Аппаратура 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.

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.

На вход аппаратуры потребителя поступают сигналы от навигационных спутников, находящихся в зоне радиовидимости. Так как для решения навигационной задачи необходимо измерить псевдодальности и псевдоскорости относительно, как минимум, четырех ИСЗ, то АП должна быть многоканальной (от 4 до 12 каналов при работе по одной из систем и более 12 при совмещенной работе по системам ГЛОНАСС и NAVSTAR).

Современные АП являются аналого-цифровыми системами, сочетающими аналоговую и цифровую обработку сигналов. Переход на цифровую обработку осуществляется на одной из промежуточных частот. Основой типового варианта АП являются антенный блок, радиочастотный тракт, коррелятор и вычислительное устройство, представленные на рис. 2.3.

В антенном блоке (АБ) совокупность сигналов от ИСЗ, принятых антенной, усиливается в предварительном усилителе и фильтруется во всей полосе (от 1570 до 1625 МГц в совмещенной АП) несущих частот полосовым фильтром.

В качестве антенны часто используется микрополосковая, что обусловлено ее малой массой и габаритными размерами, простотой изготовления и дешевизной. Микрополосковая антенна состоит из двух параллельных проводящих слоев, разделенных диэлектриком; нижний проводящий слой является заземленной плоскостью, верхний ― собственно излучателем антенны (по форме излучатель может быть прямоугольником, эллипсом, пятиугольником и т.д.). Микрополосковая антенна имеет диаграмму направленности, обеспечивающую прием сигналов правосторонней круговой поляризации из верхней полусферы. Применяются и другие типы слабонаправленных антенн.

 

Рис. 2.3. Структурная схема аппаратуры потребителя

 

Полосовой фильтр осуществляет фильтрацию сигналов в полосе частот МГц. На выходе блока имеется радиочастотный соединитель, к которому подключается коаксиальный кабель, соединяющий АБ с радиочастотным трактом.

Радиочастотный тракт навигационного приемника является многоканальным устройством, в котором, как отмечалось выше, проводится аналоговое усиление сигналов, фильтрация и преобразование несущей частоты сигналов ИСЗ (понижение частоты), а также преобразование аналогового сигнала в цифровую форму. Так как в СРНС ГЛОНАСС сигнал от каждого из спутников имеет свою несущую частоту, то каждый канал должен быть настроен на частоту сигнала одного из ИСЗ и селектировать частоты сигналов других ИСЗ. Схема такого приемника приведена на рис. 2.4.

 

Рис. 2.4. Радиочастотный тракт навигационного приемника

 

Одним из принципиальных моментов разработки навигационного приемника является выбор частотного плана. Под частотным планом подразумевается выбор частоты задающего генератора, частот гетеродинирования и дискретизации для того, чтобы минимизировать уровень паразитных гармоник, возникающих в схеме из-за различных нелинейностей и шумов и влияния цифровой части приемника.

Для этого предварительно выбирают частоту задающего генератора, промежуточные частоты и частоты гетеродиниривания, а затем определяют характеристики фильтров и коэффициенты усиления каскадов. Далее анализируют получившуюся архитектуру и выявляют все нелинейные элементы, в результате работы которых могут возникать гармоники, попадающие в спектр сигнала. Варьируя промежуточные частоты, частоту дискретизации, характеристики смесителей, усилителей и фильтров, подбирают конфигурацию, обеспечивающую оптимальный прием сигнала, при котором в спектре обрабатываемого сигнала от нелинейных преобразований появляются только дальние гармоники; эти гармоники малы и не оказывают серьезного влияния на сигнал.

Кроме этого, частоту дискретизации выбирают кратной частоте задающего генератора и всем промежуточным частотам.

Выбор числа уровней квантования в аналого-цифровом преобразователе (АЦП) определяется, в основном, типом помех на входе приемника. Если основным видом помех является белый гауссовский шум, то возможно применение малоуровневого квантования вплоть до бинарного. Если помеха узкополосная стационарная, то необходимо большее число уровней квантования.

В приведенной схеме использовано трехкратное понижение частоты сигналов (используется и двукратное понижение частоты). Первое понижение частоты до уровня  проводится, для всех принятых сигналов, смесителем СМ₀. После общего усиления и фильтрации сигналов усилителем промежуточной частоты УПЧ₀с полосой пропускания для совмещенной АП , сигнал поступает в N каналов, в каждом из которых проводится второе преобразование частоты (до значения ), ориентированное на прием сигнала от конкретного ИСЗ. Полосу пропускания канального УПЧ  выбирают таким образом, чтобы выделялся сигнал одного из спутников и селектировались сигналы других. Третье понижение частоты проводят до уровня .

Опорные сигналы, поступающие на смесители, формируются синтезатором частот СЧ из опорной частоты  опорного генератора ОГ. Управление работой синтезатора частот осуществляется по сигналам, поступающим от навигационного вычислителя. Опорный генератор – это устройство, во многом определяющее качество работы АП в целом. От ОГ в значительной степени зависят такие параметры, как время получения первого отсчета, точность определения координат потребителя, надежность, уровень потребления энергии, масса и габариты аппаратуры.

На выходе приемника аналоговые сигналы частоты  в АЦП преобразуются в цифровую форму.

Коррелятор выполняет одну из основных задач. Для оценки координат и вектора скорости потребителя необходимо измерить радионавигационные параметры сигнала: задержку распространения и доплеровское смещение частоты. Эти параметры нужно измерить для сигналов, приходящих от каждого спутника.

Теория оптимальной фильтрации позволяет решить эту задачу в общем виде. На выходе оптимального фильтра получаем оценку измеряемого параметра. Однако алгоритмы оптимального приёма очень сложны и в настоящее время не реализуются в существующих приемниках. Для упрощения приемной аппаратуры задачу получения оценок координат и вектора скорости потребителя разбивают на два этапа обработки: первичную и вторичную. На этапе первичной обработки решается задача измерения навигационных параметров, а на этапе вторичной обработки вычисляются координаты и вектор скорости потребителя с использованием полученных на первом этапе оценок радионавигационных параметров и других навигационных функций. Большая часть алгоритмов первичной обработки производится в блоке цифровой обработки сигнала навигационного приёмника – в корреляторе.

Успешное решение задачи оценивания параметров радиосигнала (первичная обработка) возможно лишь в том случае, когда начальное рассогласование между истинным значением оцениваемого параметра и его оценкой достаточно мало. Это обусловлено нелинейностью радиотехнической системы слежения и связанной с этим необходимостью «захвата» сигнала для дальнейшего слежения за оцениваемым параметром. В связи с этим в радиотехнических системах, в том числе и радионавигационных, различают два режима: поиск сигнала и слежение. В режиме поиска сигнала производится грубая, но достаточная для захвата системой слежения, оценка параметров сигнала – временной задержки и частоты. В режиме слежения после захвата сигнала системами автоматической подстройки частоты (АПЧ), фазы (ФАПЧ) и времени (АПВ) осуществляется измерение информационных параметров сигнала.

Поиск сигнала и оценку его параметров проводят по каждому навигационному спутнику отдельно, поэтому в дальнейшем рассматриваются алгоритмы обработки только одного сигнала.Поиск и оценка параметров сигнала производится в соответствии с принципом максимального правдоподобия, который для сигналов с неизвестной начальной фазой сводятся к корреляционной обработке сигнала, представленного в виде двух квадратурных составляющих. Значения оцениваемого параметра  принимают равновероятными. При этом ищут такую оценку , которая будет давать максимум условной плотности вероятности:

 

 

где  — условная плотность вероятности реализации входного процесса (входного сигнала)  при заданных значениях .

Расписав это уравнение и раскрыв формулу условной плотности вероятности, можно получить следующую формулу для оптимальной оценки параметров принятого сигнала:

 

 

где  – огибающая на выходе согласованного фильтра;  – синфазная составляющая огибающей;  – квадратурная составляющая огибающей.

При этом корреляционной обработке могут подвергаться как непрерывные сигналы, так и дискретные.

Квадратурные составляющие огибающей на выходе согласованного фильтра при оценке времени и частоты ( – синфазная,  – квадратурная) записываются в следующем виде

 

 (2.1)

 

В этих выражениях:  – частота сигнала, на которой производится корреляционная обработка. Для рассматриваемой схемы это третья промежуточная, равная 4 МГц;  – модулирующий дальномерный сигнал;  – копия дальномерного сигнала, формируемая в АП и сдвигаемая на переменную величину t.

Поиск решения предполагает перебор всех возможных значений из области возможных значений задержек  и доплеровских смещений частоты  разбивается на небольшие участки. Согласованный фильтр последовательно дискретно перестраивается по множеству возможных значений анализируемых параметров. Для каждой из пар  вычисляют  и в качестве оптимальной оценки выбирается та пара, которой соответствует максимальное значение . Пара анализируемых параметров  образует элементарную ячейку на плоскости поиска. Число ячеек поиска сигнала зависит от максимального доплеровского смещения частоты входного сигнала, составляющего ±5 кГц. Значение элементарной ячейки поиска по частоте определяется полосой захвата схемы частотной автоподстройки и составляет @500 Гц. Поэтому число анализируемых ячеек по частоте равно 20. Значение анализируемой ячейки по задержке сигнала равно длительности элементарного символа дальномерного кода, поэтому для системы «Глонасс» число ячеек равно 511. Соответственно, общее число ячеек поиска составит = 10220. Интегрирование по формулам (9.11) производится на интервале времени, равном периоду дальномерного кода Т = 1 мс. Поэтому, если один канал приёмника производит поиск сигнала одного спутника, то на это тратится время (в наихудшем случае), равное 10,22 с. Современные навигационные приёмники имеют многоканальную структуру, что позволяет использовать одновременно несколько каналов для поиска сигнала одного спутника. Кроме того, в памяти приёмника может храниться информация о параметрах движения спутников (режим так называемого горячего старта), поэтому перед поиском сигнала может быть вычислено приблизительное значение доплеровского сдвига, что существенно уменьшает число анализируемых ячеек .

Значение  сравнивается с порогом и принимается решение о наличии или отсутствии сигнала. В том случае, если сигнал не обнаружен, переходят к следующей ячейке. В противном случае, приёмник переходит в режим захвата и непрерывного сопровождения по частоте и задержке. Если следящие системы по задержке и доплеровской частоте успешно захватывают сигнал, то из навигационного вычислителя (процессора) приходит команда о прекращении поиска, а противном случае, процедура поиска продолжается.

Вычисление синфазной и квадратурной производится в корреляторе. Формирование синфазной и квадратурной составляющих I и Q необходимо как в режиме поиска, так и в режиме слежения за параметрами сигнала. В режиме слежения необходимо формировать дискриминационные характеристики для систем слежения за фазой и задержкой сигнала. Если для формирования фазового дискриминатора достаточно иметь интегралы (9.11), то для дискриминатора по задержке сигнала необходимо формировать смещённые на величину  составляющие  (Е – early – опережающий),  (L— late – запаздывающий),  и  по формулам

 

 (2. 2)

 

Величина , как правило, равна длительности одного элементарного символа дальномерного кода. На рис. 9.9 показана обобщённая структурная схема стандартного коррелятора. Корреляционные интегралы  с выходов накапливающих сумматоров используются в программных алгоритмах процессора для реализации петель слежения за фазой и задержкой сигнала. Кроме того, в опорных генераторах коррелятора (генератор отсчётов промежуточной частоты, генератор дальномерного кода, генератор тактовой частоты дальномерного кода) формируются данные, необходимые для вычисления параметров . Далее эти данные используются в процессоре. На этапе поиска эти данные необходимы для того, чтобы определить «грубые» значения доплеровской частоты и задержки дальномерного кода, необходимые для захвата системами слежения. После захвата сигнала системами слежения эти 'уточнённые' данные используются во вторичной обработке для вычисления псевдодальностей и пседоскоростей.

 

Рис. 2.5. Структурная схема одного канала стандартного коррелятора

 

В литературе довольно подробно описаны алгоритмы работы схем слежения за фазой (ФАП – фазовой автоподстройки частоты) и задержкой (ССЗ – схема слежения за задержкой) сигнала. Каждая из них включает в себя дискриминатор, фильтр и генератор опорного напряжения (для системы ФАП – генератор промежуточной частоты, для системы ССЗ – генератор тактовой частоты дальномерного кода). Часть алгоритма реализуется в аппаратной части приёмника – корреляторе, замыкается контур слежения через программные алгоритмы процессора, который выдаёт в коррелятор управляющие воздействия на генераторы опорных сигналов.

Структура большинства схем корреляторов различных производителей, так или иначе, основывается на классической схеме, изображённой на рис. 2.5. Задача любого коррелятора сводится к тому, чтобы под управлением процессора сформировать корреляционные интегралы по формулам (2.1) и (2.2) и измерительные данные в опорных генераторах.

Навигационный вычислитель решает следующие задачи: цифровая обработка синфазной и квадратурной составляющих I,Q для поиска сигналов по задержке и частоте, а также слежения за фазой и задержкой сигнала (алгоритмы первичной обработки); преобразование радионавигационных параметров в навигационные (алгоритмы вторичной обработки); демодуляция навигационного сообщения; форматирование и дешифрация эфемеридной информации; расчет прогнозируемых значений ошибок; накопление и хранение альманаха. Навигационному вычислителю переданы также диспетчерские функции управления первичной обработкой, что необходимо из-за наличия многих спутников в зоне видимости и возможности работы по всем или части ИСЗ. В современной и перспективной АП, работающей по сигналам систем ГЛОНАСС и NAVSTAR, возникает дополнительная необходимость управления работой по двум системам.

В современных АП навигационные вычислители реализуются на базе сигнальных процессоров. Этому способствует обширный выбор процессоров, предоставляемый разработчикам фирмами производителями, доступность технической информации, наличие мощных инструментальных и программных средств отладки (позволяющие писать программы на языке высокого уровня).