ИМИТАТОР СИГНАЛА ИСКУССТВЕННОГО СПУТНИКА ЗЕМЛИ

Предложенное техническое решение относится к области радиотехники, а именно, к оборудованию наземных пунктов приема информации от низкоорбитальных, среднеорбитальных и геостационарных искусственных спутников Земли, а также для наземных испытаний бортовых радиокомплексов геостационарных, среднеорбитальных и низкоорбитальных искусственных спутников Земли и иной аппаратуры, для проверки функционирования которой, требуется независимый источник калиброванного сигнала.
Известна измерительная аппаратура общего назначения различных типов предназначенная для формирования сигнала. Например, генератор сигнала Agilent Technologies E4438, (см. каталог контрольно-измерительных приборов общего назначения фирмы Agilent Technologies, апрель 2005 г., стр.15), предназначен для формирования сигнала в полосе от 9 кГц до 3 ГГц с уровнем сигнала от 0,5 до минус 157 дБВт. Генератор сигнала Rohde Schwarz типа SML (см. техническое описание «Генератор сигналов R&S SML, август 2004 г., вер. 06.00, стр.2) предназначен для формирования сигнала в полосе от 9 кГц до 3,3 ГГц с уровнем от минус 17 дБВт до минус 170 дБВт. Измерительная аппаратура общего назначения, не может в полной мере отвечать требованиям, предъявляемым к имитатору сигнала так, как является универсальной и имеет большую стоимость. Для обеспечения требуемой точности формируемого сигнала измерительная аппаратура общего назначения требует периодической поверки, а также высокой квалификации обслуживаемого персонала.
Известна контрольно-проверочная аппаратура специализированного назначения - автоматизированный информационный комплекс для наземной проверки радиотехнического спутникового комплекса низкоорбитального искусственного
спутника Земли системы КОСПАС-САРСАТ, предназначенная для формирования импульсного сигнала аварийных радиобуев по трем частотным каналам одновременно в диапазоне 406,0-406,1 МГц с уровнем от минус 120 дБВт до минус 140 дБВт. Контрольно-проверочная аппаратура подобного типа не предназначена для формирования сигнала в диапазоне выше 406 МГц, не способна формировать сигнал с разным видом модулирующего сигнала и не способна изменять литеры несущей частоты, в частности для имитации доплеровского закона изменения частоты при движении искусственного спутника Земли по круговой орбите.
Ближайшим аналогом предложенного технического решения выбран синтезатор сигнала, описанный в патенте на изобретение RU 2239940 и способный формировать сетку стабильных частот, задаваемых программным способом в диапазоне сверхвысоких частот. Известный из патента RU 2239940 синтезатор сигнала содержит опорный генератор, микропроцессор, схему фазовой автоподстройки частоты, состоящую из делителей с переменным коэффициентом деления, фазового детектора и фильтра нижних частот, генератора, управляемый напряжением, умножителя частоты, полосового фильтра, схему индикации и усилитель мощности. В известном из патента RU 2239940 синтезаторе частот невозможно изменить формируемые литеры несущей частоты по программе, записанной в ПЭВМ или путем перезаписи программы в микропроцессоре, и не возможно сформировать фазоманипулированный сигнал с изменяемым индексом модуляции. Кроме того, в схеме известного из патента RU 2239940 синтезатора отсутствует аттенюатор, управляемый микропроцессором и предназначенный ля установления уровня ослабления сигнала.
Предложенное техническое решение обеспечит стабильность несущей частоты сигнала, минимальное время готовности к излучению, точность формирования литеры несущей частоты, возможность переключения несущей частоты и мощности сигнала с заданным шагом при помощи органа внешнего управления, формирование сигнала с фазовой манипуляцией несущей частоты. Сформированный модулирующий сигнал, будет представлять непрерывную
последовательность символов с закодированной информацией, например, псевдошумовую последовательность. Также будет обеспечен длительный срок службы, высокая технологичность при производстве, низкая стоимость, минимальный вес, габариты и простота в использовании.
Технический результат, ожидаемый от использования предложенного технического решения, достигается тем, что предложен имитатор сигнала искусственного спутника Земли, содержащий последовательно соединенные, опорный генератор, синтезатор прямого синтеза частоты, и умножитель. Умножитель выполнен на основе генератора, управляемого напряжением в кольце фазовой автоподстройки частоты. Синтезатор прямого синтеза частоты включает компаратор и генератор сигнала на основе прямого синтеза частоты, входы которых подключены к выходу опорного генератора, и первичный микропроцессор, выход которого соединен с генератором сигнала на основе прямого синтеза частоты. Умножитель на основе генератора, управляемого напряжением в кольце фазовой автоподстройки частоты включает, последовательно соединенные полосовой фильтр, компаратор, генератор, управляемый напряжением в кольце фазовой автоподстройки частоты, диапазонный аттенюатор, с подключенными к нему переключателями, аттенюатор, а также вторичный микропроцессор. Входы вторичного микропроцессора подключены к ПЭВМ и органу внешнего управления, а выходы соединены с первичным микропроцессором, генератором, управляемым напряжением в кольце фазовой автоподстройки частоты и аттенюатором. Опорный генератор, генератор сигнала на основе прямого синтеза частоты, первичный микропроцессор, генератор, управляемого напряжением в кольце фазовой автоподстройки частоты, вторичный микропроцессор и аттенюатор, подключены к внутреннему источнику электропитания.
Формирование сигнала в сантиметровом диапазоне, которое осуществляется однократным переносом спектра с использованием схемы на основе генератора, управляемого напряжением в кольце фазовой автоподстройки частоты, с опорным сигналом от синтезатора прямого синтеза частоты, не требует
фильтрации выходного сигнала, так как в нем отсутствуют боковые полосы и частота опорного сигнала. При переносе сантиметрового спектра в диапазон с использованием смесителей требуется или многократное преобразование по частоте или применение выходного фильтра с трудно реализуемой высокой добротностью. Быстродействующие микропроцессоры, управляющие синтезатором прямого синтеза частоты, генератором, управляемым напряжением в кольце фазовой автоподстройки частоты и аттенюатором, обеспечивают минимальное время формирования сигнала. Построение имитатора на базе микросхем с высокой степенью интеграции, применением дискретных элементов поверхностного монтажа и отсутствие многократного экранирования обеспечивает минимальные габариты и массу имитатора сигнала.
Предложенное техническое решение поясняется чертежами:
Фиг.1 - Схема частотного формирования имитатора сигнала;
Фиг.2 - Структурная схема имитатора сигнала;
Фиг.3 - Структурная схема низкочастотной линейки - синтезатора прямого синтеза частоты;
Фиг.4 - Структурная схема высокочастотной линейки - умножителя сигнала на основе генератора, управляемого напряжением в кольце фазовой автоподстройки частоты;
Фиг.5 - Кадровая структура модулирующего сигнала;
Фиг.6 - Формирование единичного символа по принципу бифазного L-кодирования со скоростью 2,5 кбит/с;
Фиг.7 - Формирование фазы сигнала по Гаусообразному закону аппроксимацией по 5-ти точкам в течение 40 мкс.
Имитатор сигнала искусственного спутника Земли включает последовательно соединенные и подключенные к внутреннему источнику электропитания 4 опорный генератор 1, низкочастотную линейку - синтезатор прямого синтеза частоты 2, а также высокочастотную линейку - умножитель на основе генератора, управляемого напряжением в кольце фазовой автоподстройки частоты 3, подключенный к ПЭВМ и органу внешнего управления 5. В качестве
опорного генератора 1 может быть использован термостатированный генератор, с высокой долговременной, средневременной и кратковременной стабильностью частоты. На вход внутреннего источника вторичного электропитания 4 подается электропитание переменного напряжения ~220 В/50 Гц, источник электропитания формирует постоянные напряжения плюс 5 В, плюс 12 В и минус 12 В. Выход умножителя на основе генератора, управляемого напряжением в кольце фазовой автоподстройки частоты 3 может быть соединен с антенным ответвителем наземного автономного пункта приема гелиогеофизической информации.
Синтезатор прямого синтеза частоты 2 включает компаратор 6, генератор сигнала на основе прямого синтеза частоты 7, подключенный к источнику вторичного электропитания 4, и первичный микропроцессор 8. На вход компаратора 6 и генератора сигнала на основе прямого синтеза частоты 7 поступает сигнал опорного генератора 1. Выход компаратора 6 соединен с входом первичного микропроцессора 8, выход которого соединен с другим входом генератора прямого синтеза частоты 7.
Умножитель на основе генератора, управляемого напряжением в кольце фазовой автоподстройки частоты 3 включает последовательно соединенные полосовой фильтр 9, компаратор 10, генератор, управляемый напряжением в кольце фазовой автоподстройки частоты 11, диапазонный аттенюатор 13, с подключенными переключателями 14, аттенюатор 15, управляемый микропроцессором, а также вторичный микропроцессор 12. Вход полосового фильтра 9 умножителя на основе генератора, управляемого напряжением в кольце фазовой автоподстройки частоты, соединен с выходом генератор сигнала на основе прямого синтеза частоты 7. Один из выходов вторичного микропроцессора 12 соединен с входом первичного микропроцессора 8 и служит для управления частотой опорного сигнала синтезатора прямого синтеза частоты 2 по последовательному программному интерфейсу управления. Изменение сигнала, формируемого имитатором, осуществляется перезаписью программ в первичном 8 и вторичном 12 микропроцессорах. Два других выхода вторичного микропроцессора
соединены с генератором, управляемым напряжением в кольце фазовой автоподстройки частоты 11 и аттенюатором 15. Входы вторичного микропроцессора соединены с органом внешнего управления 5 и ПЭВМ, от которого поступают команды на переключение несущей частоты и уровня сигнала имитатора, при ручном и программном управлении соответственно. Генератора, управляемый напряжением в кольце фазовой автоподстройки частоты 11, вторичный микропроцессор 12 и аттенюатор 15, подключены к внутреннему источнику электропитания 4.
При работе имитатор сигнала искусственного спутника Земли обеспечивает формирование непрерывного периодического фазоманипулированного сигнала с большим динамическим диапазоном и минимальным уровнем. Работа имитатора сигнала осуществляется следующим образом.
Через 1-2 мин прогрева после подачи электропитания опорный генератор 1 формирует высокостабильный сигнал, поступающий на синтезатор прямого синтеза частоты 2. Синтезатор прямого синтеза частоты 2 мгновенно формирует по поступающим от первичного микропроцессора 8 командам непрерывный периодически повторяемый фазоманипулированный сигнал со структурой модулирующего сигнала записанного в памяти первичного микропроцессора 8. Тактирование первичного микропроцессора 8 и генератора сигнала на основе прямого синтеза частоты 7 от высокостабильного сигнала опорного генератора 1 осуществляется при помощи компаратора 6, преобразующего синусоидальный сигнал в сигнал типа TTL (транзисторно-транзисторной логики), и обеспечивает высокую стабильность частотных, модуляционных и временных характеристик сигнала синтезатора прямого синтеза частоты 2. Параллельный интерфейс управления первичным микропроцессором 8 и генератором прямого синтеза частоты 7 обеспечивает время нарастания и спада фазы сигнала по гаусообразному закону. При поступлении сигнала от вторичного микропроцессора 12 первичный микропроцессор 8 изменяет литеру несущей частоты на минимальную или максимальную.
При изменении программы в первичном микропроцессоре 8 генератор сигнала на основе прямого синтеза частоты 7 способен сформировать сигнал в установленном диапазоне с требуемой точностью, с любым индексом модуляции. Нарастание и спад модулирующего сигнала возможно аппроксимировать линейным, квадратичным, колокообразным и иным законом, а минимальное время нарастания и спада фазы сигнала несколько мкс без изменения аппаратного построения синтезатора прямого синтеза частоты 2. Так же возможно осуществить аппроксимацию доплеровского закона изменения частоты, например, при движении низко- или среднеорбитального искусственного спутника Земли по круговой орбите линейно-ломанной функцией без изменения программы первичного микропроцессора 8. Кадровая структура модулирующего сигнала, а именно, байты кадровой синхронизации, цифровая последовательность заложенная в информационные байты модулирующего сигнала, проверочные байты, формируемые первичным микропроцессором 8 могут быть изменены при перезаписи программы в первичном микропроцессоре 8 без изменения аппаратного построения синтезатора прямого синтеза частоты 2.
С выхода синтезатора прямого синтеза частоты 2 опорное колебание поступает на вход умножителя на основе генератора, управляемого напряжением в кольце фазовой автоподстройки частоты 3, где умножается на целочисленный коэффициент, обеспечивая минимизацию фазовых шумов в выходном сигнале имитатора сигнала. Во входном полосовом фильтре 9 происходит фильтрация тактовой частоты и комбинационных составляющих генератора прямого синтеза. Далее в компараторе 10 синусоидальный опорный сигнал синтезатора прямого синтеза частоты 2 преобразуется в сигнал типа TTL, необходимый для функционирования генератора, управляемого напряжением в кольце фазовой автоподстройки частоты 11.
Генератор, управляемый напряжением в кольце фазовой автоподстройки частоты 11, представляет собой микросхему, управляемую вторичным микропроцессором 12 и осуществляющую умножение сигнала от синтезатора прямого синтеза частоты 2 на целочисленный коэффициент. Управление генератором,
выx
гун
фд
фд
вых
гун
фд
управляемым напряжением в кольце фазовой автоподстройки частоты 11, вторичным микропроцессором 12 представляет собой формирование кодов для получения коэффициентов, умножения и деления сигналов генератора управляемого напряжением, и опорного колебания для формирования выходного сигнала в сантиметровом диапазоне согласно формуле: F=F=N·R·F=(B·P+A)·R·F, где F - выходной сигнал имитатора; F - сигнал генератора управляемого напряжением; F - частота сравнения, формируемая делением сигнала генератора управляемого напряжением на коэффициент М и опорного колебания деленного на коэффициент R фазового детектора в микросхеме генератора, управляемого напряжением в кольце фазовой автоподстройки частоты; R, В, Р, А - целочисленные коэффициенты коды которых формирует вторичный микропроцессор 12. Последовательный программный интерфейс управления вторичным микропроцессором 12 генератора, управляемого напряжением в кольце фазовой автоподстройки частоты 11 обеспечивает установление в течение нескольких миллисекунд на любой из литер несущей частоты фазоманипулированного сигнала с необходимым индексом модуляции и требуемой точностью с точностью. Генератор, управляемый напряжением в кольце фазовой автоподстройки частоты 11, позволяет в зависимости от программы заложенной во вторичном микропроцессоре 12 сформировать сигнал без изменения аппаратного построения умножителя на основе генератора, управляемого напряжением в кольце фазовой автоподстройки частоты 3.
Средний уровень сигнала в требуемом диапазоне формируется диапазонным аттенюатором 13, величина ослабления которого аппаратно устанавливается переключателями 14. Величина ослабления аттенюатора 15 изменяется по программе заложенной во вторичном микропроцессоре 12. При включении вторичный микропроцессор 12 устанавливает максимальное ослабление аттенюатора. В дальнейшем при управлении имитатором сигнала с использованием программы на ПЭВМ или органом внешнего управления 5, возможно, увеличить или уменьшить величину ослабления, с индикацией величины ослабления, загоранием/гашением светодиодов на приборной панели имитатора сигнала.
Для изменения литеры формируемого сигнала при управлении имитатором от ПЭВМ или органом внешнего управления 5 вторичный микропроцессор 12 передает код управления частотой сигнала на первичный микропроцессор 8, который формирует код частоты для генератора прямого синтеза частоты 7.
Таким образом, предложенное техническое решение обеспечит требуемую высокую стабильность сигнала, минимальное время готовности к излучению сигнала, возможность формирования фазоманипулированного сигнала с необходимым индексом модуляции, скоростью передачи символов, диапазоном частот, уровнем сигнала, с высокой точностью и с возможностью перестройки по уровню и частоте. Перезапись программ в первичном и вторичном микропроцессорах позволяет сформировать сигнал с различной модулирующей функцией, скоростью передачи символов, несущей частотой и уровнем сигнала. Предложенное техническое решение может быть использовано, как в составе наземных станций приема и обработки информации от геостационарных, среднеорбитальных и низкоорбитальных искусственных спутниках Земли (системы сбора и передачи данных, космическая система поиска и спасания КОСПАС-САРСАТ,) в качестве имитатора сигнала. Наиболее вероятным является использование предложенного технического решения в качестве имитатора сигнала канала гелиогеофизической информации бортового радиокомплекса геостационарного искусственного спутника Земли для проверки работоспособности приемного тракта наземного автономного пункта приема гелиогеофизической информации. Кроме того, предложенное техническое решение может быть использовано для наземных испытаний бортовых радиокомплексов геостационарных, среднеорбитальных и низкоорбитальных искусственных спутников Земли и иной аппаратуры, для проверки функционирования которой, требуется независимый источник калиброванного сигнала.