ЭТАЛОННОЕ РАБОЧЕЕ МЕСТО АБСОЛЮТНОЙ ПРЕЦИЗИОННОЙ КАЛИБРОВКИ ЗАПАЗДЫВАНИЯ ОГИБАЮЩИХ ЛИТЕРНЫХ ЧАСТОТ В ПРИЕМНИКЕ СИГНАЛОВ ГЛОНАСС
REFERENCE WORK STATION FOR ABSOLUTE PRECISION CALIBRATION OF DELAY OF LETTERED FREQUENCY ENVELOPES IN GLONASS SIGNAL RECEIVER

Изобретение относится к средствам метрологического обеспечения приемоиндикаторов и может быть использовано для метрологического обеспечения приемоиндикаторов КНС ГЛОНАСС (GPS и др.).
Известно, что метрологическая поверка приемоиндикаторов (ПИ) КНС ГЛОНАСС - GPS производится в соответствии с инструкцией и методикой поверки. Существуют следующие методики поверки:
- аппаратура потребителя - навигационная малогабаритная КНС ГЛОНАСС/ДЖИ-ПИ-ЭС «ГРОТ-М» (индекс 14Ц22). Проверка аппаратуры проводится в соответствии с ГОСТ РВ 52271-2004;
- комплекс навигационно-геодезической космической системы «ГРОТ-ТК» (индекс 14Ц824). Методика устанавливает методы и средства первичной и внеочередной поверок, проводимых в соответствии с ПР 509.2.006-94;
- приемоиндикаторы возимые «ГРОТ-В» (индекс 14Ц821).
Указанные методики базируются на традиционных методах определения погрешностей измерения координат, высоты объекта, составляющих вектора скорости и синхронизации шкалы времени ПИ к шкалам системного времени ГЛОНАСС и GPS.
В настоящее время принята блок-схема установки для калибровки ПИ (фиг.1).
Фиг.1 - стандартное рабочее место калибровки ГВЗ, где:
1 - имитатор сигналов ГЛОНАСС,
2 - калибруемый приемник,
3 - ПЭВМ для записи и обработки (в том числе и статистической) результатов измерения задержки.
н
k
Фиг.2 - Вид фазочастотных характеристик (ФЧХ), измеренных фазометром в диапазоне (0-2 π) в диапазоне частот f - f.
Фиг.3 - ФЧХ идеализированного (без фильтров и реактивных элементов) радиотракта как линейная функция частоты, содержит (в достаточно широком диапазоне частот) несколько целых фазовых фильтров.
Фиг.4 - Блок-схема предлагаемого эталонного рабочего места калибровки ГВЗ, где:
i
4 - синтезатор сетки испытательных частот f с равномерным шагом Δf,
5 - модулятор сигналов испытательных частот,
6 - аппаратная копия системы слежения за несущей (ССН) калибруемого приемника,
7 - калибруемый приемник.
Фиг.5 - Блок-схема предлагаемого эталонного рабочего места прецизионной калибровки задержки огибающей на литерных частотах ГЛОНАСС (GPS и др.), где блок 8 - ПЭВМ для обработки результатов калибровки.
Групповое время запаздывания (ГВЗ) - разное на разных литерных частотах ГЛОНАСС - результат неравномерности фазочастотной характеристики сквозного радиотракта. Основной вклад в ГВЗ вносят фильтры промежуточных частот (ФПЧ) аналогового тракта приемника.
Обычно ГВЗ на разных литерных частотах ГЛОНАСС (системы с частотным разделением сигналов спутников) калибруют непосредственным измерением времени задержки фронтов дальномерного кода относительно эталонного сигнала. Будем называть этот способ калибровкой ГВЗ во временной области. Функциональная схема рабочего места для калибровки ГВЗ этим способом приведена на фиг.1, примем его за прототип, где обозначено:
1 - имитатор сигналов ГЛОНАСС,
2 - калибруемый приемник,
3 - ПЭВМ для записи и обработки (в том числе и статистической) результатов измерения задержки.
Иногда вместо имитатора сигналов используют «эталонный приемник», который подключают к общей антенне вместе с анализируемым приемником через сплиттер (т.н. способ нуль-базы). В любом случае калибровка во временной области относительна. Она проводится относительно эталона, ГВЗ которого в общем случае неизвестно, более того нестабильно во времени (зависит от климатических условий и подвержено изменению из-за старения элементов ФПЧ). То же относится и к имитатору сигналов ГЛОНАСС в качестве эталона. Дело в том, что в имитаторах сигналов ГЛОНАСС эталонные сигналы формируют на низкой частоте, а затем переносят преобразованием частоты вверх на несущие литерные частоты ГЛОНАСС. Обычный преобразователь частоты включает ФПЧ (после смесителя) для выделения продукта преобразования (в данном случае) с суммарной частотой. Для ГЛОНАСС этот ФПЧ должен пропускать весь диапазон литерных частот плюс ширина спектра дальномерного кода, т.е. его полоса пропускания должна быть не менее 20 МГц. Это означает, что ФПЧ должен быть многозвенным. Другими словами он не может иметь равномерную ФЧХ в полосе пропускания. А это означает, что имитатор сигналов ГЛОНАСС будет иметь неизвестные (и нестабильные) ГВЗ на литерных частотах ГЛОНАСС имитатора.
Недостатки прототипа рабочего места относительной калибровки ГВЗ во временной области - фиг.1 - низкая точность калибровки ГВЗ по следующим причинам:
1) неизвестные ГВЗ эталонного средства;
2) низкая точность измерений во временной области (кодовых измерений задержки сигналов);
3) невозможность учета задержки, непосредственно вызванной нелинейностью фазочастотных характеристик.
Эти недостатки устраняет предлагаемое эталонное рабочее место для прецизионной калибровки ГВЗ ГЛОНАСС известным в теории фазочастотным методом (ФЧМ).
Задачей предлагаемого технического решения является повышение точности калибровки запаздывания огибающей литерных частот в приемнике сигналов ГЛОНАСС.
Поставленная задача решается за счет того, что вышеуказанные недостатки прототипа устраняются тем, что для построения ФЧХ калибруемого приемника не требуется никаких эталонов, вносящих свои погрешности в калибровку, а ФЧМ используют для калибровки полной задержки на литерных частотах ГЛОНАСС - фазовые измерения (измерения набегов фазы на заданных интервалах времени), обладающие примерно на 3 порядка более высокой точностью измерений приращений задержки по сравнению с измерениями во временной области (кодовыми измерениями).
Сущность изобретения пояснена чертежами (фиг.1-5).
Фиг.1 - блок-схема прототипа:
1 - имитатор сигналов ГЛОНАСС,
2 - калибруемый приемник,
3 - ПЭВМ для записи и обработки (в том числе и статистической).
Как следует из теории, запаздывание огибающей гармонического сигнала (в нашем случае фронтов дальномерного кода) имеет две составляющие:
1) Непосредственно вызванную нелинейностью их.
Полная фаза гармонического колебания на выходе идеализированного радиотракта (без фильтров и реактивных элементов) равна фазе на его входе
2) Для реального радиотракта в правой части (1) добавляется φ(f) - его фазочастотная характеристика φ(f)
<mrow><mover><mi>υ</mi><mo>/</mo></mover></mrow>
Обозначим набег фазы по (1) на интервале отсчетов фазовых измерений Δt через
, а для реальных (2) через Ψ.
i
Использование свип-генератора для построения ФЧХ нецелесообразно по причине низкой точности. Более рационально использование сетки испытательных частот с равномерным шагом Δf, формируемых синтезатором, тогда для отсчетов ФЧХ φ можно записать:
Поскольку диапазон однозначности фазометра составляет (0-2 π), измерения ФЧХ идеализированного (без фильтров и реактивных элементов) радиотракта имеет вид, показанный на фиг.2. Она содержит (в достаточно широком диапазоне частот) несколько целых фазовых циклов.
Из графика фиг.2 можно перестроить ФЧХ как непрерывную функцию частоты, просуммировав скачки фазометра на 2π (фиг.3).
i
i
i
i
Набег фазы сигнала с частотой f на интервале Δt равна 2πf Δt. Если fΔt=1, то этот набег равен 2π - полный фазовый цикл, соответствующий длине волны λ. Из этих соображений можно составить пропорцию
i
Разрешив ее относительно задержки τ, получим:
i
Набеги фаз υ, соответствующие идеализированному радиотракту, целесообразно формировать с помощью копии ССН копируемого приемника по следующим причинам:
i
0i
1. Начальные фазы сигналов испытательных частот, формируемых синтезатором, могут меняться в зависимости от частот f, т.е. это φ.
i
2. За время калибровки могут существенно изменяться задаваемые частоты f из-за нестабильности опорного генератора в синтезаторе.
i
В силу линейности выражений (1-3) и операций формирования набегов фаз υ с помощью копии ССН справедливо тождество:
нi
и для задержки огибающей, вызванной непосредственно нелинейностью τ, можно записать:
i
3. Собственно ГВЗ на частотах от f
По определению ГВЗ равно производной ФЧХ по частоте
или для дискретных отсчетов
i
i
i+1
i
Δφ- приращение соседних φ, равное φ-φ,
i
φ - по формуле (3).
нi
гi
i
Просуммировав τ (7) и τ (9), получим спектральную плотность задержки огибающей (фронтов дальномерного кода) или парциальные задержки. Для получения задержек на литерных частотах ГЛОНАСС парциальные задержки необходимо усреднить по спектрам псевдослучайной последовательности (ПСП) дальномерного кода, устанавливая поочередно центральную частоту этого спектра на j-е литерные частоты (или ближайшие к ним испытательные f) по формуле:
ij
i
где p - отсчеты спектра ПСП на частотах f при смещении центральной частоты спектра к j-й литерной.
На блок-схемах фиг.4, 5 обозначено:
i
4 - синтезатор сетки испытательных частот f с равномерным шагом Δf,
5 - модулятор сигналов испытательных частот,
6 - аппаратная копия системы слежения за несущей калибруемого приемника,
7 - калибруемый приемник,
8 - ПЭВМ для обработки результатов калибровки.
Предполагаемое устройство (фиг.5) работает следующим образом.
i
i
Синтезатор 4 формирует последовательно частоты f с шагом Δf в десятки кГц. Желательна автоматизация коммутации частот f. Испытательные частоты для построения ФЧХ должны охватывать диапазон литерных частот ГЛОНАСС, расширенный справа и слева на 2-3 лепестка спектра псевдослучайной последовательности (ПСС) дальномерного кода. Если полоса частот сквозного радиотракта калибруемого приемника меньше диапазона испытательных частот, возможна их подавление в приемнике. Амплитуда испытательных сигналов должна на 10-20 дБ превышать амплитуду реального спутникового сигнала. Это обеспечит быстрый надежный захват испытательных сигналов калибруемым приемником, после чего его входной коррелятор по коду восстановит несущую. Подавление испытательных частот на краях диапазона их сетки можно компенсировать соответствующим повышением амплитуд сигналов испытательных частот или усреднением нескольких фазовых отсчетов на каждой из них.
Модулятор 5 представляет собой инвертор входных сигналов, управляемый ПСП кода.
i
i
Блок 6 имитирует работу ССН идеализированного радиотракта (отслеживает входной сигнал по частоте с точностью до фазы) на интервале отсчетов фазовых измерений реального радиотракта калибруемого приемника Δt. Поскольку калибруемый приемник 7 может иметь разные структуры ССН (порядок астатизма, параметры петлевого фильтра следящего контура), его желательно выполнить на реконфигурируемой программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС). Если рабочие частоты ПЛИС ниже частоты f, то возможно в копии ССН использовать аналоговый генератор, управляемый напряжением (ГУН) отслеживаемых частот f и ЦАП после петлевого фильтра на ПЛИС в замкнутом контуре.
i
i
i
i
i
I
Калибруемый приемник 7 формирует отсчеты набегов фаз Ψ на интервалах Δt, которые последовательно подают на вход ПЭВМ-8. В ПЭВМ одновременно с Ψ поступают набеги фаз υ от блока 6. Разности Ψ и υ, деленные на Δt, и есть интересующие нас отсчеты ФЧХ φ, формируемые в соответствии со схемой предлагаемого рабочего места.
i
i
i
нi
i
i
гi
нi
ij
j
j
В ПЭВМ-8 вычисляют отсчеты спектра ПСП p для частот f. Центральная частота спектра вначале принимается равной нулю, отсчеты pрасполагаются справа и слева от f=0. Предварительно вычисляют задержки τ, вызванные нелинейностью ФЧХ, по формуле (7), затем вычисляют приращение Δφ, для соседних частот f, делят эти приращения на Δf и получат отсчеты спектральной плотности ГВЗ (парциальные ГВЗ τ). Эти парциальные ГВЗ суммируют с τ и усредняют с отсчетами спектра p, предварительно сдвигая центральную частоту спектра последовательно к значениям f, к каждой литерной частоте f по формуле (10).
Промышленное применение технической сложности не представляет, так как устройство может быть построено в основном на серийно выпускаемых блоках.