ГЛАВА 6. СПОСОБЫ РАЗДЕЛЕНИЯ СИГНАЛОВ

6.1. МЕТОДЫ УПЛОТНЕНИЯ И РАЗДЕЛЕНИЯ СИГНАЛОВ В СЕТЕВЫХ СРНС

Особенности разделения сигналов в СРНС. Условие одновременной работы нескольких НИСЗ - излучателей сигналов в сетевой пассивной СРНС предъявляет специфические требования к передаче радионавигационных сигналов. В каждой точке околоземного пространства формируется групповой (суммарный) радионавигационный сигнал, представляющий собой сумму сигналов от нескольких НИСЗ. Образование группового сигнала можно рассматривать как операцию уплотнения радиоканала многоспутниковой РНС. В приемнике потребителя осуществляется операция, обратная уплотнению: из группового сигнала выделяются сигналы отдельных НИСЗ. Такая операция называется разделением сигналов.

Операция уплотнения — разделения сигналов характерна для многоканальных радиолиний систем передачи информации [109], в которых уплотняющее устройство, как правило, входит в передающее устройство. Поэтому в таких системах можно применять как линейные, так и нелинейные способы уплотнения, а соответственно — и разделения каналов.

Существенным отличием в возможностях уплотнения — разделения сигналов сетевых СРНС является отсутствие специального уплотняющего устройства, параметры которого можно было бы выбирать тем или иным способом. Сигналы отдельных спутников объединяются во всех точках околоземного пространства путем суперпозиции, т. е. операция уплотнения в принципе только линейна. Кроме того, она однозначна. Поэтому, рассматривая операцию разделения сигналов от различных НИСЗ, осуществляющую отображение пространства группового сигнала в пространство уплотняемых сигналов, на основе теории линейных преобразований [98] можно сделать вывод о том, что в пассивных СРНС операция разделения сигналов также линейна.

К линейным методам разделения относятся такие, при которых разделение сигналов выполняется линейными устройствами с постоянными или переменными параметрами. Известно [109], что для линейного разделения каналов при линейном уплотнении необходимым и достаточным условием является линейная независимость канальных сигналов, а следовательно, их ортогональность, поскольку систему линейно независимых функций линейным преобразованием всегда можно сделать ортогональной.

Известные способы линейного разделения сигналов основываются на использовании следующих видов селекции: пространственной, временной, частотной, структурной (разделение по форме сигналов).

Пространственная селекция. Предполагает разделение излучений от различных НИСЗ с помощью остронаправленных антенн (с шириной луча в единицы и доли градуса), устанавливаемых на П. Размещение остронаправленных антенн на движущихся объектах не всегда возможно, и, следовательно, способ пространственной селекции в сетевой пассивной СРНС, рассчитанной на широкий класс П, неприемлем. Однако его с успехом можно использовать в НЦН, причем применение остронаправленных антенн на НЦН позволяет кроме селекции излучений спутников существенно повысить энергетический потенциал радиолинии.

Временная селекция. Обеспечивается неперекрывающимися между собой во времени импульсами, при этом форма сигналов от различных НИСЗ и их спектры могут полностью совпадать.

Излучению каждого НИСЗ при временном разделении отводится определенное временное окно, отделяющееся от предыдущего защитным интервалом

обусловленным разницей во времени распространения радиосигналов от НИСЗ до наиболее удаленного и до ближайшего П, погрешностью синхронизации излучений НИСЗ в системе и изменением времени прохождения радиосигналов от НИСЗ до П вследствие движения и (за цикл излучения всех

Цикл излучения всех системы при временном разделении излучений составляет

где длительность излучения каждого НИСЗ.

Значение определяет минимальный дискрет местоопределения и при с для ССРНС типа «Навстар» будет достаточно большим (Ту что неприемлемо для высокоточных определений местоположения скоростных (маневренных) П. Его можно снизить, если сигнал от каждого НИСЗ передавать несколькими более короткими импульсами длительности в определенной очередности, со своими защитными интервалами, однако число введенных защитных интервалов увеличится в раз, что нерационально.

Частотная селекция. Ортогональность сигналов различных НИСЗ достигается за счет разнесения их частот. Сигналы всех НИСЗ могут передаваться одновременно и иметь одинаковую временную структуру. Прием таких сигналов на определяющемся объекте требует в общем случае -канальной аппаратуры.

Полоса частот необходимая для всей системы при частотном разделении, отсчитываемая любым из способов (по уровню

половинной мощности по первому нулю спектра по уровню энергии [18], например

где полоса частот сигнала каждого НИСЗ, отсчитываемая любым из указанных способов; частотный разнос между двумя соседними сигналами от разных НИСЗ, определяемый допустимой степенью перекрытия спектров; за может быть принята полоса при для сигнала от одного защитный частотный интервал, равный сумме частотной нестабильности генераторов различных НИСЗ и частотной неопределенности, вызванной эффектом Доплера.

Для высокоточных СРНС, в которых используются ШПС, суммарная полоса оказывается значительно больше значений, рекомендованных Регламентом радиосвязи [106].

Структурная селекция. При таком способе разделения излучений все сигналы передаются одновременно в одной полосе частот, а для разделения сигналов при приеме используются особенности их структуры, например различия кодов, поэтому данный способ называют также кодовым разделением. Для его реализации необходимо создать ансамбль сигналов, обладающих адресными признаками.

При кодовом разделении обычно используются квазиортогональные ШПС, следовательно, этому методу принципиально присущи взаимные помехи между адресами, обусловленные неидеальностью функций взаимной корреляции (ФВК) и называемые шумами неортогональности междуканальными или внутрисистемными помехами [109]. Для уменьшения шумов неортогональности необходимо выбирать ансамбль сигналов с хорошими взаимокорреляционными свойствами. Некоторые из способов построения таких ансамблей сигналов описываются в § 6.2.

Взаимокорреляционные свойства ансамбля сигналов характеризуются максимальным выбросом и распределением боковых выбросов нормированных к корню квадратному из числа элементов кода

Если сигнал от каждого НИСЗ представляет собой непрерывное излучение с манипуляцией фазы по закону периодической последовательности и для передачи двоичной информации используется целое число периодов основной или негативной последовательности (сигнал С/А в системе «Навстар» [143]), то взаимокорреляционные свойства ансамбля сигналов от разных НИСЗ могут быть охарактеризованы [69, 91] периодической функцией взаимной корреляции (ПФВК) и меандроинвертированной взаимокорреляционной функцией (МИФВК).

При корреляционной обработке навигационного сигнала описанной выше структуры на определяющемся объекте взаимные помехи можно рассматривать в каждый момент времени как

результат сложения независимых случайных векторов, амплитуды которых подчинены распределению амплитуд выбросов ФВК (ПФВК и МИФВК), а фазы равновероятны в интервале Последнее условие выполняется в силу случайности расстояний от НИСЗ до определяющегося объекта. При при больших базах сигнала) такая сумма формирует гауссовскую случайную величину с нулевым средним и дисперсией (мощностью)

где коэффициент передачи мощности со входа приемника; мощность одного мешающего сигнала на входе приемника; дисперсия распределения нормированных выбросов ПФВК (АФВК или МИФВК). Коэффициент 0,5 учитывает случайность фазы опорного сигнала по отношению к фазам мешающих сигналов [69].

Для -последовательностей дисперсии выбросов функций ПФВК и МИФВК одинаковы [91] и равны В этом случае мощность помех

Отношение сигнал-шум по междуканальным помехам на выходе коррелятора в соответствии с (6.5) равно значение его, приведенное к входу коррелятора, что при составляет

Таким образом, кодовое разделение излучений НИСЗ пассивной СРНС возможно, но ему присущи междуканальные помехи, которые должны учитываться при расчете показателей радиолинии К достоинствам кодового разделения излучений на основе ШПС можно отнести малую чувствительность к узкополосным помехам и помехам из-за многолучевого распространения.

Кодовое разделение излучений НИСЗ на основе ШПС предполагало закрепление за каждым НИСЗ своего определенного кода. Однако возможны и другие варианты структурного разделения излучений при использовании ШПС: квазичастотное (ансамбль разделяемых сигналов образуется частичными сдвигами по частоте) или квазивременное (ансамбль разделяемых сигналов образуется частичными сдвигами по времени).

В обоих случаях код разделяемых сигналов одинаков, а возможность разделения основывается на свойствах двумерной периодической функции корреляции — ДПФВК. При разносе частот разделяемых ШПС, большем где длина элементарного символа кода, а также при сдвиге во времени разделяемых ШПС, большем сигналы можно считать квазиортогональными

[91]. Следовательно, для квазичастотного разделения излучений различных ИСЗ значение частотного разноса должно быть существенно меньше а суммарная полоса частот для всех ИСЗ системы в соответствии с (6.3)

Такой способ разделения применен в системе «Глонасс» (см. § 4.4).

Временной сдвиг излучений различных спутников относительно друг друга при квазивременном способе уплотнения и практически определяется защитным интервалом, рассчитываемым по (6.1).

Таким образом, применение ШПС в принципе позволяет организовать квазивременное разделение непрерывных сигналов от каждого спутника и тем самым практически исключить (при многоканальном приеме) дискретность местопределений, присущую временному разделению излучений.

В описанных структурных способах разделения излучений при использовании ШПС, единого для всех НИСЗ системы, предполагалось принудительное введение частотных или временных частичных сдвигов в излучения различных НИСЗ в передающих устройствах. Однако возможен и способ квазивременного (квазичастотного) разделения без введения специального сдвига в излучения различных НИСЗ, основанный на случайном расположении спутников — излучателей радионавигационных сигналов относительно П. В этом случае разделение характеризуется определенной вероятностью и называется «вероятностным».