Способ формирования сигналов спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС

СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ СПУТНИКОВОЙ РАДИОНАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ГЛОНАСС А.А. Скобелин, А.С. Бандура Научный руководитель - д.т.н., профессор В.Л. Ткалич

В статье рассматривается способ формирования навигационного сигнала космической навигационной системы ГЛОНАСС, который может быть использован для построения имитатора сигналов спутниковой радионавигационной системы в целях калибровки приемников космических навигационных сигналов.

Введение

Необходимость точных измерений в территориально разнесенных точках требует формирования в точке измерения высокостабильной шкалы времени, привязанной к шкале времени UTC(SU) с высокой точностью. Подобные задачи решает аппаратура синхронизации. В настоящее время все большее распространение получает аппаратура синхронизации, работающая на основе навигационных сигналов спутниковых радионавигационных систем (СРНС) ГЛОНАСС и GPS.

Погрешность привязки шкалы времени потребителя по сигналам СРНС зависит от многих факторов, основными из которых являются:

• погрешность синхронизации бортовой шкалы космического аппарата (КА) с Государственным эталоном времени и частоты;

• погрешность измерения, вносимая задержками распространения сигнала в ионосфере;

• погрешность, вносимая алгоритмами обработки навигационных данных.

Первые два вида погрешности могут быть устранены техническими методами (например, излучением на двух частотах для компенсации ионосферных задержек). Для устранения третьего вида погрешности необходимо иметь навигационное поле с заранее известными характеристиками (и с возможностью их оперативного изменения), чтобы точно определять погрешность, вносимую математической обработкой навигационной информации, и оценить эффективность примененного алгоритма.

В настоящее время для построения приемников СРНС используют, в основном, математический аппарат, основанный на стандартных моделях атмосферы, Земли и т.д. В данной работе предлагается метод формирования навигационного радиосигнала СРНС, на основе которого возможно будет построить имитатор сигналов СРНС.

Краткие сведения о навигационных радиосигналах системы ГЛОНАСС

Каждый спутник системы ГЛОНАСС излучает фазоманипулированные навигационные радиосигналы в диапазоне L1 (1602 МГц) и L2 (1246 МГц).

В радиолинии частотного диапазона L1 спутники системы ГЛОНАСС излучают навигационные радиосигналы двух типов: стандартной и высокой точности (СТ- и ВТ-сигнал, соответственно). Сигнал стандартной точности предназначен для использования гражданскими потребителями, и предоставляемое им обслуживание доступно всем владельцам аппаратуры потребителей ГЛОНАСС. Сигнал высокой точности модулирован специальным кодом и не рекомендован к использованию без согласования с МО РФ.

В радиолинии диапазона L2 в настоящее время передается только ВТ-сигнал, поэтому гражданские потребители не могут использовать метод двухчастотной компенсации ионосферной погрешности.

В системе ГЛОНАСС номинальное значение рабочих частот радиосигналов навигационных спутников (НС): f^ = f0i + kAf, где i = 1, 2 - номер диапазона частот; к =

0,24 - номер частотного канала (литер); /01 = 1602 МГц; /02 = 1246 МГц; Д/01 = 562,5 кГц; Д/02 = 437,5 кГц. Канал к = 0 не предназначен для использования потребителями системы ГЛОНАСС. Он применяется наземной подсистемой управления для проверки резервных спутников на орбите при восполнении орбитальной группировки. Сведения о распределении частотных каналов к = 1,24 между спутниками, расположенными в орбитальных рабочих точках с номерами т = 1,24, содержатся в альманахе системы.

Навигационный радиосигнал, передаваемый каждым НС, представляет собой многокомпонентный фазоманипулированный сигнал. Для получения высокой точности измерений задержки распространения сигнала излучаемый сигнал модулируется дально-мерным кодом стандартной точности (СТ-код), представляющим периодическую последовательность максимальной длины. Для диапазона Ы тактовая частота формирования дальномерного кода /ст = 511 кГц, период повторения Гпк. = 1 мс.

Для передачи навигационной (служебной) информации используется модуляция двоичной последовательностью (кодом служебной информации (СИ-код)) с тактовой частотой /ей = 50 Гц. СИ-код представляет собой преобразованную цифровую последовательность навигационных данных, передаваемых аппаратурой НС потребителям системы ГЛОНАСС. Дальномерный СТ-код представляет собой М-последовательность. Это сравнительно короткая псевдослучайная последовательность (ПСП) (длина Ь = 511 элементов) обеспечивает быстрый поиск дальномерного сигнала и приемлемую точность измерения дальности до НС с соответствующей неоднозначностью.

Код метки времени представляет собой укороченную ПСП. Длина ПСП МВ равна тридцати символам с длительностью 10 мс каждый. Эта метка позволяет осуществлять строчную синхронизацию, а также устранять неоднозначность дальномерных измерений [1].

Способ формирования навигационного радиосигнала

В основе предлагаемого способа лежит применение схем фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и прескайлеров (делителей частоты высокочастотных сигналов) для формирования высокочастотного навигационного сигнала. Блок-схема формирователя навигационных сигналов, модулированных ВТ-кодом, в диапазоне Ь2 представлена на рис. 1. Приведенная схема может быть использована также и для формирования сигналов системы ГЛОНАСС, модулированных СТ-кодом (при изменении коэффициентов деления прескайлеров).

Входными сигналами схемы являются: импульсы с частотой следования 1 Гц, полученные делением эталонной частоты 5 МГц, синусоидальный сигнал частотой 5 МГц.

Источником сигнала высокой частоты, используемого для формирования несущей, служит генератор, управляемый напряжением (ГУН). ГУН включен в кольцо схемы ФАПЧ [2], имеющей входной прескайлер, что позволяет, во-первых, использовать в качестве опорной частоты сигнал с относительно низкой частотой (0,4375 МГц), и, во-вторых, оперативно изменять литерные частоты путем изменения коэффициента деления входного прескайлера сигнала ГУН. Модуляция сигнала ВТ-кодом производится на частоте 140 МГц, которая формируется методом прямого умножения эталонной частоты 5 МГц. Это позволяет избежать конструктивных проблем, возникающих при работе с сигналами СВЧ-диапазона. Модулированный сигнал смешивается с ВЧ-сигналом, и из смеси выделяется сумма частот с заданной полосой. Таким образом, все манипуляции производятся над сигналом частотой 140 МГц, что позволяет избежать внесения дополнительных шумов в результирующий сигнал.

Интерес представляет также схема синтезатора тактовой частоты ПСП 5,11 МГц, которая приведена на рис. 2. К этому сигналу предъявляются требования высокой стабильности, поэтому он формируется также из эталонной частоты. Спектр смеси импульсов, поступающей на вход частотно-избирательного фильтра, построенного на основе кварцевого фильтра, имеет в своем составе гармонику с частотой 10,22 МГц, которая выделяется фильтром и делится на 2. Так как операцию умножения можно выполнить на цифровых элементах (операция исключающего ИЛИ), потери амплитуды сигнала, вызываемые аналоговыми фильтрами схем умножения, отсутствуют.

Рис. 1. Блок-схема формирователя навигационных радиосигналов СРНС ГЛОНАСС; СЧ - синтезатор частоты; ГУН - генератор управляемый напряжением; ФНЧ - фильтр низких частот (5,11 МГц); СФАПЧ - схема фазовой автоподстройки частоты; ФМП -формирователь модулирующей последовательности; МОД - модулятор; МК - микроконтроллер; Ф - полосовой фильтр выходного сигнала; Инф. - навигационная информация

Рис. 2. Блок-схема синтезатора частоты 5,11 МГц

Анализ схемы

Так как все сигналы в предлагаемой схеме формируются методами прямого умножения и деления эталонной частоты на основе цифровой логики, она обладает низким уровнем фазовых шумов. Уровень фазовых шумов выходного сигнала, по большей части, определяется уровнем шумов сигнала выбранного ГУН и шумами, вносимыми схемой ФАПЧ. Чем меньше крутизна перестройки ГУН (коэффициент связи между напряжением управления и изменением частоты), тем точнее установка частоты и меньше возможная отстройка от номинала. Так как допускаемая погрешность фазовой манипуляции навигационного сигнала составляет 0,2 радиан (относительная погрешность -

0.063., то погрешностями, вносимыми модулятором, можно пренебречь.

Кроме того, управляя фазой выходного сигнала, становится возможным вносить задержки сигналов друг относительно друга и, тем самым, проверять эффективность решения задачи ориентации потребителя в пространстве.

Заключение

В работе приведена структурная схема и описаны принципы формирования радионавигационных сигналов системы ГЛОНАСС. Проведен краткий анализ схемы, который позволяет полагать, что на ее основе можно построить имитатор навигационных сигналов СРНС, с помощью которого будет возможно разрабатывать алгоритмы обработки навигационных данных и оценивать их эффективность.

Литература

1. Глобальная спутниковая навигационная система ГЛОНАСС. / Под ред. Харисова ВН., Перова А.И., Болдина В.А. М.: ИПРЖР, 1999.

2. Шахгильдян В.В., Ляховкин А.А., Карякин В.Л. и др. Системы фазовой синхронизации с элементами дискретизации. / Под ред. В.В. Шахгильдяна. 2-е изд., доп. и пер.. М.: Радио и связь, 1989. 320 с.