СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЗАИМНОЙ ЗАДЕРЖКИ МИНИМАЛЬНОГО ЧАСТОТНОГО СДВИГА (MSK) СИГНАЛОВ ПАКЕТНЫХ РАДИОСЕТЕЙ В РАЗНОСТНО-ДАЛЬНОМЕРНОЙ СИСТЕМЕ МЕСТООПРЕДЕЛЕНИЯ
METHOD FOR MEASURING MUTUAL DELAY OF MINIMUM FREQUENCY SHIFT (MSK) OF SIGNALS OF PACKET RADIO NETWORKS IN DIFFERENCE RANGE LOCATION SYSTEM

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в разностно-дальномерных системах определения координат источников радиоизлучений (ИРИ), использующих в качестве координатно-информативного параметра взаимную задержку принятых радиосигналов.
Известны:
1. Способ измерения взаимной задержки сигналов с программной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ) [1].
2. Разностно-дальномерный способ определения координат источника радиоизлучения [2].
3. Разностно-дальномерные многопозиционные радиотехнические системы [3, с. 228…241].
4. Оценка разности моментов прихода сигналов группировкой пространственно-разнесенных малых космических аппаратов [4].
5. Определение времени задержки приема сигнала пространственно-разнесенными сверхмалыми космическими аппаратами [5].
6. Определение местоположения источника шумоподобного сигнала с использованием корреляционной функции [7].
7. Способ измерения взаимной задержки MSK сигналов пакетных радиосетей в разностно-дальномерной системе местоопределения [8].
Основным недостатком почти всех вышеперечисленных способов является то, что они требуют ретрансляции сигналов, принятых на периферийных пунктах приема (ППП), на центральный пункт приема и обработки (ЦППО), где производится их совместная взаимно-корреляционная обработка. При этом взаимная задержка сигналов (ВЗС) соответствует положению максимума модуля взаимно-корреляционной функции этих сигналов. Ретрансляция может осуществляться как в аналоговом, так и в цифровом виде. При этом для цифровой ретрансляции необходимо наличие шкалы единого времени на всех пунктах приема [7]. Необходимость ретрансляции сигналов с периферийных пунктов на центральный требует наличия высокоскоростных каналов передачи данных. А именно их отсутствие и является основным сдерживающим фактором широкого применения разностно-дальномерных систем местоопределения (РДС МО) на практике, так как при таком способе реализации РДС МО их пропускная способность очень низка.
Наиболее близким к заявляемому способу по совокупности совпадающих существенных признаков является способ [8], который выбран в качестве прототипа. Суть данного способа заключается в измерении взаимной задержки сигналов неизвестной формы, основанный на измерении времени прихода сигналов (ВПС) [8, 9] в каждом ППП РДС МО, оснащенной подсистемой единого времени (ПСЕВ), и передачей на ЦППО только результатов измерения. Данный способ применим к сигналам пакетных радиосетей (в том числе с ППРЧ) использующих частотную манипуляцию с минимальным частотным сдвигом (Minimum Shift Keying - MSK). Такой подход резко увеличивает пропускную способность РДС МО. Измеренные значения ВПС передаются на ЦППО, где производится вычисление разностей времени приема этих сигналов в ППП и ЦППО как разностей соответствующих ВПС, после чего вычисляются координаты ИРИ. Структурная схема РДС МО, содержащей три ППП, один ЦППО и ПСЕВ приведена на фиг. 1.
i
i
Каждый периферийный пункт приема сигнала ИРИ (ППП,), представляющий совокупность устройств, выделяющих радиосигналы от ИРИ на фоне помех, устройств, измеряющих ВПС относительно шкалы единого времени, а также устройств, организующих линии передачи измеренных ВПС, включает в себя:
i
- антенное и цифровое радиоприемное (ЦРПУ) устройства для приема сигналов ИРИ;
i
i
- устройство измерения времени прихода сигнала (УИВПС) для измерения временного положения сигнального пакета по шкале единого времени (ВПС);
i
i
- радиопередающее (РПдУ) и антенное устройства для передачи измеренных значений ВПС на ЦППО, где i=1, 2, 3.
0
i
i
Центральный пункт приема и обработки, представляющий совокупность устройств, выделяющих радиосигналы от ИРИ на фоне помех, устройства, измеряющего ВПС относительно шкалы единого времени, а также устройств, предназначенных для выделения полезной информации о параметрах ИРИ (взаимной задержки сигналов) путем вычисления разностей ВПС в ППП и ЦППО, включает в себя:
i
- антенные и радиоприемные устройства (РПрУ) для приема информационных сигналов о ВПС;
0
- антенное и радиоприемное (РПрУ) устройства для приема сигналов ИРИ;
- центральный пункт обработки (ЦПО).
i
i
В ЦПО производится оценка величины взаимных задержек сигналов ИРИ в приемных пунктах путем вычисления разностей ВПС в ППП и ЦППО.
Подсистема единого времени представляет собой совокупность устройств, служащих для формирования шкалы единого времени на всех пунктах приема.
i
i
ps
l
2
n
Вычисление ВПС в ППП в прототипе производится в УИВПС, путем определения временного положения максимума апостериорной плотности вероятности (АПВ) P(τ) параметра τ на основе анализа принятой реализации ξ(t, λ)=s (t, λ)+n(t), 0≤t≤T с учетом априорных сведений о сигнале s(t, λ), зависящем от нескольких параметров λ={λ , λ, …, λ} и шуме n(t), где Т - время наблюдения.
pr
где P(τ) - априорная плотность вероятности;
k - коэффициент, выбираемый из условия нормировки;
L(τ) - функция правдоподобия.
0
где I(⋅) - модифицированная функция Бесселя нулевого порядка;
Z(τ) - функция взаимной корреляции между принимаемым сигналом и его копией;
ш
N - спектральная плотность мощности собственных шумов приемника;
m
U - амплитуда сигнала.
l
0
1
0
В прототипе используется та особенность MSK сигналов, что прирост фазы на элементарном импульсе модулирующей последовательности MSK сигнала составляет  [11, стр. 177-181]. Эта особенность позволяет сначала вычислить парциальные взаимнокорреляционные функции A(τ), A(τ), В(τ), В(τ) входного действительного сигнала
1
2
n
p
H
с
ξ(t, λ)=s(t, λ)+n(t), 0≤t≤T, представляющего собой сумму полезного сигнала s(t, λ), зависящего от нескольких параметров λ={λ, λ, …, λ}и шума n(t), где Т - время наблюдения, с четырьмя гармоническими колебаниями (опорными колебаниями) двух частот  длительностью равной длительности принимаемого сигнала (пакета) T. Здесь ƒ - частота несущей, Т - длительность элементарного импульса модулирующей последовательности.
1
1
0
0
где ω=2πƒ, ω=2πƒ;
D[⋅] - оператор выпрямления корреляционного интеграла (КИ).
После чего, вычисляется полная взаимнокорреляционная функция, ее модуль и апостериорная плотность вероятности [8] в соответствиями с выражениями
Полученная в прототипе АПВ имеет многомодальную структуру. При оценивании ВПС, используется центральный пик АПВ, который аппроксимируется полиномом четвертой степени. Оценка времени прихода сигнала находится из решения уравнения
psm
ps
где P(τ) - аппроксимация центрального пика апостериорной плотности вероятности P(τ).
Искомая ВЗС  вычисляется по формуле
Где  и  - оценки ВПС в i-м и j-м пространственно-разнесенных пунктах приема соответственно, i≠j.
Если априорная плотность вероятности неизвестна, то оценка по максимуму апостериорной плотности вероятности совпадает с максимально правдоподобной оценкой.
Осциллограммы сигналов в характерных точках УИВПС прототипа приведены на фиг. 2.
Главным недостатком прототипа является низкая скорость вычислений, так как обработка сигналов производится во временной области. Это вызвано необходимостью поиска точек "перелома" КИ и его коррекции, что делает невозможным применение алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ).
Цель изобретения - повышение скорости вычислений при измерении взаимной задержки MSK сигналов пакетных радиосетей при неизвестном законе первичной модуляции в РДС МО.
1
0
1
0
Указанный технический результат при осуществлении предлагаемого способа достигается тем, что в предлагаемом способе изменяются действия при оценивании ВПС в ППП. Суть этих изменений заключается в замене операций поиска точек перелома и выпрямления КИ D[⋅], вычислением КИ от произведения модулей входного сигнала и опорных колебаний (ОК). В этом случае процесс вычисления КИ, для сигнала со всеми четырьмя ОК показан на фиг. 3. В положительной полуплоскости приведены изображения хода вычислений КИ для косинусных ОК с частотами ƒ и ƒ, в отрицательной полуплоскости - для синусных ОК с частотами ƒ и ƒ.
Тогда, алгоритм построения апостериорной плотности вероятности предлагаемого способа будет следующий:
1. Прямое преобразование Фурье модуля сигнала
2. Прямое преобразование Фурье модулей ОК
1
1
0
0
0
Где  - действительные и мнимые части Фурье образов модулей ОК; ω=2πƒ, ω=2πƒ; ϕ - начальная фаза ОК.
3. Умножение спектральных плотностей модулей ОК на комплексно-сопряженную спектральную плотность модуля сигнала
где * - знак комплексного сопряжения.
4. Обратное преобразование Фурье результатов перемножений спектральных
плотностей и получение модулей парциальных ВКФ (БПФ)
5. Нахождение результирующей ВКФ, как суммы модулей парциальных ВКФ
6. Преобразование Гильберта ВКФ и нахождение огибающей (модуля) ВКФ
7. Нахождение апостериорной плотности вероятности
1
0
1
0
где А(τ), A(τ), B(τ), В(τ), - модули парциальных ВКФ принимаемого в точке приема сигнала с ОК;
Im(⋅), Re(⋅) - мнимая и действительная части ОК;
Т - время наблюдения;
pr
P(τ) - априорная плотность распределения вероятности τ;
0
I (⋅) - модифицированная функция Бесселя нулевого порядка;
- результирующая ВКФ;
m
U - амплитуда сигнала;
ш
N - спектральная плотность мощности шума.
psm
Полученная АПВ, как и в прототипе, имеет многомодальную структуру. Также, как и в прототипе при оценивании ВПС, используется центральный пик АПВ. Аппроксимация центрального пика АПВ P(τ), оценивание  и  производится так же как и в прототипе в соответствии с выражениями (10-11). На фиг. 4 показан процесс аппроксимации центрального пика АПВ и оценивания времени прихода сигнала. Аппроксимация пика произведена полиномом четвертой степени.
Если априорная плотность вероятности неизвестна, то оценка по максимуму апостериорной плотности вероятности совпадает с максимально правдоподобной оценкой. Осциллограммы в характерных точках алгоритма приведены на фиг. 5.
Сравнивая алгоритмы построения АПВ прототипа и предлагаемого способа, видно, что в предлагаемом способе в отличие от прототипа используется алгоритм БПФ, чем и объясняется выигрыш в скорости вычислений при обработке сигналов. Применение БПФ в прототипе в принципе невозможно, т.к. поиск точек "перелома" КИ и его коррекция возможны только во временной области.
Предлагаемое изобретение иллюстрируются чертежами, на которых изображены:
на фиг. 1 - структурная схема РДС МО;
на фиг. 2 - осциллограммы сигналов в характерных точках прототипа;
на фиг. 3 - иллюстрация процесса вычисления модулей КИ, для сигнала со всеми четырьмя опорными колебаниями;
на фиг. 4 - иллюстрация процесса аппроксимации центрального пика апостериорной плотности вероятности и оценивания времени прихода сигнала;
на фиг. 5 - осциллограммы сигналов в характерных точках предлагаемого способа;
на фиг. 6 - графики зависимости погрешности оценивания взаимной задержки сигналов от отношения сигнал/шум для прототипа - 1 и предлагаемого способа - 2.
на фиг. 7 - график выигрыша в скорости вычисления предлагаемым способом по сравнению с прототипом.
Для исследования характеристик предлагаемого способа и сравнения его с прототипом создана имитационная модель УИВПС. При моделировании использовались следующие параметры сигнала: несущая частота - 100 МГц, длительность пакета - 6.4 мкс, число импульсов модулирующей псевдослучайной последовательности (ПСП) - 32, тактовая частота ПСП - 5 МГц, вид модуляции - MSK. Результаты моделирования приведены на фиг. 6 и 7. На фиг. 6 изображены графики зависимости погрешности оценивания взаимной задержки сигналов от отношения сигнал/шум на входе УИВПС. Цифрами обозначены: 1 - график для прототипа; 2 - для предлагаемого способа. Как видно из рисунка точностные характеристики прототипа и предлагаемого способа практически совпадают во всем исследуемом диапазоне отношений сигнал/шум.
Р
На фиг. 7 изображен график выигрыша (G) в скорости вычисления предлагаемым способом по сравнению с прототипом за счет использования алгоритма БПФ. Известно, что максимальный выигрыш при вычислении свертки с использованием БПФ достигается, когда длина выборки L является степенью 2, т.е. L=2. Из графика видно, что с увеличением показателя степени р выигрыш возрастает. Так для L=2048 (р=11) выигрыш составляет более 30 раз, для L=16384 (р=14) - более 215 раз. Таким образом, поставленная цель достигнута.
р
Сопоставительный анализ предлагаемого технического решения с прототипом показывает, что предлагаемый способ отличается от известного действиями при построении АПВ, а именно тем, что вместо парциальных ВКФ принимаемого в точке приема сигнала с четырьмя гармоническими колебаниями двух частот  длительностью равной длительности принимаемого сигнала (пакета) Т, вычисляются модули парциальных ВКФ входного сигнала и опорных колебаний, что до сих пор нигде не применялось. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию "новизна".
Источники информации:
1. Патент RU: №2335781, опубл. 10.10.2008 г.
2. Патент RU: №2539968, опубл. 27.01.2015 г.
3. Кондратьев B.C. и др. Многопозиционные радиотехнические системы. / Под редакцией проф. В.В. Цветнова - М.: Радио и связь, 1986. - 264 с.
4. Громов В.А., Ворошилин Е.П., Миронов М.В. Оценка разности моментов прихода сигналов группировкой пространственно-разнесенных малых космических аппаратов. - Томск.: ТУСУР. // Доклады ТУСУРа, №2 (22), часть 2, декабрь 2010. С. 7-13.
5. Вознюк В.В, Зайцев С.А., Толстоухов Д.А., Булаев О.А., Гусаков Н.В. Определение времени задержки приема сигнала пространственно-разнесенными сверхмалыми космическими аппаратами. // Изв. Вузов. Приборостроение. 2008. Т. 51, №3. С. 13-17.
6. Радзиевский В.Г., Сирота А.А. Теоретические основы радиоэлектронной разведки. 2-е изд., испр. и доп. - М.: Радиотехника, 2004. - 432 с.
7. Файт А.В. Определение местоположения источника шумоподобного сигнала с использованием корреляционной функции. // Материалы конференции "Научно-технические проблемы в промышленности". - СПб.: НИИ "Вектор", 2012, 29 - 31 мая. С. 21-22.
8. Патент RU: №2623094, опубл. 22.06.2017 г.
9. Ипатов В.П. и др. Поиск, обнаружение и измерение параметров сигналов в радионавигационных системах. Под редакцией Ю.М. Казаринова. - М.: Сов радио, 1975. - 296 с.
10. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989. - 540 с.
11. Григорьев В.А. Сигналы зарубежных систем электросвязи. - СПб.: ВАС, 2007, 2007. - 368 с.