Литература / Гришин Ю.П., Ипатов В.П., Казаринов Ю.М. Радиотехнические системы (1990)

После устранения многозначности по сигналам веду­ щей и ведомых станций вырабатывается команда на разрешение снятия отсчетов РНП, считываемых в виде разностей временных положений селекторных импульсов следящих измерителей. Достоверность отсчетов РНП кон­ тролируется при повторении процедуры накопления выбо­ рочных значений. Для этого накопленные суммы сбрасыва­ ются и операция накопления возобновляется. Если повтор­ ное накопление не подтверждает правильности устранения многозначности, вырабатывается команда на запрет снятия отсчетов и процедура устранения многозначности возо­ бновляется.

§ 13.7. ПОСТРОЕНИЕ ЦИФРОВЫХ ПРИЕМОИНДИКАТОРОВ ИМПУЛЬСНО-ФАЗОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Приемоиндикаторы ИФРНС производят прием и усиление сигналов, грубый поиск и распознавание сигналов ведущей и ведомых станций, точный поиск (допоиск), слежение за фазой сигналов, устранение многозначности фазовых изме­ рений, измерение РНП и определение координат потре­ бителя.

В настоящее время основные принципы построения бортовых ПИ ИФРНС достаточно хорошо разработаны. Их структура и состав в значительной мере зависят от требований потребителей. В одних случаях функциональные возможности ПИ ограничиваются определением РНП, в других ПИ решает навигационную задачу в целом.

При этом основная тенденция совершенствования бор­ товых ПИ заключается в использовании последних дости­ жений микроэлектроники для реализации цифровых алго­ ритмов по возможности на всех этапах обработки сигналов.

Если не останавливаться на ранних стадиях развития бортовых ПИ, когда они выполнялись в виде аналоговых приемных устройств, сопряженных с электромеханическими следящими измерителями или с их цифровыми аналогами,

этих схемах представлены лишь те узлы, которые необхо­ димы для обработки входного сигнала до операции преобразования аналоговой величины в цифровой код. После АЦП обработка производится в бортовой ЭВМ по программам, соответствующим алгоритмам грубого

292

импульс импульс

б)

Рис. 13.6

и точного поисков, слежения, устранения многозначности, преобразования РНП в географические координаты, опреде­ ления параметров движения потребителя и т. п.

В простейших ПИ (рис. 13.6, а) сигнал после прохождения через линейный частотно-избирательный тракт приемника, который состоит из блока согласования с антенной БСА

иполосового усилителя ПУ, поступает на усилительограничитель УО. Амплитудная характеристика УО имеет вид

и+«о> »вх(')>°;

"ыЛ) { -ho,Mbx(z)<0,

где к0—уровень ограничения (квантования).

С выхода УО бинарно-квантованное напряжение посту­ пает на временной селектор ВС устройства поиска и времен­ ной дискриминатор ВД следящего измерителя. Функции устройства поиска и следящего измерителя возлагаются на бортовую ЭВМ, т. е. реализуются в виде соответствующих программ. Выбор числа параллельных квадратурных каналов при поиске зависит от вычислительных возможностей ЭВМ. Применение современных микропроцессорных комплектов позволяет реализовать параллельный поиск в бортовых ПИ.

Временной селектор устройства поиска вырабатывает кратковременные нормированные по амплитуде импульсы, полярность которых определяется знаком ивж(<) в моменты селектирования. Согласно алгоритму поиска, в, ЭВМ производятся декодирование фазо.манипулированных пачек сигнальных импульсов, накопление, сопоставление с порогом

ивыработка грубой оценки временного положения сигнала. Поиск производится поочередно для сигналов ведущей

иведомых станций либо одновременно в зависимости от вычислительных возможностей бортовой ЭВМ. Последу­

ющие операции слежения и устранения многозначности осуществляются одновременно для сигналов ведущей и ве­

Получение сигнала ошибки в схеме временного дискри­ минатора осуществляется в результате сопоставления фазы ограниченного по амплитуде сигнала с временным положе­ нием селекторного импульса следящей системы. Поэтому вырабатываемый сигнал ошибки оказывается проквантованным на два уровня (м0, — м0). Программно реализуемый в ЭВМ алгоритм обработки сигнала ошибки соответствует следящему измерителю второго порядка астатизма. Выра­ батываемое в ЭВМ числовое значение управляющего

294

воздействия преобразуется во временное положение селек­ торного импульса следящего измерителя. Ввод следящего измерителя в режим сопровождения производится путем принудительной установки селекторного импульса в поло­ жение, соответствующее оценке запаздывания, вырабаты­ ваемой в результате грубого поиска. После завершения режима ввода селекторный импульс следящего измерителя может оказаться в зоне действия пространственного сигнала, поэтому осуществляют точный поиск (допоиск) начального участка фронта поверхностного сигнала. Процедура допоиска завершается установкой селекторного импульса следяще­ го измерителя на начальный участок фронта сигнала.

После завершения допоиска и повторного введения

всинхронизм следящего измерителя вырабатывается ко­ манда на устранение многозначности. Напряжение с выхода ПУ поступает на каналы формирования характерной точки (ФХТ) огибающей. После УО производится выделение бинарно-квантованных значений напряжения, отселектированных ранним и поздним стробами устройства устранения многозначности. В ЭВМ производится накопление бинар­ но-квантованных выборочных значений и сравнение с по­ рогами согласно алгоритму устранения многозначности.

Ширина полосы пропускания Af ПУ в режиме поиска выбирается из условия получения наибольшего отношения сигнала/шум, а в режиме слежения и устранения много­ значности— из условия достижения наименьшей погреш­ ности измерения временного положения характерной точки огибающей. Обычно в режиме поиска А/я 5 кГц, в режиме слежения и устранения многозначности А/«20 -? 30 кГц.

Для обеспечения линейности частотно-избирательного тракта во всем диапазоне рабочих напряжений в ПУ производится автоматическая регулировка усиления (АРУ). В режиме поиска коэффициент усиления ПУ максимален,

востальных режимах автоматически поддерживается на уровне, обеспечивающем линейное прохождение через тракт ПУ всех используемых для измерения РНП сигналов.

Применение жесткого ограничения после ПУ и ФХТ приводит к энергетическим потерям, выражающимся в уве­

личении порогового отношения сигнал/шум в ^/л/2 раз. Однако при этом существенно упрощается обработка сигналов и, в частности, минимизируются вычислительные затраты в бортовой ЭВМ.

Развитие цифровой элементной базы (появление широ­ кой номенклатуры микропроцессорных комплектов, много­ разрядных АЦП и других БИС) позволило приблизить

295

качественные показатели бортовых ПИ к предельно дости­ жимым. Этот этап развития характеризуется переходом от бинарного к многоуровневому квантованию сигналов. Однако в структуре ПИ (рис. 13.6,6) ВД и ФХТ остаются по-прежнему аналоговыми.

Следующий этап в совершенствовании бортовых ПИ связан с применением единого АЦП и введением програм­ мируемой процедуры формирования характерной точки огибающей (рис. 13.6, в).

Логическим продолжением внедрения цифровых мето­ дов обработки сигналов в ПИ ИФРНС является замена аналогового ПУ, формирующего частотную характеристику приемника, цифровым фильтром. Цифровая фильтрация реализуется программно над кодами чисел, поступающих с АЦП. Таким образом, структура цифрового ПИ ИФРНС, построенного на базе бортовой ЭВМ, имеет такой же вид, как и ПИ ФРНС (см. рис. 13.2). Однотипность структур удобна при унификации парка бортовых ПИ ФРНС и ИФРНС, обеспечивает их взаимозаменяемость, техноло­ гичность серийного производства и экономически выгодна.

Программная реализация алгоритмов обработки сигна­ лов в тракте ПИ открывает большие возможности для применения адаптивных методов радиоприема, требующих трансформации формы частотной характеристики в усло­ виях изменяющейся помеховой обстановки. Она обеспе­ чивает высокую стабильность всех параметров приемного тракта в широком диапазоне изменения внешних факторов.

В чем различие фазового и импульсно-фазового методов

•измерения РНП?

Поясните зависимость погрешности измерения дальности

(разности дальностей) в ФРНС от номинала несущей

лишь начальный участок фронта сигнального импульса? Как это влияет на погрешность измерения, обусловленную действием шума?

С помощью рис. 13.4 и 13.5 поясните процедуру устранения многозначности измерений по начальному участку фронта сигнала.

Погрешность измерений РНП в ИФРНС зависит от номи­ нала несущей частоты /0 сигнала. К каким последствиям приводит увеличение /0?

По упрощенным структурным схемам рис. 13.6 поясните эволюцию развития ПИ ИФРНС.

296

ГЛАВА 14

СПУТНИКОВЫЕ РАДИОНАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

§ 14.1. СПУТНИКОВЫЕ РАДИОНАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРВОГО ПОКОЛЕНИЯ

подтвердила возможность определения параметров дви­ жения искусственных спутников Земли (ИСЗ) по резуль­ татам измерений доплеровского сдвига частоты сигна­ ла, излучаемого с ИСЗ, в точке приема с известными координатами. Была установлена также возможность ре­ шения и обратной задачи нахождения координат точки приема по измеренному доплеровскому сдвигу частоты сигнала, излучаемого с ИСЗ, параметры движения которого известны.

Использование ИСЗ в качестве радионавигационной опорной станции, координаты которой хотя и изменяются, но заранее известны для любого момента времени, позво­ лило создать ряд проектов спутниковых радионавигацион­ ных систем (СРНС) первого поколения. Характерной чертой первого поколения СРНС является применение низковысотпых (низкоорбитных) ИСЗ и использование для навигационных определений сигнала одного, оказывающе­ гося в зоне радиовидимости наблюдателя ИСЗ.

Рассмотрим следующую упрощенную модель (рис. 14.1). Пусть ИСЗ вращается с известной постоянной скоростью Инсз по окружности радиусом Ансз в плоскости, проходящей через центр сферы (Земли). Положение ИСЗ в каждый момент времени известно, наблюдатель (потре­ битель) неподвижен и находится на поверхности Земли в некоторой точке 77. ИСЗ излучает гармонические колеба­ ния частотой /0. Наблюдатель имеет возможность срав­

ту же частоту колебаний, что и излучаемый ИСЗ сигнал. Измерив разность частот /пр(0~/о = Лц(О> можно постро­ ить зависимость доплеровского сдвига частоты Ед(1) от времени t (рис. 14.2). В момент 10 доплеровский сдвиг Fa(t) — 0, что соответствует наикратчайшему расстоянию между ИСЗ и потребителем. Наблюдатель, зафиксировав-

297

Рис. 14.2

ший момент изменения знака доплеровской частоты, может утверждать, что находится в плоскости, нормальной к вектору скорости. ИСЗ. Зная координаты ИСЗ в момент времени t0 и направление его движения, можно построить поверхность положения в виде плоскости, а также линию положения на поверхности Земли (линия СП на рис. 14.1). Для определения на этой линии точки, соответствующей местонахождению наблюдателя, можно использовать за­ висимость крутизны кривой Fa(t) в момент t0 (кривые I—3 на рис. 14.2) от расстояния между ИСЗ и точкой приема П. Действительно, для заданных Иисз /0 и Лс крутизна изменения FR(t] в окрестности точки /0 од­ нозначно связана с наклонной дальностью D(/o), т. е. расстоянием между ИСЗ и потребителем в момент времени t0. Определив D(t0), строят поверхность положения

доплеровской частоты от времени F'(/)|,=,o, находят коор­ динаты потребителя на поверхности Земли.

Рассмотренный метод определения координат назы­ вают дифференциальным доплеровским (траверзным).

В космических РНС особое внимание уделяется зависи­ мости качества радионавигационных измерений от мощ­ ности излучаемого ИСЗ сигнала. Помехоустойчивость радионавигационного канала тем выше, чем большая часть энергии принятого сигнала используется для измерения

298

РНП. В связи с этим по­ лучил распространение ме­ тод радионавигационных из­ мерений, основанный на ин­

где t2 — t, = &t—фиксированный интервал времени; Ир(/)— радиальная скорость ИСЗ относительно потребителя.

Как следует из (14.1),

‘1

Таким образом, вычисление интеграла от доплеровской частоты в пределах t,—t2 фиксирует разность дальностей ADj до ИСЗ в последовательные моменты времени t, и t2, т. е. дает значение навигационного параметра в раз­ ностно-дальномерной РНС с опорными станциями, коор­ динаты которых определяются положением ИСЗ в эти моменты времени. Фиксированное значение ADj соответ­ ствует поверхности положения в виде гиперболоида. Произ­

Jo J

*2

получим вторую поверхность положения. Положение наб­ людателя характеризуется точкой пересечения этих гипербо­ лоидов с земной поверхностью. Возникающая при этом неоднозначность решения навигационной задачи (точка пересечения поверхностей положения не является единствен­ ной) устраняется, как и в наземных РНС, с помощью априорных данных о координатах потребителя.

Рассмотренный метод нахождения координат называют

интегральным доплеровским.

299

Искомые координаты рассчитывают с помощью борто­ вого вычислителя. Как и в наземных беззапросных РНС, в спутниковых РНС основным условием является точная привязка результатов измерения РНП к единой шкале времени. Для этого в аппаратуру потребителя вводят высокостабильный эталон частоты, обеспечивающий фор­ мирование бортовой шкалы времени. Коррекцию бортовой шкалы времени осуществляют с помощью специальных меток времени в принимаемом радиосигнале. Кроме того, для вычисления текущих пространственных координат ИСЗ на борту потребителя необходимо иметь эфемеридную

с борта ИСЗ с помощью модуляции (фазовой или частотной) непрерывной несущей, используемой для ин­ тегральных доплеровских измерений.

Приведенные соображения о возможности применения в СРНС интегрального доплеровского метода носят общий характер и не учитывают ряда важных факторов, влияющих на качественные показатели системы. Для того чтобы составить представление о влиянии этих факторов (интерва­ лов времени между навигационными сеансами, параметров движения потребителя и др.) на точность определения местоположения потребителя, рассмотрим низкоорбитную СРНС «Транзит» [7]. В состав этой СРНС входят пять или шесть ИСЗ, наземный комплекс контроля и парк бор­ товой аппаратуры потребителей. ИСЗ расположены на кру­ говых полярных орбитах высотой около 1100 км и имеют период обращения около 107 мин. При таких параметрах орбит каждый ИСЗ может находиться в зоне радиови­ димости потребителя, радиус которой достигает 2000 км, от 10 до 16 мин. Учитывая, что период передачи навигаци­ онной информации (эфемеридная информация, метки вре­ мени, служебная информация) равен 2 мин, а время нахождения ИСЗ в зоне радиовидимости 10—16 мин, за один пролет ИСЗ можно получить несколько поверхностей положения. Например, если Дг = г2 — П=2 мин, что соот­ ветствует расстоянию между положениями спутника в точ­ ках 1, 2, 3, ... около 960 км, то число поверхностей положе­ ния.будет 5—8, тогда как минимальное достаточное для местоопределения число 3. Избыточное число образован­ ных поверхностей положения может быть использовано для статистического сглаживания получаемых оценок ко­

300