Способ измерения мощности навигационных сигналов с частотным и кодовым разделением
METHOD FOR MEASURING THE POWER OF NAVIGATION SIGNALS WITH FREQUENCY AND CODE DIVISION

Изобретение относится к области радиотехники и в частности к способам определения характеристик сигналов навигационных космических аппаратов (НКА).
Специфика измерений мощности сигналов навигационных космических аппаратов связана с двумя особенностями. Во-первых, мощности сигналов в приземном слое крайне малы. При приеме на линейно-поляризованную антенну с коэффициентом усиления 3 дБ ожидаемые уровни мощности находятся в пределах от минус 161 до минус 155 дБ исх. 1 Вт для сигналов с частотным разделением и от минус 158 до минус 152 дБ исх. 1 Вт для сигналов с кодовым (см. Интерфейсный контрольный документ ГНСС ГЛОНАСС, http://mssianspacesystems.ru/bussines/navigation/glonass/interfeysnyy-kontrolnyy-dokument). Во-вторых, используемые в работе глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) ГЛОНАСС в настоящее время сигналы с частотным разделением и сигналы с кодовым разделением излучаются на близких частотах. Таким образом, спектральные составляющие сигналов с разным типом разделения оказываются в одной, сравнительно узкой полосе частот. Разделить такие сигналы и провести измерение их радиотехнических характеристик классическими радиотехническими методами не представляется возможным.
Наиболее близкими по технической сущности методами измерений мощности навигационных сигналов являются изложенные в статьях Власова И.Б., Гаврилова А.И., Кушнира А.А., Пельтина А.В., Семенова Д.В., Мыкольникова Я.В. «Оценка параметров радионавигационных сигналов, результаты ОКР «Метрология» // Тез. докл. VIII Международного симпозиума «Метрология времени и пространства», Менделеево: ФГУП «ВНИИФТРИ», 2016. С. 200-202. и Донченко С.И., Денисенко О.В., Харисова В.Н., Пельтина А.В., Павлова В.С, Карутина С.Н. «Технология мониторинга сигналов КА ГНСС с использованием метода временного накопления» // Вестник метролога. 2019. №4. С. 4-11., а также в патентах RU 2687512, RU 2751121 и RU 2582907.
Методы измерений, описанные в статьях, основаны на корреляционном анализе навигационного сигнала. Для их применения не требуется крупноапертурная антенная система, однако необходима информация о структуре сигнала, а именно знание псевдослучайных последовательностей (ПСП) дальномерных кодов навигационных сигналов. Согласно интерфейсным документам четырех мировых глобальных навигационных спутниковых систем на каждой несущей частоте с борта космического аппарата излучается несколько сигналов (в большинстве случаев два). Информация о структуре приведена только для одного сигнала, работа с остальными требует санкционированного доступа. Это означает, что корреляционные методы при использовании обычным потребителем, позволяют оценить мощность лишь одного навигационного сигнала из нескольких в диапазонах частот LI, L2, L3. Более того, эти методы принципиально не способны к определению мелких дефектов в структуре принимаемого сигнала во временной области (пропуск элементов ПСП, однократные или кратковременные сбои в работе передатчика космического аппарата и проч.), и определению помех в частотной области, а также требуют существенных вычислительных затрат.
Метод, приведенный в патенте RU 2687512, применяется при работе с направленной антенной системой. В тексте описания изобретения кратко описана процедура получения измерительной информации, а именно наблюдения космического аппарата во время его нахождения в зоне видимости наземной антенной системы. Более развернуто и с применением двух антенных систем и использованием информации об ослаблении сигналов в нижних слоях атмосферы похожий метод наблюдений приведен в описании изобретения RU 2751121. Методы не требуют информации о структуре ПСП дальномерного кода. Однако и в первом, и во втором случае измеряется суммарная мощность навигационных сигналов в диапазонах частот L1, L2, L3, а не парциальные мощности навигационных сигналов по-отдельности.
Метод, позволяющий измерить парциальные (т.е. частные, по-отдельности друг от друга) мощности сигналов, находящихся на одной несущей частоте, описан в RU 2582907. Метод предназначен для измерений в тракте и может применяться как при работе с крупноапертурной антенной системой, так и при использовании аппаратуры имитации навигационных сигналов (что было показано авторами). Однако метод позволяет измерить мощность только двух навигационных сигналов, находящихся на одной несущей частоте. Развитие ГНСС ГЛОНАСС в настоящее время направлено в сторону усложнения структуры навигационных сигналов, на добавление перспективных сигналов с кодовым разделением. Это означает, следующее поколение НКА будет излучать в диапазонах частот L1 и L2 не два, а четыре сигнала одновременно. Причем аппаратура, воспроизводящая этот набор сигналов в лабораторных условиях, уже разработана и введена в эксплуатацию.
Задачей изобретения является измерение парциальных (т.е. отдельных друг от друга) мощностей навигационных сигналов с частотным и кодовым разделением в условиях, когда все они одновременно излучаются в диапазоне L1 или L2 и их спектральные составляющие сосредоточены в сравнительно узкой полосе частот.
Поставленная задача решается благодаря измерению суммарной спектральной плотности мощности и суммарной мощности навигационных сигналов в полосе частот, разложению измеренной спектральной плотности мощности на парциальные спектральные плотности мощности навигационных сигналов, расчете весовых коэффициентов при разложении и умножении измеренной суммарной мощности сигналов на соответствующую комбинацию весовых коэффициентов.
Технический результат предложенного метода заключается в создании способа измерений парциальных мощностей сигналов с частотным и кодовым разделением без использования информации о структуре их ПСП на выходе крупноапертурной антенной системы или аппаратуры имитации навигационных сигналов.
Технический результат предложенного метода достигается путем наведения на НКА крупноапертурной антенной системы, приеме навигационных сигналов и измерении суммарной спектральной плотности мощности навигационных сигналов в полосе 30 МГц в диапазоне частот L1 или L2 и общей мощности сигналов в этой же полосе, разложении формы огибающей измеренной спектральной плотности мощности на фигуры огибающих спектральных плотностей мощности сигналов по-отдельности с соответствующими весовыми коэффициентами и вычислении парциальных мощностей путем умножения полученных весовых коэффициентов на измеренное значение суммарной мощности.
Способ осуществляется следующим образом:
j
На начальном этапе должны быть получены огибающие спектральных плотностей мощности каждого из навигационных сигналов по-отдельности, огибающие парциальных спектральных плотностей мощности S, где j - номер навигационного сигнала в диапазоне частот L1 или L2. Например, для ГНСС ГЛОНАСС j=1, 2, 3, 4, так как в диапазонах L1 и L2 присутствуют два сигнала с частотным разделением и два сигнала с кодовым. Сформировать навигационные сигналы по одному, отдельно от других можно двумя способами:
1. Выполнить моделирование сигнала согласно ИКД при помощи векторного генератора сигналов, указать соответствующие параметры воспроизводимого сигнала (несущая частота, тактовая частота модулирующей кодовой последовательности и другие).
2. Воспроизвести сигнал при помощи аппаратуры имитации навигационных сигналов утвержденного типа: сформировать сценарии (по одному для каждого сигнала), в которых орбитальная группировка состоит из единственного НКА, который излучает только один j-й сигнал из диапазона L1. Затем поочередно запускать выполнение разработанных сценариев.
k
Векторный генератор сигналов или аппаратура имитации навигационных сигналов должны быть непосредственно подключены к измерительной аппаратуре. При этом измерительная аппаратура (анализатор сигналов или анализатор спектра) настраивается следующим образом: центральная частота полосы обзора 1600 МГц при работе с сигналами диапазона L1 и 1245 МГц для диапазона L2, ширина полосы анализа П 30 МГц, ширина полосы фильтра промежуточной частоты не более 51 кГц, количество точек в полосе обзора N не менее 1001, число усреднений трассы - не менее 100. Таким образом спектральные составляющие сигнала должны быть измерены на частотах f в полосе П, где k=1, 2 … N. Мощность анализируемого сигнала в полосе П должна превышать мощность собственных шумов измерительной аппаратуры более чем на 20 дБ. Результаты измерений огибающей спектральной плотности мощности  в (дБ исх. 1 мВт)/Гц каждого из сигналов сохранить в цифровом виде. Рассчитать огибающие парциальных спектральных плотностей мощности в дБ/Гц по формуле:
Результаты вычислений  для каждого сигнала сохранить в цифровом виде.
Σ
Σ
j
Непосредственно на этапе измерений выполняются наблюдения НКА: крупноапертурная антенная система наводится по координатам космического аппарата на небосводе, принимаются навигационные сигналы в диапазоне частот L1 или L2. Измерительная аппаратура регистрирует огибающую суммарной спектральной плотности мощности S в полосе анализа П и измеряет суммарную мощность сигналов P в той же полосе. Настройки измерительной аппаратуры должны быть такими же, как во время записи парциальных S. Мощность сигнала на входе измерительной аппаратуры должна быть не менее чем на 20 дБ больше, чем мощность шумов измерительной аппаратуры и тракта антенной системы в полосе П. Аналогичным образом измеряются параметры сигналов от аппаратуры имитации навигационных сигналов, когда одновременно воспроизводится несколько сигналов с частотным и кодовым разделением. При этом сигнал от аппаратуры имитации подается на вход анализатора через МШУ с известным коэффициентом усиления.
Σ
j
На следующем этапе осуществляется математическая обработка полученных результатов измерений. Суммарная спектральная плотность мощности S раскладывается на S с весовыми коэффициентами ху Процедура разложения представляет собой реализацию метода наименьших квадратов, описанного, например, Kariya Т.; Kurata Н. Generalized Least Squares. Hoboken: Wiley, 2004. ISBN 978-0-470-86697-9. При решении задачи разложения составляется квадратная матрица коэффициентов А, элементы которой рассчитываются по формуле (1):
и вектор D, элементы которого рассчитываются по формуле (2):
Затем по формуле (3) рассчитывается вектор весовых коэффициентов X:
На заключительном этапе рассчитываются мощности навигационных сигналов по формуле (4):
Ниже приведены результаты апробации метода. В результате серии экспериментов были получены оценки погрешности измерений предложенным методом в диапазоне частот Ы(см. Таблицу 1). Эксперименты проводились для всех сочетаний несущих частот сигналов с частотным разделением (на всех литерных частотах ГНСС ГЛОНАСС) и сигналов с кодовым разделением.