§ 14.3. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ АППАРАТУРЫ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ

Основные задачи, решаемые аппаратурой потребителя. К числу потребителей СРНС второго поколения относятся наземные объекты (подвижные и неподвижные), летательные аппараты (высокодинамичные и низкодинамичные) и др.

В зависимости от типа потребителя требования к точностным характеристикам, числу измеряемых координат и составляющих скорости, допустимому времени вхождения в синхронизм, массогабаритным показателям и стоимости аппаратуры потребителя колеблются в широких пределах. Для наземных и морских объектов достаточно ограничиться измерением двух координат и двух составляющих скорости. Для летательных аппаратов число измеряемых координат и составляющих скорости возрастает до трех. Поэтому номенклатура модификаций бортовой аппаратуры весьма обширна.

При рассмотрении задач, решаемых аппаратурой потребителя, и принципов ее построения будем ориентироваться на технические характеристики средневысотной СРНС «Навстар», конфигурация подсистемы космических аппаратов которой представлена на рис. 14.4.

С борта каждого ИСЗ системы «Навстар» непрерывно излучаются два взаимно когерентных ФМ-колебания на несущих частотах 1575,42 и 1227,6 МГц. Использование двух несущих частот преследует те же цели, что и в СРНС «Транзит», а именно возможность вычисления и учета поправок на распространение радиоволн в ионосфере. В СРНС «Навстар» применяют два дальномерных сигнала: сигнал высокой точности (ВТ) и сигнал пониженной точности (ПТ). Сигнал ВТ формируется манипуляцией фазы несущей частоты (1575,42 МГц) на , а сигнал ПТ — манипуляцией той же несущей на 0 и . Ортогональность (квадратура) сигналов ВТ и ПТ обеспечивает возможность их полного разделения на борту потребителя. На частоте 1227,6 МГц излучается только ВТ-сигнал. Поэтому устранение ионосферной рефракционной погрешности возможно только для потребителей, располагающих аппаратурой обработки ВТ-сигнала. Для простоты изложения сосредоточим внимание лишь на сигнале ПТ.

Сигнал ПТ, излучаемый ИСЗ на частоте , можно представить в виде

где — дальномерный код в виде двоичной ФМ-после-довательности (длительность символа дальномерного кода — код данных (информационное сообщение), принимающий значения при скорости передачи 50 бит/с (длительность символа кода данных равна 20мс. Код является последовательностью Голда.

Каждая такая последовательность образуется путем перемножения двух специально подобранных двоичных -последовательностей (см. § 6.4) одной и той же длины N (в СРНС «Навстар» ). При различных временных сдвигах перемножаемых М-последовательностей получаются различные последовательности Голда. Каждому ИСЗ в системе присвоена своя, индивидуальная последовательность Голда.

Основными задачами, решаемыми аппаратурой потребителя, являются: выбор рабочего созвездия ИСЗ, поиск и опознавание навигационных сигналов ИСЗ, введение в синхронизм систем слежения по времени запаздывания и фазе несущей частоты дальномерных сигналов, измерение времени запаздывания и доплеровского сдвига частоты, выделение и расшифровка содержания навигационного (информационного) сообщения, расчет координат ИСЗ на момент навигационных измерений, решение навигационной задачи (определение координат и составляющих вектора скорости потребителя, поправок к сдвигу шкал времени и частот), отображение вычисленных данных на информационном табло.

Упрощенная структурная схема аппаратуры потребителя представлена на рис. 14.6. Она включает антенное, приемное и вычислительное устройства, а также пульт управления и индикации.

Антенное устройство состоит из антенны, ВЧ-блока и блока управления диаграммой направленности (ДН) антенны. Оно обеспечивает прием, предварительную частотную селекцию и усиление сигналов. ДН антенны в простейшем случае близка к полусфере. Для потребителей, к качественным показателям которых предъявляются особенно высокие требования, применяют антенны с управляемой ДН. Когда одна из антенн формирует ДН в направлении ИСЗ, расположенного в зените, а другие—в направлениях ИСЗ, находящихся на малых углах возвышения, то используются антенные блоки.

Приемное устройство выполняет функции супергете-родинного приемника, а также осуществляет первичную обработку сигналов. Гетеродинные частоты формируются из колебаний опорного генератора с помощью синтезатора частот. С УПЧ сигналы поступают на блоки поиска (по времени запаздывания и частоте) и измерения. После завершения поиска в блоке измерения происходит захват сигналов системами автоматической подстройки частоты (АПЧ), фазы (ФАПЧ) и времени (АПВ).

Рис. 14.6

По завершении переходных процессов в следящих системах вырабатываемые в блоке измерения значения РНП (квазидальности, квазискорости), а также код информационного сообщения поступают на вычислительное устройство.

Вычислительное устройство содержит блок связей и собственно вычислитель, который на рис. 14.6 упрощенно представлен в виде блока процессоров и запоминающих устройств (ЗУ). Основой вычислителя являются микропроцессоры, дополненные модулями памяти. В зависимости от модификации аппаратуры в вычислитель обычно входит от одного до четырех микропроцессоров.

Рис. 14.7

Пульт управления и индикации содержит клавиатуру управления и индикационное табло, на котором по желанию оператора могут отображаться измеряемые координаты, составляющие вектора скорости, результаты расчетов сервисных задач (расчетное время прибытия в пункт назначения, отклонения от заданного маршрута и т. д., результаты тестовой проверки отдельных блоков и всей аппаратуры в целом.

Модификации аппаратуры потребителей. Можно выделить три основные модификации аппаратуры потребителей. Аппаратура первого класса предназначена для быстрых высокоточных навигационных определений координат места и скорости, а также поправок времени высокодинамичных потребителей в условиях сложной помеховой обстановки. Упрощенная структурная схема аппаратуры потребителей первого класса представлена на рис. 14.7. В ее состав входит пятиканальный блок АПВ, АПЧ и ФАПЧ. Четыре канала используются для слежения за несущими частотами (), один канал (АПВ) обеспечивает последовательное слежение за задержками сигналов ВТ и ПТ на частотах 1227,6 и 1575,42 МГц поочередно для всех четырех ИСЗ.

Рис. 14.8

Аппаратура потребителей второго класса предназначена для низкодинамичных объектов. Это дает возможность ограничиться последовательным слежением за несущей частотой четырех ИСЗ при сохранении того же режима АПВ, как и в аппаратуре первого класса. Сокращение 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 удовлетворяет 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 изменчивостью 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 , априорный интервал доплеровского сдвига частот , ширина полосы захвата системы АПЧ . В рассматриваемой СРНС можно принять .

Отсюда число анализируемых ячеек . В простейшем 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 контролируется 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 режим поиска сигнала следующего ИСЗ. Поиск сигнала второго ИСЗ производится в существенно меньшей зоне неопределенности, так как потребитель в результате дешифрации информационного сообщения 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 реальном масштабе времени.

Упрощенная структурная схема устройства поиска представлена на рис. 14.9.

Рис. 14.9.

На выходе генератора кода по команде блока управления поиском устанавливается код искомого ИСЗ. На выходе синтезатора частот формируется колебание .Таким образом, на выходе умножителя создается образец , который поступает на второй умножитель, где образуется его свертка с входным сигналом. Несущая частота образца изменяется скачком по команде блока управления сдвигом частоты. Для каждого значения производится перебор всех N временных задержек кода . 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 выборочные значения, соответствующие моменту появления последнего -го символа на периоде кода . В пороговом устройстве регистрируется результат сравнения выборок с порогом. При превышении порога вырабатывается команда прекращения поиска либо перехода к поиску сигнала очередного ИСЗ.

Схемы слежения за фазой и временем запаздывании сигнала. Схемы слежения за фазой и временем запаздывания сигнала обеспечивают поддержание синхронизма между принимаемым сигналом и опорным образцом, форма которого является копией полезного сигнала. Синхронизация по времени запаздывания производится с помощью системы АПВ, а по фазе — системы ФАПЧ. Слежение осуществляется в условиях, когда несущая частота в спектре сигнала отсутствует, так как код имеет практически одинаковое число символов со знаками и на периоде . Если синхронизация по фазе не может быть реализована (режим поиска, работа в условиях сильных помех и , 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 (-оценка задержки огибающей (кода). Рассмотрим когерентную систему синхронизации. Структурная схема когерентной АПВ и ФАПЧ представлена на рис. 14.10.

Рис. 14.10

С выхода УПЧ приемника сигнал поступает на фазовый дискриминатор, куда с другой стороны подается опорное напряжение . Фаза несущей частоты элементарных радиоимпульсов опорного напряжения отличается от фазы импульсов сигнала на . Близость времен запаздывания сигнала и опорного напряжения поддерживается системой АПВ. Фазовый дискриминатор имеет два канала, отличающиеся лишь тем, что их опорные напряжения сдвинуты по фазе на , т. е. находятся в квадратуре. Каждый из каналов представляет собой умножитель сигнала на опорное напряжение. Вырабатываемые ими напряжения фильтруются в ФНЧ, в результате чего образуются квадратурные составляющие ( и ) сигнала рассогласования по фазе. В связи с тем что исходный дальномерный сигнал манипулирован по фазе сообщением , составляющие сигнала ошибки и изменяют свой знак в такт с информационными символами сообщения . Для устранения этого влияния используется операция умножения , в результате чего сигнал ошибки освобождается от модуляции символами сообщения.

Проанализируем подробнее правило формирования сигнала ошибки. Не нарушая общности рассуждений, сигнал и квадратурные опорные напряжения на входе умножителей 1 и 2 схемы рис. 14.10 можно считать гармоническими: . Тогда на выходах умножителей получим

(14.9а)

На выходах ФНЧ

Сигнал ошибки

(14.10)

Зависимость называемая характеристикой фазового дискриминатора, приведена на рис. 14.11. Апертура фазового дискриминатора равна .

Рис. 14.11

При изменении фазы входного сигнала на 180° сигнал ошибки сохраняет значение и знак, поэтому фазовая манипуляция сигнала символами сообщения 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 в системе ФАПЧ обеспечивает нулевые динамические погрешности по положению, скорости и ускорению. В установившемся режиме синфазная составляющая сигнала ошибки изменяет знак в такт с символами . После устранения амплитудной модуляции в блоке она поступает на дешифратор сообщения, а также используется в схеме АПВ для снятия модуляции сигнала ошибки информационным сообщением.

Система АПВ, представленная на рис. 14.10, содержит временной дискриминатор (см. § 15.5), на который в качестве селектирующих последовательностей подаются опорные напряжения, сдвинутые во времени копии кода Голда и . Сдвиг влияет на форму дискриминационной характеристики и погрешность измерения времени запаздывания (см. гл. 15). Обычно сдвиг .

Сигнал ошибки на выходе временного дискриминатора, а следовательно, и на выходе ФНЧ промодулирован знаковой функцией сообщения . Для снятия знаковой модуляции используется умножитель, на второй вход которого поступает оценка , снимаемая с блока . Сигнал ошибки 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 построен на двух регистрах сдвига с обратными связями.

Проанализированная система синхронизации представляет собой канал слежения за сигналом одного ИСЗ.

Рабочее созвездие содержит несколько ИСЗ, поэтому для решения навигационной задачи необходимо иметь многоканальную аппаратуру слежения либо применять последовательный режим работы, когда определение РНП производится поочередно по каждому ИСЗ рабочего созвездия.

Система автоматической подстройки частоты. Рассмотренная ранее схема когерентного слежения за несущей и задержкой сигнала обеспечивает вхождение в синхронизм, если начальное расхождение несущих частот сигнала и опорного образца не превышает полосы захвата системы ФАПЧ. Обычно после режима поиска априорная неопределенность по несущей частоте составляет около Гц, что превышает полосу захвата ФАПЧ . Уменьшение интервала неопределенности по несущей частоте до полосы захвата ФАПЧ производится с помощью системы АПЧ.

Упрощенная структурная схема системы АПЧ приведена на рис. 14.12. Обведенные пунктирной линией блоки выполняют те же функции, что и одноименные блоки в схеме рис. 14.10. Квадратурные составляющие и образуются так же, как и в схеме рис. 14.10 (индекс k указывает на принадлежность и к интервалу времени с порядковым номером k). Отличие состоит лишь в том, что в установившемся 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 в квадратурных опорных колебаниях).

Сигнал ошибки в системе АПЧ образуется по правилу

(14.11)

Квадратурные составляющие и запаздывают относительно и на время Т. Не останавливаясь на вопросах технической реализации правила (14.11), рассмотрим его физический смысл. Прежде всего докажем, что сигнал ошибки (14.11) пропорционален сдвигу частот . Не нарушая общности рассужений, сигнал и квадратурные опорные напряжения на входе умножителей 1 и 2 схемы рис. 14.12 можно принять гармоническими: . Тогда на выходе умножителей

Рис. 14.12

Полагая, что функции ФНЧ выполняют интеграторы с временем интегрирования и сбросом в момент времени, соответствующим окончанию -го интервала интегрирования, получаем

где . Для запаздывающих выборок

(14.146)

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

(14.15)

Зависимость , называемая характеристикой частотного дискриминатора, представлена на рис. 14.13. Апертура данного частотного дискриминатора равна . Увеличение апертуры возможно за счет уменьшения времени интегрирования в ФНЧ и соответствующего снижения времени запаздывания Т между соседними выборками и что связано с энергетическими потерями, т. е. увеличением флуктуационной составляющей в сигнале ошибки .

Рис. 14.13

При с полная апертура составляет Гц, что определяет требования к точности начальной установки частоты ГУН Гц. Начальная установка частоты ГУН производится в соответствии с решением, вырабатываемым устройством поиска. В приведенном 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 , воздействуя на ГУН несущей, приводит к изменению частоты ГУН в сторону уменьшения , что в свою очередь снизит и т.д., до тех пор, пока процесс подстройки не установится. Установившийся режим будет соответствовать некоторому постоянному , т. е. система АПЧ окажется статической. Поэтому введение петлевого фильтра первого порядка астатизма позволяет устранить систематическую ошибку по частоте . В системах АПЧ СРНС «Навстар» порядок астатизма петлевого фильтра обычно не превышает двух.

При анализе правила формирования сигнала ошибки предполагалось, что сигнал и опорное напряжение имеют вид гармонических колебаний. На самом же деле и сигнал и опорные колебания манипулированы по фазе кодом . Для приведения в соответствие опорного колебания, вырабатываемого ГУН несущей, с ФМ-сигналом в схеме рис. 14.12 используется умножитель 3, осуществляющий фазовую манипуляцию опорного колебания. Модулирующая функция должна совпадать по времени запаздывания с кодом входного сигнала . Обеспечение такого синхронизма по коду осуществляется системой АПВ. Система АПВ в данном случае должна быть некогерентной, так как система АПЧ не обеспечивает в отличие от ФАПЧ получения когерентного опорного колебания.

В заключение отметим еще одну особенность правила (14.11) формирования сигнала ошибки , а именно независимость сигнала ошибки от изменения фазы несущей сигнала на . Действительно, при сдвиге фазы несущей частоты входного сигнала на 180° знаки квадратурных выборок и так же как и и одновременно изменяются на обратные. Это, как следует из (14.11), никак не влияет на . Таким образом, наличие модуляции дальномерного сигнала символами 1 сообщения не влияет на работу рассмотренной системы АПЧ.

Перечислите недостатки СРНС первого поколения.

Чем вызвана необходимость применения в СРНС сигналов двух частот?

Используя выражения (14.2) и (14.3), а также рис. 14.3, поясните интегральный доплеровский метод определения координат.

Какие методы измерений РНП можно применять в СРНС второго поколения? Как влияет выбор метода измерений на требования к бортовому эталону частоты?

Поясните целесообразность применения в СРНС второго поколения сложных сигналов с большой базой. Перечислите основные задачи, решаемые аппаратурой потребителей СРНС второго поколения.

Используя рис. 14.9, поясните процедуру поиска сигналов рабочего созвездия ИСЗ.

Фазовый дискриминатор в схеме рис. 14.10 вырабатывает сигнал ошибки, значение и знак которого не зависят от изменения фазы входного сигнала на 180°. Докажите справедливость этого утверждения.

Поясните правило формирования сигнала ошибки (14.11) для схемы рис. 14.12.