Приемник аппаратуры потребителей сигналов глобальных спутниковых навигационных систем
SIGNAL RECEIVER OF CONSUMER EQUIPMENT OF GLOBAL SATELLITE NAVIGATION SYSTEMS

Изобретение относится к области навигации по сигналам космических аппаратов (КА) глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) и может быть использовано для измерения группового времени задержки (ГВЗ) сигналов КА ГНСС ГЛОНАСС, GPS в приемно-усилительном тракте навигационной аппаратуры потребителей (ПАП) для учета ГВЗ в программно-математическом обеспечении НАЛ.
Известен приемник аппаратуры потребителей сигналов глобальных спутниковых радионавигационных систем (патент Российской Федерации №2195685), функциональная структура которого имеет общеизвестный тип построения. Приемник содержит блок калибратора. Основным недостатком данного устройства является измерение разности ГВЗ сигналов приемно-усилительного тракта на двух фиксированных частотах 1575,25 МГц и 1610 МГц. Учет измеренной разности ГВЗ сигналов в программно-математическом обеспечении НАЛ осуществляется в предположении, что ГВЗ сигналов от КА ГНСС ГЛОНАСС, которые излучаются на различных частотах, является постоянным. ГВЗ приемно-усилительного тракта НАЛ на рабочих частотах КА ГНСС ГЛОНАСС отличаются друг от друга, и это ограничивает значение потенциальной точности определения навигационных измерений и параметров.
Прототипом изобретения является приемник аппаратуры потребителей сигналов глобальных спутниковых навигационных систем (патент Российской Федерации №2416102).
Приемник-прототип содержит антенный блок, состоящий из одной антенны, вход которой является информационным входом приемника, и малошумящего усилителя, опорный генератор, первый и второй аналоговые тракты, цифровую часть, сумматор, первый и второй коммутаторы, имитационный тракт, содержащий последовательно соединенные усилитель и два смесителя, причем выход малошумящего усилителя соединен с первым входом сумматора, выход сумматора подключен к входу первого тракта РЧ первого аналогового тракта обработки сигналов СНС ГЛОНАСС и второго тракта РЧ второго аналогового тракта обработки сигналов СНС GPS, на второй вход сумматора поступает сигнал с выхода усилителя имитационного тракта. Первый и второй аналоговые тракты состоят из последовательно соединенных тракта РЧ, смесителя РЧ, тракта ПЧ1, смесителя ПЧ, тракта ПЧ2 и квантователя, а также синтезатора ВЧ и синтезатора ПЧ, подключенных соответственно к смесителю РЧ и смесителю ПЧ. Выход квантователя является информационным выходом приемника.
Приемник работает следующим образом. Сигналы навигационных спутников, принятые антенной, усиливаются малошумящим усилителем МШУ, далее сигналы поступают на вход сумматора. Для реализации задачи измерения разности ГВЗ в тракте обработки сигналов СНС GPS и на литерных частотах в тракте обработки сигналов СНС ГЛОНАСС на второй вход сумматора подают сигнал от встроенного имитационного тракта. Имитационный сигнал по команде управления от цифровой части приемника вместе с сигналом от МШУ подаются на входы идентичных аналоговых трактов обработки сигналов СНС GPS и ГЛОНАСС. В каждом из них на входе включен тракт РЧ, в которых входные сигналы усиливают и предварительно фильтруют на несущей радиочастоте. Затем радиочастоты дважды понижают гетеродинированием в смесителях РЧ, усиливают и фильтруют в трактах ПЧ1, подвергают повторному преобразованию частоты вниз с помощью смесителей ПЧ и трактов ПЧ2, где производят окончательные усиления и фильтрацию. Из трактов ПЧ2 аналоговые сигналы поступают в двухбитовые аналого-цифровые преобразователи - квантователи и далее в цифровую часть приемника. Гетеродинные сигналы для смесителя РЧ формируют синтезаторы ВЧ, а для смесителя ПЧ - синтезаторы ПЧ. Все синтезаторы синхронизируют общим опорным генератором приемника ОГ. Эти же синтезаторы переносят имитационные сигналы на несущие радиочастоты спутников (преобразование частоты вверх) в имитационном тракте смесителями через коммутаторы, переключающие (по командам управления от цифровой части) режим калибровки GPS или ГЛОНАСС.
Недостатком данного технического решения является невозможность измерения значения ГВЗ на рабочих частотах ГНСС GPS и ГЛОНАСС. Приемник-прототип измеряет разность групповых задержек частот навигационных систем GPS и ГЛОНАСС, принимая за опорный - сигнал системы GPS. Это возможно только при совместном приеме сигналов систем GPSh ГЛОНАСС.
Техническим результатом изобретения является повышение точности навигационных расчетов за счет исключения ошибок, возникающих из-за различного ГВЗ сигналов в радиоканале на различных литерных частотах ГЛОНАСС.
Технический результат достигается за счет того, что в приемник аппаратуры потребителей (АП) сигналов ГСНС, содержащий антенный блок (АБ), вход которого является входом приемника АП сигналов ГСНС, состоящий из последовательно соединенных приемной антенны и малошумящего усилителя, выход которого является выходом АБ, аналоговый тракт обработки сигналов спутниковых навигационных систем (АТОС СНС), состоящий из синтезатора высокой частоты (С ВЧ), синтезатора промежуточной частоты (С ПЧ), а также последовательно соединенных тракта радиочастоты, вход которого является входом АТОС СНС, смесителя радиочастоты, гетеродинный вход которого соединен с выходом С ВЧ, первого тракта промежуточной частоты, смесителя промежуточной частоты, гетеродинный вход которого соединен с выходом С ПЧ, второго тракта промежуточной частоты и аналого-цифрового преобразователя, выход которого является выходом АТОС СНС, опорный генератор (ОГ), выход которого соединен с входами С ВЧ и С ПЧ, дополнительно введены узел ввода сигнала калибровки (УВСК), блок обработки сигналов и управления (БОСУ), а также система калибровки (СК), содержащая частотно-генерирующее устройство (ЧТУ) и устройство измерения приращения фазы (УИПФ), гетеродинные входы которого соединены с соответствующими одноименными выходами ЧТУ. При этом АТОС СНС выполнен с возможностью одновременного приема сигналов СНС ГЛОНАСС и GPS, БОСУ выполнен с возможностью управления работой и частотным планом СК, ЧТУ выполнено формирующим М сигналов калибровки и N сигналов гетеродинов на отличных друг от друга частотах, УИПФ выполнено вычисляющим разность фаз сигналов калибровки, выбираемых таким образом, чтобы на соседних частотах изменение разностей фаз сигналов калибровки, для которых должно быть определено групповое время задержки, не превышало по модулю значения π и, кроме того, разница соседних частот была минимальной. Выход АБ соединен со входом УВСК, выход которого соединен со входом АТОС СНС, выход которого соединен с сигнальными входами СК и БОСУ. Управляющий выход последнего соединен с одноименным входом СК, гетеродинный вход которой соединен с выходом С ВЧ, сигнальный выход - с одноименным входом УВСК, а информационный выход - с одноименным входом БОСУ, информационный выход которого является выходом приемника АП сигналов ГСНС. Управляющий и гетеродинный входы СК являются соответственно одноименными входами ЧТУ, сигнальный выход СК является одноименным выходом ЧТУ, сигнальный вход СК - одноименным входом УИПФ, а информационный выход - одноименным выходом УИПФ.
ЧТУ содержит синтезатор частот (СЧ), многоканальный сумматор (МС), цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), смеситель (СМ), а также генератор сдвига (ГС), при этом гетеродинный вход СЧ соединен с одноименным входом ЧТУ, управляющий вход - с одноименным входом ЧТУ, гетеродинные выходы - с одноименными выходами ЧТУ, выходы сигналов калибровки СЧ соединены с соответствующими одноименными входами МС, выход которого соединен с входом ЦАП, аналоговый выход которого соединен с одноименным входом СМ, сигнальный выход которого соединен с одноименным выходом ЧТУ, а гетеродинный вход - с первым гетеродинным выходом ГС, управляющий вход которого соединен с одноименным входом ЧТУ, а второй гетеродинный выход - с одноименным входом СЧ.
УИПФ содержит N квадратурных смесителей (КС), N фильтров нижних частот (ФНЧ) и многоканальное устройство измерения фазы (МУИФ), при этом гетеродинные входы КС соединены с соответствующими гетеродинными входами УИПФ, сигнальные входы - с одноименным входом УИПФ, а выходы - с соответствующими входами ФНЧ, выходы которых соединены с соответствующими входами МУИФ, выход которого является информационным выходом УИПФ.
Изобретение поясняется схемами и графиками, приведенными на фиг. 1÷8.
На фиг. 1 представлена функциональная схема приемника аппаратуры потребителей сигналов глобальных спутниковых навигационных систем.
На фиг. 2 представлена функциональная схема частотно-генерирующего устройства.
На фиг. 3 представлена функциональная схема устройства измерения приращения фазы.
На фиг. 4 представлена функциональная схема частного случая исполнения приемника АП сигналов ГСНС с системой калибровки, использующей в качестве сигнала калибровки композитный сигнал, состоящий из смеси двух сигналов калибровки.
На фиг. 5 представлена схема формирования когерентных сигналов и гетеродинов, а также разностной частоты методом прямого цифрового синтеза.
На фиг. 6 представлены сигналы, формируемые в схеме по фиг. 5 на выходе многоканального сумматора ЧТУ и на его входе.
На фиг. 7 представлены графики изменения фазы в схеме формирования разностной частоты.
На фиг. 8 представлен частотный план (спектральное распределение мощности S от частоты ω) схемы измерения разности полных фаз компонент сигнала калибровки на выходе аналогового тракта обработки сигналов спутниковых навигационных систем по фиг. 4.
Приемник аппаратуры потребителей сигналов ГСНС (фиг. 1) содержит антенный блок 1, состоящий из последовательно соединенных приемной антенны 1.1 и малошумящего усилителя 1.2, выход которого соединен с входом узла ввода сигнала калибровки 2, выход которого соединен с входом аналогового тракта 3 обработки сигналов спутниковых навигационных систем, состоящего из последовательно соединенных тракта радиочастоты 3.1, вход которого соединен с входом АТОС СНС 3, смесителя радиочастоты 3.2, первого тракта промежуточной частоты 3.3, смесителя промежуточной частоты 3.4, второго тракта промежуточной частоты 3.5 и аналого-цифрового преобразователя 3.6, выход которого соединен с выходом АТОС СНС 3. Кроме того, АТОС СНС 3 содержит синтезатор высокой частоты С ВЧ 3.7, выход которого соединен с гетеродинным входом смесителя радиочастоты 3.2, и синтезатор промежуточной частоты С ПЧ 3.8, выход которого соединен с гетеродинным входом смесителя промежуточной частоты 3.4. Приемник АП сигналов ГСНС также содержит опорный генератор 4, выход которого соединен с входами С ВЧ 3.7 и С ПЧ 3.8, блок обработки сигналов и управления 5, а также систему калибровки 6, содержащую частотно-генерирующее устройство 6.1 и устройство измерения приращения фазы 6.2, гетеродинные входы которого соединены с соответствующими одноименными выходами ЧТУ. Выход АТОС СНС 3 соединен с сигнальными входами СК 6 и БОСУ 5. Управляющий выход последнего соединен с одноименным входом СК 6, гетеродинный вход которой соединен с выходом С ВЧ 3.7, сигнальный выход - с одноименным входом УВСК 2, а информационный выход - с одноименным входом БОСУ 5, информационный выход которого является выходом приемника АП сигналов ГСНС. Управляющий и гетеродинный входы СК 6 являются соответственно одноименными входами ЧТУ 6.1, сигнальный выход СК 6 является одноименным выходом ЧТУ 6.1, сигнальный вход СК 6 - одноименным входом УИПФ 6.2, а информационный выход - одноименным выходом УИПФ 6.2.
ЧТУ (см. фиг. 2) содержит синтезатор частот 6.1.1, многоканальный сумматор 6.1.2, ЦАП 6.1.3, смеситель 6.1.4, а также генератор сдвига 6.1.5, при этом гетеродинный вход СЧ 6.1.1 соединен с одноименным входом ЧТУ 6.1, управляющий вход - с одноименным входом ЧТУ 6.1, гетеродинные выходы - с одноименными выходами ЧТУ 6.1. Выходы сигналов калибровки СЧ 6.1.1 соединены с соответствующими одноименными входами МС 6.1.2, выход которого соединен с входом ЦАП 6.1.3, аналоговый выход которого соединен с одноименным входом СМ 6.1.4. Сигнальный выход СМ 6.1.4 соединен с одноименным выходом ЧТУ 6.1, а гетеродинный вход - с первым гетеродинным выходом ГС 6.1.5, управляющий вход которого соединен с одноименным входом ЧТУ 6.1, а второй гетеродинный выход с одноименным входом СЧ 6.1.1.
УИПФ (см. фиг. 3) содержит N квадратурных смесителей 6.2.1.1 - 6.2.1.N, N фильтров нижних частот 6.2.2.1 - 6.2.2.N и многоканальное устройство измерения фазы 6.2.3, при этом гетеродинные входы КС 6.2.1.1 - 6.2.1.N соединены с соответствующими гетеродинными входами УИПФ 6.2, сигнальные входы - с одноименным входом УИПФ 6.2, а выходы - с соответствующими входами ФНЧ 6.2.2.1 - 6.2.2.N. Выходы ФНЧ 6.2.2.1 - 6.2.2. N соединены с соответствующими входами МУИФ 6.2.3, выход которого является информационным выходом УИПФ 6.2.
Частный случай приемника АП сигналов ГСНС (фиг. 4) с системой калибровки, использующей в качестве сигнала калибровки - композитный сигнал, состоящий из смеси двух сигналов калибровки, содержит антенный блок 1, УВСК 2, АТОС СНС 3, ОГ 4, БОСУ 5, СК 6. При этом СК 6 состоит из ЧТУ 6.1, использующего для формирования когерентных сигналов калибровки, сигналов гетеродинов и разностной частоты метод прямого цифрового синтеза, схемотехнические решения которого представлены на фиг. 5.
Т
0
1
1
2
2
1
1
2
1
2
1
2
Схемотехническое решение метода прямого цифрового синтеза, представленного для формирования когерентных сигналов калибровок на фиг. 5, имеет классическое построение и содержит регистр, на который приходит код частоты по управляющему входу ЧТУ 6.1 от БОСУ 5, аккумулятор фазы, состоящий из сумматора с обратной связью, управляемый заданной частотой (то есть кодом частоты 1 регистра) и накапливающий приращение фазы с каждым тактом системной частоты синхронизации ω, формируемой посредством деления частоты ω ГС на коэффициент P. Размер приращения фаз ϕ и ϕ (фаза ϕ формируется арифметическим умножением приращения фазы ϕ на константу n) определяют выходные частоты системы. Когда аккумулятор фазы переполняется, цикл повторяется, делая процесс вывода непрерывным. Выходы аккумуляторов фазы (т.е. ϕ и ϕ) управляют адресами синус - и косинус - поисковых таблиц, которые содержатся в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). Каждый адрес в поисковой таблице соответствует фазовой точке синусоидального сигнала от 0° до 360°. Поисковая таблица содержит соответствующую информацию амплитуды для одного законченного цикла сигнала. Поэтому поисковая таблица отображает информацию от аккумулятора фазы в цифровом значении амплитуды (cosω и cosω), далее выходные сигналы ПЗУ cosω и cosω следуют на вход МС 6.1.2.
1
2
На фиг. 6 представлены изменения нормированных входных сигналов cosω, cosω и нормированного выходного сигнала Σ МС 6.1.2 схемы формирования когерентных сигналов калибровок методом прямого цифрового синтеза во временной области.
2
3
R
R
R
R
Схемотехническое решение системы формирования сигнала разностной частоты (фиг. 5) содержит две схемы, реализующие метод прямого цифрового синтеза для приращений фаз ϕ и ϕ, работающие аналогично описанию выше, и устройство вычитания Δ. Для приведения вычисленной разности фаз ϕ с устройства вычитания Δ к диапазону положительных значений фаз [0÷2π] используется алгоритм, суть которого состоит в том, что отрицательные значения разности фаз ϕ посредством арифметического суммирования с константой 2π переводятся в положительные значения, соответствующие значению приведенной разности фаз . Приведенная разность фаз  поступает на вход ПЗУ, где хранятся синус - и косинус - поисковые таблицы. Каждый адрес синус - и косинус - поисковых таблиц, соответствующий определенному значению , хранит значение амплитуды сигнала разностного гетеродина cosω, sinω, далее полученные значения амплитуды поступают на вход УИПФ.
2
3
R
На фиг. 7 показано изменение фазы системы формирования разностной частоты от входных частот, действующих на эту систему. На рисунке а) фиг. 7 показаны изменение фазы ϕ и ϕ (выходы аккумуляторов фазы системы формирования разностной частоты фиг. 4) во временной области. На рисунке б) фиг. 7 показано изменение разностной фазы ϕ (выход устройства вычитания Δ системы формирования разностной частоты фиг. 4) во временной области. На рисунке в) фиг. 7 показано изменение приведенной разностной фазы  (выход устройства поиска минимума системы формирования разностной частоты фиг. 4) во временной области.
УИПФ, представленное на фиг. 4, функционально выполнено в виде квадратурного демодулятора с алгоритмом измерения фазы - алгоритм Cordic. Каждый из КС 1 и КС 2 формирует на основе принятых квадратурных компонент сигналов гетеродинов сами сигналы гетеродинов, которые после перемножения с выходным сигналом АТОС СНС 3 формируют компоненты сигналов калибровки на нулевой промежуточной частоте с последующей их фильтрацией ФНЧ 1 и ФНЧ 2 и передачей сформированных сигналов в МУИФ, где с помощью алгоритма Cordic производится расчет разности полных фаз полученного сигнала. Измеренное значение разности полных фаз Δϕ компонент сигналов калибровки поступает на вход БОСУ, где производится учет полученных значений для дальнейших навигационных измерений.
01
02
0
Г
Г1
Г2
Г1
Г2
На фиг. 8 представлен частотный план схемы измерения разности полных фаз компонент сигнала калибровки на выходе АТОС СНС 3 (на фиг. 4 указаны под индексами а), б), в), г), д) точки съема сигналов). На фиг. 8 под индексом а) изображен сформированный ЧТУ композитный сигнал калибровки S, состоящий из компонент S и S, относительно гетеродинного сигнала ГС (ω) и суммы сигналов ω=ω+ω (ω - С ВЧ, ω - С ПЧ). На фиг. 8 под индексом б) изображен композитный сигнал калибровки S на выходе АТОС СНС 3, перенесенный гетеродинированием на промежуточную частоту. На фиг. 8 под индексами г) и д) показано формирование цифровых гетеродинов G1, G2 для дальнейшего переноса компонент композитного сигнала калибровки S на «нулевую» частоту, что показано на фиг. 8 под индексом в).
АТОС СНС 3 предназначен для фильтрации и усиления радиочастотного сигнала, преобразования его в сигнал промежуточной частоты, дальнейшей фильтрации на промежуточной частоте и формирования цифрового сигнала. Аналоговая часть тракта приема представляет собой супергетеродинный приемник с двукратным преобразованием частоты, выполнена по классической схеме и обеспечивает усиление и преобразование входного сигнала, поступающего из приемной антенны.
01
02
0n
1
2
n
Заявляемое устройство работает следующим образом. Сигналы навигационных спутников, принятые приемной антенной 1.1 (см. фиг. 1), поступают на вход малошумящего усилителя 1.2, где усиливаются в диапазоне частот сигналов ГЛОНАСС и GPS, дальше транзитом через УВСК 2 приходят на тракт радиочастоты 3.1, где происходит повторное усиление до нужного уровня мощностей для последующей обработки. С тракта радиочастоты 3.1 сигналы поступают на вход смесителя радиочастоты 3.2, где происходит перенос спектра сигналов с несущей частоты на первую промежуточную частоту посредством гетеродинного сигнала синтезатора высокой частоты 3.7, после происходит их усиление в первом тракте промежуточной частоты 3.3, далее происходит перенос спектра сигналов навигационных спутников на вторую промежуточную частоту в смесителе промежуточной частоты 3.4 посредством гетеродинного сигнала с выхода синтезатора промежуточной частоты 3.8 и с последующим усилением в тракте промежуточной частоты 3.5 и переводом из аналогового в цифровой вид представления информационного сигнала в АЦП 3.6. Для реализации задачи измерения ГВЗ в аналоговом тракте 3 обработки сигналов СНС на сигнальный вход УВСК 2 подают сигнал от ЧТУ 6.1. Сигнал с выхода ЧТУ 6.1 является композитным сигналом радиочастот сигналов калибровки, которые выбираются таким образом, чтобы на соседних частотах изменение полной фазы сигналов калибровки на выходе аналогового тракта 3 обработки сигналов СНС не превышало по модулю значения π. Композитный сигнал калибровки S представляет собой аддитивную смесь n когерентных сигналов на частотах ω, ω, …, ω. Составляющие сигнала калибровки S формируются частотным переносом спектра когерентных сигналов на частотах ω, ω, …, ω в рабочую полосу радиоканала.
БОСУ 5 задает режим работы ЧТУ 6.1 для измерения ГВЗ на литерных частотах навигационных сигналов ГНСС ГЛОНАСС и частоте системы GPS, а также в любой момент времени осуществляет контроль ГВЗ аналогового тракта 3 обработки сигналов СНС приемника АП.
В УИПФ 6.2 происходит обработка сигнала калибровки с целью измерения разности полных фаз компонент композитного сигнала при помощи цифрового квадратурного демодулятора.
Рассмотрим частный случай измерения ГВЗ сигналов КА ГСНС в аналоговом тракте 3 обработки сигналов СНС с помощью композитного сигнала, состоящего из смеси двух сигналов калибровки (фиг. 4).
Отметим, по определению групповое время задержки сигнала на круговой частоте ω в радиоканале равно:
здесь ϕ(ω) - фаза сигнала на выходе АТОС СНС 3 на частоте ω, а соответственно dϕ(ω) - бесконечно малое приращение фазы сигнала на выходе АТОС СНС 3 при бесконечно малом приращении частоты сигнала равном dω, или в конечных разностях:
где Δϕ - приращение фазы сигнала на выходе АТОС СНС 3 при изменении круговой частоты сигнала ω на входе АТОС СНС 3 на величину равную Δω.
Г1
1
2
R
На ЧТУ 6.1 поступают сигнал генератора ω и сигналы управления от БОСУ 5. Частотно-генерирующее устройство 6.1 формирует композитный сигнал калибровки S, поступающий на вход радиоканала, и когерентные сигналы гетеродинов частот ω и ω, а также сигнал разностной частоты ωдля устройства измерения приращения фазы 6.2. Измеренные значения приращений фазы поступают в БОСУ 5, где производится расчет группового времени задержки АТОС СНС 3 на соответствующих частотах и учет его при обработке сигнала.
В УИПФ 6.2 производится попарная обработка выходных сигналов аналогового тракта 3 обработки сигналов СНС с целью измерения разности полных фаз сигналов калибровки. В силу общеизвестных обстоятельств измерение разностей полных фаз носит циклический характер. Исключение неоднозначности измерения приращения фазы обеспечивается выбором частот компонент сигнала калибровки, для которых выполняется условие:
01
0
1
02
0
2
где ω=ω+ω, ω=ω+ω - несущие частоты обрабатываемых сигналов;
1
2
τ, τ - групповое время задержки сигнала на соответствующих частотах.
Отметим, что условие (2) уточняет требование корректности вычислений по выражению (1) в части максимальной величины приращения по частоте.
Компоненты сигнала калибровки должны быть связаны между собой соотношением:
1
1
1
1
1
где  - полная фаза сигнала на частоте ω равная =ωt+ϕ,
1
2
2
ϕ - начальная фаза,  - полная фаза сигнала на частоте ω.
В аналоговой форме реализовать формирование компонент, для которых выполняется условие (3), довольно сложно. Проще и эффективнее эту зависимость компонент реализовать в цифровой форме, используя методы прямого цифрового синтеза сигналов, например способом, показанным на фиг. 5.
1
2
1
Входные сигналы ω, ω и выходной сигнал Σ сумматора системы формирования когерентных сигналов калибровок методом прямого цифрового синтеза представлены на фиг. 6 для начальной фазы первой компоненты ϕ=10° и коэффициенте n=3.
01
02
Принцип измерения группового времени задержки заключается в измерении набега фазы сигнала при изменении частоты от ω до ω и его связи с групповым временем задержки выражением:
02
01
при выполнении условий, что частоты сигналов мало отличаются друг от друга (ГВЗ для них одинаково), и справедливо соотношение |ω-ω|τ≤π.
Рассмотрим алгоритм измерения ГВЗ сигнала на примере функциональной схемы частного случая исполнения приемника АП сигналов ГСНС с системой калибровки, приведенного на фиг. 4, и использования композитного сигнала калибровки из двух компонент.
1
2
1
2
0
1
2
Сигнал калибровки представляет собой композитный сигнал: сумму двух компонент S и S на частотах ω и ω, спектр которого перенесен ГС 6.1.5 в рабочую полосу частот радиоканала по частоте на величину переноса равную ω. Пусть отношение частот ω и ω равно:
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
1
тогда компоненты сигнала калибровки, поступающие на вход АТОС СНС 3 через УВСК 2, имеют частоты (ω+ω) и (ω+nω), а начальные фазы в соответствии с (3) соответственно равны (ϕ+ϕ) и (ϕ+nϕ), здесь ϕ - начальная фаза генератора сдвига, а ϕ - начальная фаза компоненты сигнала калибровки на частоте ω.
Г
0
1
Г
Г1
Г2
Г
Г1
Г2
Композитный сигнал через УВСК 2 поступает на вход аналогового тракта 3 обработки сигналов СНС, в котором происходит его усиление и частотное преобразование. После частотного преобразования производится выделение сигнала на промежуточной частоте, равной разности частот сигнала калибровки и гетеродина. Рассмотрим нижнюю настройку гетеродина при частотном преобразовании, то есть случай, когда ω<(ω+ω), где ω=ω+ω - частота гетеродина, а ϕ=ϕ+ϕ- начальная фаза гетеродина радиоканала. Сигнал гетеродина представляет собой сумму сигналов синтезатора высокой частоты 3.7 и синтезатора промежуточной частоты 3.8. Отметим, что последующие выводы могут быть сделаны без потери общности при произвольной настройке гетеродина. В результате спектр композитного сигнала калибровки переносится на вторую промежуточную частоту.
Выходной сигнал калибровки S на выходе АТОС СНС 3 представляет собой сумму двух гармоник, имеющих частоты и фазы равные:
1
сигнал S после частотного преобразования имеет частоту
и фазу
k
сигнал S после частотного преобразования имеет частоту
и фазу
З1
0
1
где ϕ - величина дополнительного набега фазы сигнала за счет группового времени задержки сигнала в аналоговом тракте 3 обработки сигналов СНС на частоте (ω+ω);
З2
0
1
ϕ - величина дополнительного набега фазы сигнала за счет группового времени задержки сигнала в аналоговом тракте 3 обработки сигналов СНС на частоте (ω+nω).
Сигнал калибровки на выходе аналогового тракта 3 обработки сигналов СНС имеет вид:
Рассмотрим формирование в ЧТУ 6.1 сигналов гетеродинов для реализации частотного плана, который позволит измерить разности полных фаз двух компонент контрольного сигнала за счет перевода частот компонент контрольного сигнала после преобразования на одну частоту. Это можно осуществить, выбирая частоты гетеродинов в соответствии с частотным планом, показанным на фиг. 8, при этом должна быть обеспечена строгая когерентность гетеродинов и компонент сигнала калибровки.
Для реализации плана преобразования по частоте, когда компоненты сигнала калибровки приводятся на равные частоты и возможно измерение разности фаз между сигналами, необходимо использовать схему формирования строго когерентных гетеродинов, при этом они должны иметь верхнюю или нижнюю настройку относительно компонент сигнала калибровки на промежуточной частоте.
Частота цифрового гетеродина устройства измерения приращения формируется в соответствии с выражением:
Ц
0
Г
ω=ω-ω,
фаза его равна:
Ц
0
Г
0Ц
ϕ=ϕ-ϕ+ϕ,
0Ц
здесь ϕ - начальная фаза цифрового гетеродина.
0
Г
Ц
0
Г
Частота цифрового гетеродина должна быть равной разностной частоте генератора сдвига ω и гетеродина радиоканала ω:ω=ω-ω. Выход этого гетеродина должен быть строго когерентным относительно образующих его гетеродинов. Формирование цифрового гетеродина, как отмечалось выше, достаточно просто реализовать в цифровой форме, используя методы прямого цифрового синтеза сигналов. Одна из возможных схем его реализации показана на фиг. 5.
Работа предлагаемой схемы проиллюстрирована графиками на фиг. 7.
На фиг. 7 показаны под индексами:
(а) - выходы аккумуляторов фазы,
(б) - выход арифметического устройства вычитания фаз,
(в) - разность фаз после приведения ее к интервалу [0, 2π].
Ц
0
Г
На выходе схемы формирования разностной частоты - квадратурные составляющие цифрового гетеродина разностной частоты ω=ω-ω.
Далее в соответствии с выражениями
sin(α+β)=sinαcosβ+cosαsinβ,
cos(α+β)=cosαcosβ-sinαsinβ
G1
G2
формируются квадратуры сигналов гетеродинов G1, G2 с частотами равными ω, ω, где их значения равны (это соответствует переносу компонент сигнала калибровки на «нулевую» частоту):
Очевидно, что фазы гетеродинов будут равны:
G1
G2
Сигнал с выхода радиоканала поступает на два квадратурных смесителя, которые осуществляют формирование квадратур композитного сигнала частотным преобразованием с промежуточной частоты на нулевую при помощи сигналов гетеродинов, частоты которых равны ω, ω, с последующей фильтрацией фильтрами нижних частот.
Преобразование осуществляется в цифровом виде по формулам:
sin(α-β)=sinαcosβ-cosαsinβ,
cos(α-β)=cosαcosβ+sinαsinβ.
При представлении выходного сигнала в виде выражения (9) на входе фильтров после первого квадратурного смесителя квадратурные компоненты имеют вид:
после второго квадратурного смесителя:
С учетом выражений (5-8) и (10-11) выражения (12) и (13) принимают вид:
После процедур фильтрации сигналы на выходах фильтров равны:
Очевидным образом из (14) и (15) следует:
З2
З1
Значения (16) позволяют рассчитать величину приращения фазы сигнала равную Δϕ=ϕ-ϕ через круговой арктангенс от значений,
определяемых выражением (16) (например, используя алгоритм Cordic для расчета функции арктангенса).
1
С учетом того, что Δω=(n-1)ω, выражение для группового времени задержки через приращения фазы и частоты примет вид:
0
1
0
1
отметим, что определенное таким образом значение ГВЗ сигнала в радиоканале относится к середине частотного интервала (ω+ω, ω+nω), то есть:
Расчет в блоке обработки сигналов и управления значений группового времени запаздывания сигнала и учет его в программно-математическом обеспечении НАП решает поставленную задачу повышения потенциальной точности определения навигационных измерений и параметров.