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

Рис. 14.8

Аппаратура потребителей второго класса предназна­ чена для низкодинамичных объектов. Это дает возмож­ ность ограничиться последовательным слежением за не­ сущей частотой четырех ИСЗ при сохранении того же режима АПВ, как и в аппаратуре первого класса. Сокра­ щение числа систем АПЧ и ФАПЧ до одной заметно упрощает аппаратуру потребителей и снижает ее стоимость.

Аппаратура потребителей третьего класса представлена упрощенной структурной схемой рис. 14.8. Она удовлетво­ ряет требованию минимальной стоимости и рассчитана на прием лишь сигнала ПТ на частоте 1575,42 МГц, а также поочередное определение РНП по рабочим ИСЗ. Сигнал ПТ по сравнению с сигналом ВТ имеет в десять раз большую длительность элементарного символа кода, что сказывается на значении ошибки измерения квазидальности. Кроме того, отказ от использования сигнала частоты 1227,6 МГц не позволяет компенсировать ошибку, обусловленную изменчи­ востью условий распространения радиоволн. Все это существенно снижает точность навигационных измерений. Например, для неподвижного потребителя при отсутствии организованных помех среднеквадратическая погрешность измерения квазидальности составляет около 30 м, в то время как при тех же условиях аппаратура первого и второго класса позволяет получить погрешность не более 5 м.

Поиск сигнала. Исходными данными для установления общего числа М ячеек в зоне неопределенности на плоскости время— частота (см. §11.4) являются число элементарных символов N за период кода Гг, априорный интервал доплеровского сдвига частот ±ГД, ширина полосы захвата системы АПЧ А/. В рассматриваемой СРНС можно принять N— 1000, ±ГД = ±5 кГц, А/, = 500 Гц.

311

Отсюда число анализируемых ячеек M=NFRl^f3= 104. В про­ стейшем случае некогерентный обнаружитель анализирует ячейки зоны неопределенности методом последовательного перебора по частоте и времени. По результатам накопления смеси сигнала с шумом принимается решение о наличии или отсутствии сигнала в данной ячейке. При отрицательном решении осуществляется переход в очередную ячейку, при положительном замыкается цепь АПВ и АПЧ и контролиру­ ется наличие синхронизации в следящих системах. Отсутствие синхронизации свидетельствует о ложном срабатывании устройства поиска. В этом случае поиск возобновляется. При подтверждении наличия синхронизации поиск сигнала одного ИСЗ прекращается и устройство поиска переключается в ре­ жим поиска сигнала следующего ИСЗ. Поиск сигнала второго ИСЗ производится в существенно меньшей зоне неопределен­ ности, так как потребитель в результате дешифрации ин­ формационного сообщения Dc(t) первого ИСЗ располагает сведениями о координатах второго ИСЗ на данный момент времени. Общее время, затрачиваемое на поиск сигналов созвездия из четырех ИСЗ, составляет от единиц до десятков минут. После завершения поиска осуществляется слежение за сигналами ИСЗ. Темп выдачи измеряемых координат определяется классом потребителя. В аппаратуре первого класса выдача координат обеспечивается непрерывно в ре­ альном масштабе времени.

Упрощенная структурная схема устройства поиска представлена на рис. 14.9. На выходе генератора кода по

312

команде блока управления поиском устанавливается код искомого ИСЗ. На выходе синтезатора частот формируется колебание sin2л/} f. Таким образом, на выходе умножителя создается образец У(7,(Г )sin2jr/)r, который поступает на второй умножитель, где образуется его свертка с входным сигналом. Несущая частота образца У} изменяется скачком по команде блока управления сдвигом частоты. Для каждого значения /}• производится перебор всех N времен­ ных задержек кода XG(t). Такая программа обеспечивает последовательный перебор всех М анализируемых ячеек.

После усиления в усилителе промежуточной частоты (УПЧ), детектирования и последетекторной фильтрации (накопления) в фильтре нижних частот (ФНЧ) напряжение поступает на временной селектор, где образуются выбо­ рочные значения, соответствующие моменту появления последнего А'-го символа на периоде кода XG(t). В пороговом устройстве регистрируется результат сравне­ ния выборок с порогом. При превышении порога выра­

сигнала. Схемы слежения за фазой и временем запазды­ вания сигнала обеспечивают поддержание синхронизма между принимаемым сигналом и опорным образцом, форма которого является копией полезного сигнала. Синх­ ронизация по времени запаздывания производится с по­ мощью системы АПВ, а по фазе — системы ФАПЧ. Слежение осуществляется в условиях, когда несущая часто­ та в спектре сигнала отсутствует, так как код XG (t) имеет практически одинаковое число символов со знаками « + » и « —» на периоде 7}. Если синхронизация по фазе не может быть реализована (режим поиска, работа в усло­ виях сильных помех и др.), то применяют синхронизацию по частоте (АПЧ). В этом случае системы синхронизации по несущей и АПВ работают в некогерентном режиме, что приводит к увеличению ошибки слежения, но позволяет сохранить состояние захвата в цепи слежения за несущей. Система слежения за несущей и АПВ связаны, так как для работы системы АПВ используется оценка фазы (частоты), а для работы ФАПЧ (АПЧ)—оценка задержки огибающей (кода). Рассмотрим когерентную систему син­

хронизации. Структурная схема когерентной АПВ и ФАПЧ

представлена на рис. 14.10. С выхода УПЧ приемника сигнал AYz(/)Dc(r)sin2n/c/ поступает на фазовый дискрими­ натор, куда с другой стороны подается опорное напряжение

313

о

Рис. 14.10

A'G(z)cos(2n/c/—<р). Фаза несущей частоты элементарных радиоимпульсов опорного напряжения отличается от фазы импульсов сигнала на ф. Близость времен запаздывания сигнала и опорного напряжения поддерживается системой АПВ. Фазовый дискриминатор имеет два канала, отли­ чающиеся лишь тем, что их опорные напряжения сдвинуты по фазе на л/2, т. е. находятся в квадратуре. Каждый из каналов представляет собой умножитель сигнала на опорное напряже­ ние. Вырабатываемые ими напряжения фильтруются в ФНЧ,

врезультате чего образуются квадратурные составляющие (7

и2) сигнала рассогласования по фазе. В связи с тем что исходный дальномерный сигнал A'G(z)D<.(/)sin2n/c/ манипули­ рован по фазе сообщением 7>с(/), составляющие сигнала ошибки I и Q изменяют свой знак в такт с информационными символами сообщения Dc(t). Для устранения этого влияния используется операция умножения IQ, в результате чего сигнал ошибки освобождается от модуляции символами сообщения.

Проанализируем подробнее правило формирования сигнала ошибки. Не нарушая общности рассуждений, сиг­ нал и квадратурные опорные напряжения на входе умно­ жителей 1 и 2 схемы рис. 14.10 можно считать гармоничес­ кими: tZmcsin2n/cr, tZmOsin(2n/c/—ф), Ст0соз(2л/с/-ф). Тог­

да на выходах умножителей получим tZmcsin2n/cr С7яО8ш(2л/ег-ф) =

сигнал ошибки сохраняет

315

значение и знак, поэтому фазовая манипуляция сигнала символами сообщения Dc(t) не влияет на работу схемы ФАПЧ.

С выхода фазового дискриминатора сигнал ошибки поступает на петлевой фильтр, содержащий одно или несколько интегрирующих звеньев и корректирующие цепи. Тип фильтра определяет порядок астатизма системы ФАПЧ. Имея в виду, что следующим звеном системы является генератор, управляемый напряжением (ГУН), который, в свою очередь, является интегрирующим звеном в системе ФАПЧ, число интеграторов в петлевом фильтре обычно не превышает двух. Наличие трех интеграторов

всистеме ФАПЧ обеспечивает нулевые динамические погрешности по положению, скорости и ускорению. В уста­ новившемся режиме синфазная составляющая (7) сигнала ошибки изменяет знак в такт с символами Dc(t). После устранения амплитудной модуляции в блоке sign/ она поступает на дешифратор сообщения, а также используется

всхеме АПВ для снятия модуляции сигнала ошибки Uam информационным сообщением.

Система АПВ, представленная на рис. 14.10, содержит временной дискриминатор (см. § 15.5), на который в качест­ ве селектирующих последовательностей подаются опорные напряжения, сдвинутые во времени копии кода Голда У(7(г-А/2) и XG(r + A/2). Сдвиг А влияет на форму дискриминационной характеристики и погрешность измере­

ния времени запаздывания (см. гл. 15). Обычно сдвиг

ДТо = 1 мкс.

Сигнал ошибки на выходе временного дискриминатора, а следовательно, и на выходе ФНЧ промодулирован знаковой функцией сообщения />с(г). Для снятия знаковой модуляции используется умножитель, на второй вход которого поступает оценка Z>c(r), снимаемая-с блока sign/. Сигнал ошибки Uom подается на петлевой фильтр, содержающий, как и в системе ФАПЧ, интегрирующие и корректирущие звенья. Порядок астатизма системы АПВ обычно ниже, чем системы ФАПЧ, поскольку здесь динамика может быть учтена пересчетом доплеровского сдвига частоты из системы ФАПЧ. Генератор кода XG(t) построен на двух регистрах сдвига с обратными связями.

Проанализированная система синхронизации представ­ ляет собой канал слежения за сигналом одного ИСЗ. Рабочее созвездие содержит несколько ИСЗ, поэтому для решения навигационной задачи необходимо иметь многока­ нальную аппаратуру слежения либо применять послсдова-

316

тельный режим работы, когда определение РНП произво­ дится поочередно по каждому ИСЗ рабочего созвездия.

Система автоматической подстройки частоты. Рассмот­ ренная ранее схема когерентного слежения за несущей и задержкой сигнала обеспечивает вхождение в синхронизм,

АД системы ФАПЧ. Обычно после режима поиска априорная неопределенность по несущей частоте составляет около +500 Гц, что превышает полосу захвата ФАПЧ

Упрощенная структурная схема системы АПЧ приве­ дена на рис. 14.12. Обведенные пунктирной линией блоки выполняют те же функции, что и одноименные блоки в схеме рис. 14.10. Квадратурные составляющие 1к и Qk образуются так же, как и в схеме рис. 14.10 (индекс к указывает на принадлежность 1к и Qk к интервалу времени с порядковым номером к). Отличие состоит лишь в том, что в установив­ шемся режиме в системе ФАПЧ сигнал и опорные образцы отличаются фазой несущих колебаний, в то время как в системе АПЧ — еще и по частоте (наличие доплеровского сдвига частоты Fa в квадратурных опорных колебаниях).

Сигнал ошибки в системе АПЧ образуется по правилу

Квадратурные составляющие 1к_к и Qk-k запаздывают относительно 1к и Qk на время Т. Не останавливаясь на вопросах технической реализации правила (14.11), рассмот­ рим его физический смысл. Прежде всего докажем, что сигнал ошибки (14.11) пропорционален сдвигу частот Fn. Не нарушая общности рассужений, сигнал и квадратурные опорные напряжения на входе умножителей 1 и 2 схемы

Полагая, что функции ФНЧ выполняют интеграторы с временем интегрирования Т»1//с и сбросом в момент

317

КИПП!

XG ( t ) от генератора кода

£

времени, соответствующим окончанию к-го интервала

Qk = 0.5 Umc Um0 Jsin (± 2 nFa z)d t=

О

(14.13 6)

Т±<^ЯГд

Qk-1=4 f sin(±2n£A/)d/=——— [с05(+4л£д)-

Т±^ЯГД

Сигнал ошибки в соответствии с (14.11), (14.13), (14.14)

/Л V

е°ш = ~^±2я£д) * ^C°S (± 2 71^д г) ~ ’ ] [sin (± 471^д г) ~

рис. 14.13. Апертура данного частотного дискриминатора равна 2п/Т. Увеличение апертуры возможно за счет уменьшения времени интегрирования в ФНЧ и соответству­ ющего снижения времени запаздывания Т между соседними выборками Ik (Qk) и чт0 связано с энергетичес­ кими потерями, т. е. увеличением флуктуационной состав­ ляющей в сигнале ошибки £ош.

319

^=4'(2kFa) i

1,0

Рис. 14.13

При T— Г, = NT0 = 1000 • 1 мкс= 10 3 с полная апертура

составляет 103 Гц, что определяет требования к точности начальной установки частоты ГУН +500 Гц. Начальная установка частоты ГУН производится в соответствии с решением, вырабатываемым устройством поиска. В при­ веденном примере размер ячейки неопределенности по частоте в устройстве поиска должен быть не более 500 Гц.

Возвращаясь к рассмотрению схемы АПЧ рис. 14.12, заметим, что порядок астатизма системы АПЧ полностью зависит от построения петлевого фильтра. Действительно, если исключить петлевой фильтр из структуры системы АПЧ, то сигнал ошибки еош, воздействуя на ГУН несущей, приводит к изменению частоты ГУН в сторону уменьшения Гд, что в свою очередь снизит еош и т. д., до тех пор, пока процесс подстройки не установится. Установившийся режим будет соответствовать некоторому постоянному Fa, т. е. система АПЧ окажется статической. Поэтому введение петлевого фильтра первого порядка астатизма позволяет устранить систематическую ошибку по частоте Fa. В системах АПЧ СРНС «Навстар» порядок астатизма петлевого фильтра обычно не пре­ вышает двух.

При анализе правила формирования сигнала ошибки предполагалось, что сигнал и опорное напряжение имеют

320