WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

S( f ) A 1 ( f fD )2 для f fD, fD, где A( f,h,h ) 69.55 26.16 lg( f f ) 13.82lg h h a(h h ), (1) 0 b ms 0 b 0 ms - потери из формулы Окамуры, fD vf0 c - доплеровский сдвиг частоты, f0 - несущая частота высокочастотного сигнала, f - текущая частота, hb и hms - высоты подъема антенн базовой и мобильной станции соответственно, a(hms h0 ) - параметр, h0 - 1 м, f - МГц.

Доплеровский спектр GAUS1 представляет собой сумму двух функций, используется для значений дополнительной задержки, лежащих в диапазоне от 500 нс до 2 мкс и имеет вид:

где - гауссовская функция, вычисляется по (1), - на 10 дБ меньше.

В рамках моделирования, согласно рис.1, было сформировано два канала белого гауссовского шума. Спектральное преобразование вида и fd2 f фильтр нижних частот при моделировании были заменены последовательным соединением трехзвенного рекурсивного фильтра нижних частот второго порядка и дифференциатора первого порядка. Далее сигналы обоих каналов были умножены на (1). Оценка результатов проводилась с помощью спектрального анализа. Последовательность компьютерного моделирования и графические результаты подробно описаны в [8].

ФНЧ АБГШ f d РЧ или ПЧ передатчик 2 f f ФНЧ d 90° АБГШ fd Рисунок 1- Структурная схема одного отвода имитатора релеевских замираний По результатам компьютерного эксперимента можно сделать вывод:

«качество» принимаемого сигнала с подъемом приемной антенны на высоту до 300 м увеличивается на 54% (уменьшаются паразитные составляющие спектра, вызванные многолучевым распространением). Однако с подъемом антенны БС свыше 300 м «качество» сигнала ухудшается. Это вызвано ограничениями, связанными с применением эмпирической формулы (1).

Для систем позиционирования, основанных на угломерном методе определения координат, первичным определяемым параметром является угол прихода сигнала, дальномерном – скорость распространения сигнала. Точность данных методов существенно зависит от картины многолучевого распространения сигнала. Соответственно, при уменьшении эффекта многолучевости уменьшается погрешность МО указанными методами.

Для задачи моделирования и получения соотношений между точностью и высотой системы с ВПА можно применить положения из теории аналитической геометрии. Представим здания, которыми застроен городской район пересечением перпендикулярных друг другу плоскостей. Прямая пересечения этих плоскостей будет представлять собой крышу здания. Применительно для систем МО с ВПА требуется определить высоту ВПА, при которой между БС и МС имеется прямая видимость. Прямой радиолуч от МС можно представить прямой, соединяющей две точки МС и БС. Задача сводится к следующему: требуется составить уравнения двух прямых – прямой, имитирующей прямой радиолуч и прямой пересечения плоскостей зданий и определить совместное решений уравнений этих прямых. Изменяя высоту ВПА (изменяя положение первой прямой) и решая систему уравнений прямых можно определить высоту ВПА, при которой между БС и МС имеется прямая видимость. При этом прямая видимость будет иметь место, если эти прямые пересекаются.

Для адекватности модели необходимо также рассмотреть явление дифракции, возникающее в условиях плотной городской застройки. Препятствия, встречающиеся на пути распространения радиосигнала, представляются в виде непрозрачных клиновидных экранов, что позволяет для нахождения поля в точке приема применять методы расчета дифракционного поля физической оптики [Л5].

Согласно теории оптической дифракции, множитель ослабления по отношению к свободному пространству вычисляется по формуле (2) где - интегралы Френеля. Параметр имеет значение, где - высота экранирующего препятствия, - радиус первой зоны Френеля в месте расположения препятствия:

, и - расстояния от МС до экранирующего препятствия и от БС до экранирующего препятствия соответственно. Местоположение первой зоны Френеля (точнее, половины первой зоны) указывает на область поверхности земли, в которой главным образом формируется отраженный луч.

В п. 2.5 рассмотрена «четырехлучевая» теория дифракции у клиновидного препятствия. В этом случае дифракционный множитель имеет вид:

(3) где – значения дифракционных множителей определяемых по (2) для каждого из четырех интерферирующих лучей, – комплексные коэффициенты отражения на участках передающая антенна – экран и экран - приемная антенна соответственно, и - фазовые сдвиги между отраженным и прямым лучами, вызванные разностью хода лучей.

На рисунке 2 представлена рассчитанная по (3) зависимость функции ослабления от высоты антенны БС для одного из положений МС в городской районе, приведенном на рисунке 3.

9. 1. 20log F11 h2 12. 23. 34. 50 56 62 68 74 80 86 92 98 104 hРисунок 2 - Зависимость дифракционного множителя от высоты антенны БС Для имитации работы системы МО с ВПА была разработана программа в среде Visual Basic. Программа реализует часть функций системы МО: определяет координаты МС или ИРИ угломерным методом, определяет наименьшую высоту, при которой между приемным и передающим пунктом обеспечивается прямая видимость, позволяет изменять положение БС для определения оптимального их расположения. На начальном этапе был смоделирован городской район, плотно застроенный разноэтажными зданиями, имитирующий оцифрованную карту реальной местности. На карте выбрано месторасположение БС, а по улицам движется точка, имитирующая движение МС. На рисунке 6 представлено главное окно программы. Графики, расположенные в главном окне, отражают в реальном масштабе времени расстояние от подвижной МС до БС (по оси абсцисс отложено расстояние в относительных единицах, а по оси ординат – высота подъема антенн БС). В виде вертикальных отрезков на этом графике представлены здания, встречающиеся на пути распространения радиолуча. Одновременно программой вычисляется величина дифракционного множителя при дифракции радиосигнала на кромке металлической крыши (3), определяется высота подъема антенны БС, при которой значение дифракционного множителя не меньше его значения в свободном пространстве.

Программа позволяет определить оптимальную высоту неподвижной антенной системы, системы пеленга с ВПА, определить оптимальное местоположение БС для данного городского района, а также получить и обработать статистические данные этих величин.

Для городского района, представленного на рисунке 3, средняя плотность -застройки, среднее значение длины зданий. По результатам имитационного моделирования необходимая высота подъема ВПА получилась равной 500 метрам, т.е. при такой высоте подъема ВПА во всех точках местонахождения МС всегда существует прямая видимость. При этом вероятность прямой видимости, рассчитанная на основе статистических моделей для данной высоты приближенно равна 0.75.

Поскольку при моделировании не учитывалось прохождение части энергии через здания, дифракционные эффекты высших порядков и т.д., найденные значения высот следует характеризовать как приближенные (расчет на этапе проектирования системы, определение ее оптимального местоположения, расчет выигрыша по точности разрабатываемой системы и т.д.), хотя учет всех этих эффектов в принципе может быть осуществлен ценой соответствующего усложнения аппарата.

Данная программа зарегистрирована в отраслевом фонде алгоритмов и программ [13] и легла в основу лабораторной работы по курсу «Системы позиционирования радиосредств».

В п.2.7 рассчитаны основные технические характеристики системы с ВПА на основе аэростатной технологии: массогабаритные характеристики, зона статического равновесия и время, требуемое для подъема системы на эту высоту; рассматривается влияние ветровых нагрузок на систему и разрабатывается алгоритм корректировки пеленга из-за смещения координат аэростата.

Из результатов вычислений следует, что аэростатная система МО может быть как статической (постоянно находиться на высоте), так и динамической (опускаться на причальную площадку), в случае необходимости на ее подъем не требуется большое количество времени и система будет достаточно оперативной.

Рисунок 3 – Главное окно программы работы системы МО с ВПА Под влиянием ветра изменяются координаты аэростата, что может явиться причиной больших погрешностей пеленга при использовании систем позиционирования с ВПА. Если не учитывать смещение аэростата под влиянием ветровых нагрузок, то в ряде случаев применение аэростата может быть вообще нецелесообразным. Определить собственные пространственные координаты аэростата можно путем оснащения системы с ВПА приемником GPS.

В главе 3 «Исследование вопросов повышения точности угломерного и дальномерного методов позиционирования» исследуются вопросы уменьшения погрешностей пеленга за счет конструктивных ошибок применяемых методов.

Погрешность определения азимута направления прихода сигнала, а, следовательно, и определения местоположения МС угломерной системой МО с ВПА, зависит от вида применяемой антенной системы. Перечислим основные требования, должна обладать приемная антенная система для системы МО с ВПА:

- возможность широкоугольного (до 360°) сканирования лучом неизменных ширины и формы в азимутальной плосp кости;

- слабая по сравнению с плоскими и линейными антенными решетками взаимная связь излучателей из-за пространственного разворота их осей;

- возможность формирования узкой диаграммы направленности.

Такими качествами обладает сферичеРисунок 4 – Сферическая АР ская антенная решетка (САР). Построение САР позволяет использовать поверхность аэростата для уменьшения массогабаритных характеристик последнего (новые разработки в сфере нанотехнологий позволяют использовать технологию напыления (металлизации) элементов АР на оболочку аэростата). Кроме того, геометрическая форма АР в виде сферы позволяет осуществлять сканирование в любом направлении, а цифровая обработка сигнала в АР позволяет осуществлять формирование нескольких независимых лучей диаграмм направленности в различных плоскостях.

На рис. 4 схематично представлена сферическая антенная решетка с эквидистантным размещением элементов по параллелям.

Диаграмму направленности САР можно записать в виде:

, (4) где – фазовый сдвиг из-за разности хода лучей, - фаза возбуждения излучателей, обеспечивающая сложение полей, – амплитуда возбуждения излучателей -го кольца, (5) – число колец на сфере, (6) - число излучателей на -м кольце.

Фазовый сдвиг из-за разности хода лучей определяется по формуле:

, где.

Фаза возбуждения -го излучателя -го кольца:

.

На рисунке 5 приведена диаграмма направленности, рассчитанная для сферической решетки с числом элементов равным 263 (данное количество элементов было выбрано согласно расчетам по (5), (6)). Излучатели располагались на поверхности сферы в вершинах почт одинаковых треугольников.

Симметрия структуры боковых лепестков определяется симметрией расположения излучателей решетки относительно оси диаграммы.

g(f) 20log g(0) 2 0 f Рисунок 5 - Диаграмма направленности сферической решетки В п. 3.2. рассмотрено многоканальное адаптивное устройство формирования диаграммы направленности и выполнено его компьютерное моделирование. Данное устройство основано на алгоритме максимального правдоподобия[Л6] и позволяет получить более узкий луч диаграммы направленности в направлении источника радиоизлучений.

На рисунке 6 приведена диаграмма направленности сферической антенной решетки, полученной с применением адаптивного устройства формирования лучей.

g(f) 20log g(0) 2 0 f Рисунок 6 –Диаграмма направленности сферической антенной решетки с адаптивным формированием лучей Согласно полученным расчетам, ширина главного лепестка диаграммы направленности сферической антенной решетки при применении адаптивного устройства формирования лучей уменьшается в 6 раз.

Только наличие жесткой синхронизации БС делает целесообразным применение для МО дальномерного метода определения координат. Наиболее точно временную синхронизацию можно обеспечить с помощью спутниковых навигационных систем GPS или ГЛОНАСС. Однако в спутниковых системах также возможно возникновение ошибок (хоть и не значительных) в ходе атомных часов и орбитах спутников, представляющих собой некоррелированный во времени стохастический процесс. Оценка и минимизация ошибок данного типа относится к задаче стохастической фильтрации, которая может быть решена с использованием фильтра Калмана [Л7]. На рис. 7 представлены результаты моделирования фильтра Калмана в среде Mathcad. Ошибка синхронизации при моделировании представлена белым гауссовским шумом.

Результаты моделирования показывают, что фильтр Калмана уменьшает ошибку синхронизации в 4.47 раза.

Рисунок 7 – Моделирование процесса фильтрации ошибки временной синхронизации фильтром Калмана В главе 4 «Построение системы МО с ВПА» рассматривается структурная схема и алгоритм работы системы МО с ВПА при использовании угломерного метода определения координат.

Система МО с ВПА состоит из аэростатного комплекса и диспетчерского пункта. Обмен и передача данных между составными частями системы обеспечивается службами сети GSM.

Аэростатный комплекс состоит из антенной системы для определения первичных параметров сигнала позиционирования, двух сканирующих приемников для приема и обработки сигналов с антенной системы, терминального модуля, осуществляющего взаимодействие всех элементов аэростатного комплекса и содержащего приемник GPS для определения собственных координат и комплекта источников питания: действующих и резервных.

Обобщенная функциональная схема терминального модуля представлена на рисунке 8.

Под воздействием ветра и других метеорологических явлений система позиционирования ИРИ с ВПА, закрепленная на одном тросе будет хаотично поворачиваться вокруг своей оси. Это явление затрудняет, а порой делает невозможным, определение места Антенная система положения ИРИ угломерным тодом. Данную проблему можно Микро Приемопере- GPS/ГЛОНАСС Приемник Приемник контроллер решить, используя современные датчик GSM контроллер вспомогатель- сигналов от ного сигнала МС разработки с области беспроводных высокоскоростных сетей.

Двунаправленная шина данных БС, оснащенную системой с ВПА назовем ведущей, все остальные БС – вспомогательными.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»