническими' системами, позиционирования* в условиях многолучевого- распространения сигнала. Среди направлений, практического использования результатов работы можно выделить несколько наиболее важных:
1. Повышение точности- определения местоположения абонентов сотовых сетей' радиосвязи в интересах службы- спасения. Используемые-сегодня методы опираются на штатный технический состав сотовой радиосвязи* и-не в состоянии обеспечить высокие характеристики- пеленгации> в-условиях плотной* городской! застройки: Применение предложенных, в диссертационной' работе методов- позволит, значительно- повысить точность определения местоположения терпящих бедствие: абонентов' и обеспечить повышение эффективности оказания медицинской помощи.
2. Повышение качества функционирования систем позиционирования" перемещаемых объектов; использующие спутниковые приёмники GPS и ГЛОНАСС. Использование предложенных способов обработки сигналов, при их реализации на приёмниках спутниковых сигналов (некоторые приёмники позволяют работать с «сырыми» данными) повысит точность позиционирования в городских условиях.
3. Повышение степени помехозащищённости системы, обусловленную отсутствием у абонентов приёмного устройства, которое могло бы преднамеренно подавляться активной помехой, а также высокую точность определения местоположения абонента, система может стать основой информационного обеспечения служб безопасности (например, службы 911) оперативными данными о местоположении абонентов, оказавшихся в экстремальных ситуациях.
4. Улучшение работы служб аэропортов, морских портов, мест добычи полезных ископаемых и другие объекты, где на ограниченной территории сосредоточено большое число сотрудников и транспортных средств, и где для эффективной работы диспетчерских служб важно иметь оперативную информацию о местоположении перемещаемых объектов.
5. Повышение надёжности функционирования систем посадки летательных аппаратов (самолёты, вертолёты) на местности, где требуется высокая точность измерения положения и одновременно предельно низкая вероятность ошибок, связанных с отражением радионавигационных сигналов от ближайших объектов.
Достоверность полученных результатов подтверждается:
1. Использованием апробированного математического аппарата теории случайных процессов.
2. Совпадением теоретических результатов и результатов моделирования на ЭВМ процесса выделения полезного сигнала на фоне коррелированных помех.
3. Совпадением теоретических результатов, результатов моделирования с результатами экспериментальных исследований обработки эхо-сигналов, принятых в условиях городской застройки при макетировании радиотехнической локальной радиотехнической системы позиционирования на базе МФТИ в г. Долгопрудном Московской области, и макетирования распределённой радиолокационной системы в ОАО «НПК НИИДАР».
Апробация работы:
Основные результаты работы докладывались автором на следующих конференциях:
1. Конференция "Радиолокация и связь на пороге третьего тысячелетия", Москва, апрель 2000г., ВВЦ. Система информационного обеспечения служб общественной безопасности.
2. Конференция «Высокие технологии оборонного комплекса», Москва, май 2000г., Экспоцентр. Системы позиционирования как средство обеспечения личной безопасности граждан.
3. Конференция "Радиолокация, навигация, связь», апрель 2005 . г.Воронеж, ВГУ. Локальная система позиционирования, устойчивая к многолучевому распространению сигнала:
4. VI всероссийская отраслевая научно-техническая конференция «Проблемы создания лазерных систем», 1-3 октября 2008г. г. Радужный Владимирской обл., ФГУП ГосНИИЛЦ РФ «Радуга». Радиотехническая система формирования целеуказаний лазерным средствам наведения.
5.58-я научно-техническая конференция МИРЭА, май 2009. Метод подавления боковых лепестков, основанный на обнулении заданного участка корреляционной функции.
6.59-Я) научно-техническая конференция МИРЭА, май 2010. Квазиоптимальная обработка сигналов в системе позиционирования.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1.3арецкий С.В. Проблемы позиционирования в нефтегазовой отрасли //Нефтегазовые технологии. - 2000. - № 1.
2.3арецкий С.В. Использование сигнатур для повышения точности определения местоположения подвижных объектов в локальных системах позиционирования // Электронный журнал Исследовано в России: электронный журнал. — 2001. — 84; стр. 937-943 [Электронный ресурс]. URL: http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/084.pdf (дата обращения: 12.04.2010).
З.Зарецкий С.В., Сельменев Е.А. Метод подавления боковых лепестков сигнала в виде бинарной фазоманипулированной последовательности. // Электронный журнал Исследовано в России: электронный журнал. — 2008. — 78,стр. 846-852 [Электронный ресурс]. URL: http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2008/078.pdf (дата обращения: 12.04.2010).
4.А.Н. Королёв, А.Ф. Котов, С.В. Зарецкий. Синтез системы позиционирования при наличии многолучевого распространения радиосигналов. Депонированная рукопись. Депонирование в ВИНИТИ1' 09.12.09., Ж784-В2009.
5.А.Н. Королёв, А.Ф. Котов, С.В. Зарецкий. Квази-оптимальная структура устройства обработки сигналов для системы позиционирования при наличии многолучевого распространения радиосигналов. Депонированная рукопись. Депонирование в ВИНИТИ 09.12.09., №785-В2009.
6. Зарецкий С.В. Способ выделения полезного сигнала на фоне боковых лепестков мешающих отражений // Наукоёмкие технологии. — 2010. — № 3.
Авторские решения, защищенные патентами:
1. Патент № 84996 РФ. Пассивная многопозиционная радиотехническая система/ Зарецкий С.В., Зарецкий В.И.; Заявка № 2008134198 от 31.10.2008; I
Приоритет 31.10.2008:
2. Патент № 85676 РФ: Радиотехническая система определенияместоположения излучающих наземных объектов в условиях .многолучевого распространения радиосигнала/ Зарецкий С.В. Заявка №2008149015 от 12.12.2008; Приоритет 12.12.2008.
Внедрение основных результатов работы. Полученные при выполнении диссертационной работы результаты нашли отражения в пяти отчётах по НИР и использованы в ОАО - «НГПС «НИИДАР», внедрены в учебно-научный процесс в МИРЭА, что подтверждается соответствующими актами.
По материалам диссертации опубликовано пять печатных работ, .одна из которых опубликована- в журнале из перечня ВАК, а две из которых опубликованы в электронном журнале «Исследовано в России» (в соответствии с письмом ВАК от 26.05.98-№01-56-05-103 в адрес МФТИ признан научным изданием, допустимым для опубликования содержания диссертаций); Поданы две заявкина полезную модель и получены два патента.
Объём и структура работы: Данная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.
В первой главе данной работы описывается текущее состояние проблемы позиционирования перемещаемых объектов в условиях многолучёвости, анализируются характеристики существующих и создаваемых систем позиционирования и проводится их сравнительный анализ. Рассматриваются системы, реализованные на основе глобальных спутниковых систем GPS и ГЛОНАСС, и делается заключение об их ограниченной пригодности для решения задач, связанных с безопасностью. Рассматриваются системы позиционирования, основанные на системах сотовой радиосвязи, в частности, использующие угломерный, разностно-дальномерный и комбинированный методы определения местоположения перемещаемого объекта. Даётся описание и рассматриваются особенности проблем, связанных с многолучевым распространением сигнала. Проведены оценки влияния» многолучевого распространения на основные характеристики1 систем позиционирования - на точностные параметры, разрешающую способность, однозначность измерений, дальность действия.
Во второй главе диссертационной работы приведены результаты статистического синтеза устройства приёма, и обработки наземной1 системы' позиционирования с учётом наличия переотражений от местных предметов и флуктуационных помех. В процессе синтеза были разработаны математические модели смеси сигнала и помех, алгоритм оптимальной, обработки принимаемого сигнала по критерию максимальной апостериорной вероятности, а также структурная схема устройства,обработки, реализующая этот алгоритм. Эта схема, несмотря на то, что является оптимальной, на практике очень сложно реализуема, поэтому для практического использования разработана квазиоптимальная структура обработки, которая может значительно сократить вычислительные и аппаратурные ресурсы системы, но использовала бы все свойства сигналов, переотраженных от стационарных объектов.
Глава 3 диссертации посвящёна' анализу помехозащищённой системы позиционирования при наличии многолучевого распространения радиосигналов. В результате проведенного анализа выявлено, что система позиционирования, построенная по принципу размещения приёмных позиций равномерно по территории её работы и размещения передатчика на перемещаемом объекте обладает следующим свойствами:
1. Наилучшая точность определения координат объекта (соизмеримая с точностью первичных параметров в разностно-дальномерной системе) достигается при нахождении объекта внутри треугольника, образованного приёмными базовыми станциями, а снаружи треугольника точность значительно ухудшается.
2. Характерная задержка измерения времени распространения сигнала в городских условиях составляет 1 мкс, что затрудняет позиционирование с точностью до 30м традиционными методами (угломерным и разностно-д ал ьномерным).
3. При прочих равных условиях в системе следует использовать сигнал с максимальной шириной полосы. '
4. Система позиционирования, построенная по такому принципу, имеет высокий уровень помехозащищённости за счёт того, что передатчик находится на подвижном объекте и для вывода системы из строя необходимо поставить помехи всем приёмным позициям, которые могут принимать сигнал от него, что практически сделать очень сложно, при том, что в такой системе возможно определение координат помехопостановщиков.
В разделе 4 диссертационной работы представлены алгоритмы и структура устройства обработки, в которых сигнатурная вторичная обработка отсутствует. Такая ситуация возможна при отсутствии некоторых априорных данных о местных предметах. Одним из предлагаемых вариантов решения данной проблемы является использование ДП ПСП. Способ подавления боковых лепестков заключается в смене ПСП в каждом периоде передачи и приёма. Следующий предлагаемый способ решения этой задачи заключается в обнулении боковых лепестков на заданном интервале. Предложенный способ т.н. расчистки позволяет обнулить, отклик фильтра в требуемой зоне, даже с учётом боковых лепестков АКФ исходного сигнала. Суть способа заключается в аналитическом определении комплексных коэффициентов при весовом суммировании откликов смещённых по оси задержек. При избыточном количестве измерений, только некоторая, часто небольшая, часть откликов (в составе принятой пачки) фильтра, превысивших порог, может соответствовать прямому распространению радиосигнала, но какая-именно из них — априорно неизвестно. Для- устранения, возможных ошибок предлагается способ обработки, описанный аналитически.
Раздел 5 диссертации посвящен моделированию на основе экспериментальных исследований характеристик распространения сигналов в городских условиях. Для учёта особенностей многолучевого распространения радиоволн при наличии переотражений от городских построек было проведено полунатурное моделирование непосредственно в одном из районов г.
Долгопрудный Московской обл. Результаты моделирования подтвердили правильность теоретических предпосылок и позволили получить количественные оценки точностных характеристик системы позиционирования.
