Анализ эффективности использования шумоподобных сигналов в канале связи системы поиска и спасения

2007

НА УЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА сер. Радиофизика и радиотехника

№ 117

УДК621.396.98

АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ШУМОПОДОБНЫХ СИГНАЛОВ В КАНАЛЕ СВЯЗИ СИСТЕМЫ ПОИСКА И СПАСЕНИЯ

Э.В. БАРАНОВ

Статья представлена доктором технических наук, профессором Рубцовым В.Д.

В настоящей работе методами математического моделирования оценивается эффективность использования шумоподобных сигналов в канале связи системы поиска и спасения.

В настоящее время для обнаружения объектов, терпящих бедствие, используется международная спутниковая система поиска и спасения КОСПАС-САРСАТ. Схема функционирования системы представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема функционирования системы поиска и спасения КОСПАС-САРСАТ

Система предусматривает радиоконтроль за сигналами аварийных радиобуев на частотах 406,0-406,1 МГц и 121,5 МГц. При этом их местоположение определяется с точностью 2-3 км. Сейчас во всем мире используется приблизительно 660 000 радиобуев, работающих на частоте 121,5 МГц, и 285 000 радиобуев, работающих на частотах 406,0-406,1 МГц.

Наземные станции приема и обработки информации (СПОИ) принимают сигналы со спутников, находящихся в зоне их видимости, обрабатывают и передают их соответствующему координационному центру системы (КЦС). Космический сегмент системы включает в себя, как минимум, четыре спутника, расположенных на круговых орбитах. При этом с них постоянно обозревается участок поверхности Земли диаметром порядка 5000 км. Также используются геостационарные искусственные спутники Земли (ГеоИСЗ) для ретрансляции сигналов, передаваемых радиобуями. Использование ГеоИСЗ позволяет значительно ускорить доставку информации о бедствии поисково-спасательным службам.

В системе КОСПАС-САРСАТ местоположение аварийных радиобуев рассчитывается с использованием доплеровского метода определения координат. Этот метод в условиях местности со сложным рельефом не позволяет получить достоверные результаты из-за многолучевого распространения сигнала [1]. Некоторые модели радиомаяков оснащаются приемниками глобальной спутниковой навигационной системы GPS, позволяющими передавать в координационный центр поиска и спасения информацию о координатах бедствия. Но в условиях многолучевости и затенения рабочего созвездия спутников вероятность получения СПОИ сообщения о бедствии снижается [2].

Для определения местоположения радиомаяков, работающих на частоте 121,5 МГц, используется пеленгационный способ. Но этот метод имеет ряд недостатков, главный из которых - необходимость нахождения спасательного средства в зоне радиовидимости источника аварийного сигнала, что не всегда возможно при неточном знании координат места бедствия или при сложном рельефе местности.

Для решения задач поиска и спасения, быстрой и эффективной координации действий поисково-спасательных сил необходим двусторонний обмен информацией между ними и потерпевшими бедствие с целью уменьшения времени обнаружения потерпевших и сокращения длительности самих спасательных операций.

Данный канал связи должен обеспечивать при небольшой мощности передатчика дальность более 100 км. При этом необходимо обеспечение помехозащищенности, а с учетом возросшей террористической опасности - скрытности. Этим требованиям удовлетворяет система связи, использующая шумоподобные сигналы (ШПС), которые обеспечивают также кодовую адресацию большого числа абонентов и устранение влияния многолучевости.

Рассмотрим математическую модель ШПС канала и определим вероятность приема ошибочных битов при работе канала связи на больших расстояниях (более 100 км). Модель канала передачи была реализована в программном комплексе MATLAB 7 (рис. 2).

42Px(t)cosw0t

л/ 2 Px(t) g (t )cos w0t

несущая волна

r

A42Px

коррелятор

g

Рис.2. Схема канала связи с шумоподобным сигналом

Полагая, что используется двоичная фазовая манипуляция [3], сигнал можно записать в виде:

5Ц) = л/2? соз

где Р - мощность несущей; вх - изменение фазы информационного сигнала.

После модуляции псевдослучайной последовательностью (ПСП) выражение для сигнала имеет вид:

s

где qg - фаза сигнала ПСП.

В силу того, что используется бинарная фазовая манипуляция с изменением фазы на п радиан согласно передаваемой информации и сигнала ПСП, формула (2) может быть записана в виде:

s

где x(t) - информационный сигнал; g(t) - сигнал ПСП.

При отсутствии шумов и интерференции сигнал на выходе коррелятора будет иметь вид:

r

где A - коэффициент усиления приемного тракта системы; T - задержка распространения радиосигнала; T - оценка приемником задержки распространения, ф - случайное значение фазы сигнала.

На выходе демодулятора информационный сигнал будет иметь вид:

r

Моделирование производилось при различных скоростях передачи данных (1000 бит/с, 100 бит/с, 50 бит/с). Зависимость вероятности приема ошибочных бит от отношения сигнал/шум показана на рис. 3.

Вероятность битовой ошибки, Рв

соотношение сигнал/шум, Р/М

Рис. 3. Вероятность битовой ошибки в зависимости от соотношения сигнал/шум

Результаты моделирования показывают, что при соотношении сигнал/шум по мощности 0.02 и скорости передачи данных 50 бит/с на расстоянии 100 км возможен прием сигнала с вероятностью битовой ошибки равной 10-4. При других скоростях передачи вероятности битовой ошибки больше (рис. 3). Для того чтобы оценить качество такого канала связи, необходимо вести речь о вероятности получения информационного сообщения. Для передачи сообщения, содержащего необходимую информацию о бедствии, в системе поиска и спасения достаточно передавать информацию объемом 200 бит [4].

Моделирование и расчеты с использованием методов помехоустойчивого кодирования, в частности БЧХ, которые позволяют обнаруживать и исправлять ошибочно принятые биты в сообщении, показывают, что 98 сообщений из 100 объемом 200 бит окажутся принятыми правильно.

Произведем расчет такого канала связи. Формула связи отношений энергии бита к спектральной мощности шума и мощности сигнала к мощности шума:

ЕвМ =

О = W/R,

где О - коэффициент расширения спектра сигнала; W - полоса занимаемая сигналом; Я - скорость передачи данных.

Для заданной вероятности появления ошибочного бита по результатам математического моделирования мы определили, каким должно быть соотношение сигнал/шум на входе

Е

приемника. Зная коэффициент расширения спектра О сигнала, определяем соотношение —— по

N0

формуле (6). Мощность шума для заданной полосы частот [3]:

N =

где W - полоса частот {Гц}, в которой определяется мощность шума источника; д - шум-

фактор, типовое значение для приемника равно 2 (3 дБ); Тш - температура шумов приемника в

градусах Кельвина (300 К); к - постоянная Больцмана (1,23 • 10-23).

По формуле связи мощностей приемной и передающей антенн в зависимости от расстояния определяем мощность передатчика:

16^2г2 РПРМ

РП

ПРД

Г Г 11

К'7ПРД^ГПРМЛ

Таким образом, для работы канала связи на расстояние 100 км необходимо обеспечить мощность передатчика 50 мВт (рис. 4) на частоте сигнала { = 243 МГц. По сравнению с традиционными системами связи поиска и спасения, работающими на частоте 121,5 МГц в режиме тоновой модуляции, данный передатчик обеспечивает большую дальность связи и рассчитан на меньшую мощность, что позволит, в свою очередь, увеличить время автономной работы радиомаяка.

МОЩНОСТЬ

передатчика

Рпрд, Вт

Рис. 4. Зависимость мощности передатчика ТТТПС сигнала от расстояния

ЛИТЕРАТУРА

1.Коверзнев Е.А., Сурков Д.М. Анализ надежности связи в системе КОСПАС-САРСАТ. // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов, №99, 2006.

2.Коверзнев Е.А., Сурков Д.М. Анализ алгоритмов навигационных определений местоположения терпящего бедствие в системе КОСПАС-САРСАТ // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов, №99(3), 2006.

3.Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. 2-е издание. М.: Вильямс, 2003.

4.Сайт Международной организации поиска и спасения КОСПАС-САРСАТ : www.cospas-sarsat.org

ANALYSIS OF THE EFFICIENCY OF USING COMMUNICATION CHANNEL WITH PRN SIGNAL

IN THE SYSTEM OF SEARCH AND RESCUE

Baranov E.V.

In given article the efficiency of the PRN communication channel in the search and rescue system with the help of mathematical methods is exploring.

Сведения об авторе

Баранов Эдуард Витальевич, 1983 г.р., окончил МГУ им. Огарева (2005), инженер-конструктор ОАО МКБ ’’Компас”, автор 2 научных работ, аспирант МГТУ ГА, область научных интересов -спутниковая навигация.