СПОСОБ КООРДИНИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ, ПЕРЕДАВАЕМЫХ РАДИОМАЯКАМИ
METHOD FOR COORDINATED PROCESSING OF SIGNALS TRANSMITTED BY BEACONS

Настоящее изобретение относится к способу обработки сигналов, передаваемых радиомаяками, принимаемых разными независимыми подэлементами модуля сбора. Оно, в частности, применимо для точного и надежного определения местоположения аварийных радиомаяков спутниковой системой.
Одной из известных систем определения местоположения аварийных радиомаяков является система MEOSAR (поисково-спасательная служба средней земной орбиты), которая является спутниковой системой на средней земной орбите, используемой для поиска и спасения. Она содержит:
- передающие сигналы радиомаяки, местоположение которых должно быть определено;
- спутники-ретрансляторы на средней земной орбите (которые могут быть спутниками, используемыми в геолокационной и навигационной системе, системе, которая часто обозначается аббревиатурой GNSS, обозначающей Глобальную систему спутниковой навигации);
- независимые модули обработки на Земле или станции, иногда также называемые как MEOLUT (локальные терминалы пользователя средней земной орбиты);
- центр для координирования модулей обработки на Земле, иногда называемый как MTCF, что означает комплекс координации и слежения MEOLUT.
Центр для координирования модулей обработки на Земле дает возможность содействовать в программировании антенн разных модулей, для того чтобы улучшать покрытие и общую эффективность сети модулей, в частности, когда модули оборудованы несколькими антеннами (как имеет место с некоторыми станциями MEOLUT).
Аварийный радиомаяк SAR (поисково-спасательный) наблюдается одновременно несколькими спутниками, которые улавливают сигналы, которые он передает, и повторно передают их на станции на Земле. Эти станции на Земле демодулируют сообщения радиомаяка, закодированные в этих сигналах, затем измеряют времена поступления (TOA) сигналов, а также сдвиг частоты, которому подвергнуты эти сигналы (FOA, что означает частота поступления) из-за эффекта Доплера, для того чтобы определять положение радиомаяка.
Однако отношение сигнал/шум принятых сигналов не всегда является достаточным, чтобы давать станциям возможность анализировать их, для того чтобы определять местоположение радиомаяка или даже для того чтобы определять содержание его сообщения. Таким образом, даже когда достаточное количество спутников - обычно четыре спутника - было способно передавать сигналы радиомаяка, TOA и FOA не могут определяться для всех этих сигналов, что препятствует определению положения радиомаяка.
Ухудшение отношения сигнал-шум может быть по сути разнородным и, в частности, вызываться окружающей средой радиомаяка во время передачи, распространением в атмосфере, используемым спутником-ретранслятором и окружающей средой станции MEOLUT при приеме.
Одна из целей настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить средство для детектирования сигналов, передаваемых радиомаяком, более надежным и более точным образом, чем у известных систем. Для этой цели предметом изобретения является способ демодуляции сигнала, несущего сообщение, переданное наземным радиомаяком, исполняемый системой, содержащей созвездие спутников, выполненных с возможностью детектирования упомянутого сигнала и его повторения в направлении приемных станций на Земле, и модуль анализа, выполненный с возможностью приема сигналов с упомянутых станций, причем способ отличается тем, что каждая приемная станция передает сигналы, которые она принимает со спутника, в модуль анализа, причем упомянутый модуль перестраивает упомянутые сигналы относительно друг друга по частоте и/или по времени, комбинирует перестроенные сигналы для формирования синтетического сигнала, имеющего улучшенное отношение сигнал/шум, и определяет содержание упомянутого сообщения и/или параметры модуляции упомянутого синтетического сигнала.
По одной из реализаций способа демодуляции согласно изобретению сигнал, передаваемый радиомаяком, начинается с чистой несущей, при этом этап взаимного перестроения сигналов содержит фазу поиска этой чистой несущей посредством поиска разности по частоте между сигналами, принимаемыми станциями, для которой результат корреляции между упомянутыми сигналами становится ближайшим к сигналу чистой несущей.
По одной из реализаций способа демодуляции согласно изобретению сигнал содержит синхрослово, при этом этап взаимного перестроения сигналов содержит фазу поиска разностей по времени и частоте между сигналами посредством выполнения расчета корреляции над синхрословом.
По одной из реализаций способа демодуляции согласно изобретению формируется дубликатный сигнал из определенных параметров демодуляции, и упомянутый дубликатный сигнал сравнивается с сигналами, принятыми станциями на Земле, для того чтобы определять измерения времени и частоты поступления сигнала.
По одной из реализаций способа демодуляции согласно изобретению модуль анализа широковещательно передает на по меньшей мере одну станцию сформированный оптимальный дубликатный сигнал.
По одной из реализаций способа демодуляции согласно изобретению по меньшей мере одна приемная станция принимает сигнал, переданный одним и тем же спутником, через несколько разных антенных каналов, при этом приемная станция выбирает из упомянутых каналов сигнал, снабженный наилучшим отношением сигнал/шум, перед его передачей в модуль анализа.
По одной из реализаций способа демодуляции согласно изобретению модуль анализа широковещательно передает на по меньшей мере одну станцию параметрическую характеристику сигнала радиомаяка (двоичное содержание, индекс модуляции, скорость передачи битов, время нарастания бита, фазовую модель бита) вместо полного сигнала.
Еще одним предметом изобретения является способ определения местоположения передающего сигнал наземного радиомаяка, в котором исполняются этапы способа демодуляции, описанного выше, при этом способ определения местоположения также содержит этап анализа упомянутых параметров для определения местоположения радиомаяка.
Еще одним предметом изобретения является система определения местоположения радиомаяка, передающего сигнал, переданный наземным радиомаяком, отличающаяся тем, что она содержит модуль анализа, выполненный с возможностью исполнения этапов вышеупомянутого способа определения местоположения.
По одной из реализаций системы определения местоположения согласно изобретению система содержит средство для координации станций, выполненное с возможностью программирования и координации ориентаций антенн модулей, при этом модуль анализа совместно расположен с упомянутым средством координации, причем модуль анализа сконфигурирован, чтобы совместно использовать те же самые антенны для передачи на приемные станции, что и средство координации. Этот вариант осуществления дает возможность уменьшить средство передачи, используемое для связи с приемными модулями. Координационный центр иногда обозначается аббревиатурой «MTCF», что означает комплекс координации и слежения MEOLUT.
Согласно еще одному варианту осуществления системы определения местоположения согласно изобретению система содержит средство связи между станциями, и модуль анализа совместно расположен с одной из упомянутых станций.
Согласно еще одному варианту осуществления системы определения местоположения согласно изобретению система содержит средство связи между станциями, и модуль анализа совместно расположен в каждой из упомянутых станций.
Другие признаки станут понятными из прочтения последующего подробного описания, приведенного в качестве неограничивающего примера, данного в свете прилагаемых чертежей, которые представляют собой:
- фиг. 1, иллюстрацию системы согласно изобретению;
- фиг. 2, схему, иллюстрирующую этапы способа согласно изобретению.
Фиг. 1 иллюстрирует систему согласно изобретению. Система 100 содержит созвездие спутников 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, движущихся по средневысотной орбите (на высоте порядка 22000 км), приемные антенны 111, 112, распределенные по разным точкам на поверхности Земли - в этом примере станции MEOLUT (локального терминала пользователя средней земной орбиты), и координационный центр 120 для станций. Более того, в отличие от систем предшествующего уровня техники, система согласно изобретению содержит модуль 150 анализа.
Когда радиомаяк на Земле, например радиомаяк SAR (поисково-спасательный), передает сигналы, они принимаются спутниками созвездия, которые действуют в качестве приемопередатчиков, повторно передавая принятые сигналы на Землю. В качестве примера, радиомаяк SAR принимает форму модуля, передающего периодический сигнал каждые 50 секунд на несущей с частотой, приблизительно равной 406 МГц.
Каждая приемная станция 111, 112 на Земле содержит одну или более антенн 131, 132, 133, 134, 141, 142, 143, 144, которые сконфигурированы, чтобы улавливать сигналы, переданные спутниками созвездия, которые в заданный момент находятся в поле видимости станции. Таким образом, сигналы с радиомаяка на Земле передаются на станции 111, 112 через спутники созвездия. Предпочтительно, по меньшей мере четыре спутника, которые приняли сигналы, переданные радиомаяком, находятся в пределах поля видимости одной и той же станции 111, 112, так что измерения определения местоположения радиомаяка могут выполняться посредством анализа времен поступления сигналов и доплеровского сдвига частоты, испытанного сигналом.
В примере по фиг. 1, если радиомаяк наблюдается первым спутником 101, вторым спутником 102, третьим спутником 103 и пятым спутником 105, местоположение этого радиомаяка может определяться первой станцией 111. Подобным образом, если радиомаяк наблюдается первым спутником 101, пятым спутником 105, седьмым спутником 107 и восьмым спутником 108, местоположение этого радиомаяка может определяться второй станцией.
Координационный центр 120 дает возможность конфигурировать антенны станций 111, 112, с тем чтобы оптимизировать шансы приема сигналов радиомаяка на этих станциях 111, 112. Для передачи команд на станции 111, 112 этот координационный центр 120 также содержит средство связи, дающее ему возможность поддерживать связь со станциями 111, 112.
Модуль 150 анализа содержит вычислительное средство, которое не представлено на чертеже, и средство связи со станциями 111, 112, также не представленное. Модуль 150 анализа способен к приему сигналов и к передаче сигналов на станции 111, 112. Он играет центральную роль в реализации способа согласно изобретению, так как он дает возможность из нескольких сигналов радиомаяка, принятых станциями 111, 112, комбинировать эти сигналы, для того чтобы создавать точную модель сигнала, переданного радиомаяком. Преимущественно, модуль 150 анализа совместно использует средство связи, такое как антенны, с координационным центром 120, с тем чтобы уменьшать объем оборудования, необходимого для реализации способа согласно изобретению.
Фиг. 2 иллюстрирует этапы способа согласно изобретению. На первом этапе 201, сигналы с радиомаяка, полученные с разных спутников 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, действующих в качестве ретранслятора, детектируются станцией или станциями 111, 112.
Каждый из сигналов подвержен влиянию характерного временного сдвига, в частности на расстоянии между станцией 111, 112, которая его принимала, и спутником, который его передавал, и сдвига частоты, также называемого доплеровским сдвигом, который в частности зависит от скорости смещения спутника, который передавал сигнал, относительно станции 111, 112, которая принимала его. Поскольку положение спутников-ретрансляторов и положение станций 111, 112 известны, эти задержки и сдвиги частоты известны. Однако задержки и сдвиги частоты, которые подобным образом возникают в тракте восходящей линии связи между радиомаяком и спутником, неизвестны, поскольку неизвестно положение радиомаяка.
На втором этапе 202, эти станции 111, 112 корректируют сигнал задержки и доплеровского сдвига, созданный каналом нисходящей линии связи, чтобы воссоздать сигнал таким, каким он принимался на борту спутника, только со сдвигами из-за канала восходящей линии связи. Эти станции затем передают эти сигналы в модуль 150 анализа.
На третьем этапе 203, модуль 150 анализа взаимно перестраивает упомянутые сигналы.
В качестве примера, форма волны выбранного сигнала является формой волны сигналов, переданных радиомаяком SAR. Этот тип сигнала начинается с сигнала в виде чистой частоты, которая сопровождается синхрословом, которое сопровождается содержанием сообщения, несомого сигналом. Согласно первому этапу 231 перестроения чистая частота переданного сигнала отыскивается посредством корреляции принятых сигналов друг с другом, в области поиска сдвигов частоты. Сдвиг частоты, соответствующий корреляции, для которой чистая частота появляется наиболее отчетливо, указывает доплеровскую разность между сигналами.
Сложение сигналов, повторно переданных несколькими спутниками и/или несколькими станциями, дает возможность уменьшать шум, поскольку последние фактически являются по меньшей мере частично независимыми. Фактически, если промежуточный спутник отличен, направление передачи и атмосферное распространение восходящей линии связи является другим, а потому декоррелированным; если спутник идентичен, но приемная станция является иной, такая же декорреляция будет в это время появляться во время фазы нисходящей линии связи сигнала. Если отличны и спутник, и станция, эти два выигрыша складываются друг с другом.
Проверка 232 затем исполняется для оценки, дал ли вышеупомянутый способ возможность надежно определять чистую частоту, используемую в сигнале, передаваемом радиомаяком. Например, если уровень корреляционного пика находится ниже предварительно определенного порогового значения, считается, что разность по частоте между сигналами определить невозможно. Если эту чистую частоту было невозможно определить, исполняется второй этап 233, чтобы вновь искать разности по времени и частоте между сигналами по синхрослову. По завершении этого этапа 233 взаимные разности по времени и частоте сигналов определены, так что становится возможным перестраивать их.
На четвертом этапе 204, перестроенные сигналы агрегируются логически последовательным образом по времени и по частоте, чтобы выработать результирующий сигнал, для которого увеличено отношение сигнал/шум. По одной из реализаций способа согласно изобретению только часть, соответствующая содержанию сообщения, переносимого сигналом, учитывается на этом этапе агрегации (в частности, не принимая во внимание синхрослово). По завершении этого этапа, таким образом, есть сигнал, несущий сообщение, для которого увеличено отношение сигнал/шум.
На пятом этапе 205, вышеупомянутый результирующий сигнал демодулируется, или определяются по меньшей мере его параметры модуляции, этими параметрами, например, являются время нарастания бита (или в более общем смысле, характеристическая форма битов), индекс модуляции и скорость передачи битов.
На шестом этапе 206, формируется дубликат демодулированного сигнала. Этот дубликат имеет форму, близкую к сигналу, передаваемому радиомаяком; в идеале, он соответствует точной форме сигнала, передаваемого радиомаяком.
На седьмом этапе 207, дубликат демодулированного сигнала сравнивается с сигналами, принятыми станциями 111, 112, с тем чтобы определять корреляцию (опережение-запаздывание) времени поступления (TOA) и сдвига частоты (или FOA, что означает частота поступления) сигналов, принимаемых на каждой из станций, для каждого спутника в поле видимости этой станции. Таким образом, по завершении этого этапа получена пара (TOA, FOA) для каждой пары (станции, видимого спутника).
На восьмом этапе 208, вышеупомянутые времена поступления и доплеровские сдвиги анализируются для определения положения радиомаяка согласно методикам, известным специалисту в данной области техники.
Согласно примерному способу, описанному на фиг. 2, все этапы, начиная с этапа 203 перестроения, выполняются в модуле 150 анализа. По еще одной реализации способа согласно изобретению операции обработки могут быть по-другому распределены между модулем 150 анализа и станциями. В частности, если первая станция 111 преуспела в демодуляции сигнала, не требуя этапа 203 модуля 150 анализа, сигнал, тем не менее, может передаваться в модуль 150 анализа, который, посредством прибавления к нему соответствующего сигнала, принятого со второй станции 112, будет получать дубликат лучшего качества, а потому будет способен получать большую точность на последующих этапах.
Подобным образом, по одной из реализаций способа согласно изобретению, можно, для того чтобы минимизировать полосу пропускания, организовывать, чтобы станции больше не передавали сигналы в модуль анализа, а только параметрическую характеристику - демодулированное сообщение или характеристики дубликата - характеристику модуляции, скорость передачи битов, индекс, фазовую модель (например, в виде последовательности фазовых отсчетов или характеристического полинома, такого как Фурье, Чебышева, Лагранжа). В этом случае, станция использует параметры, принятые с нескольких станций для создания идеального набора параметров, дающего станциям возможность самим восстанавливать дубликат из этих параметров.
Должно быть отмечено, что одна и та же станция 111, 112 может принимать одни и те же сигналы с одного и того же спутника на нескольких разных антеннах, если эти антенны сконфигурированы (например, правильно ориентированы), чтобы быть способными улавливать сигналы с этого спутника. В этом случае преимущественно выполняется выбор сигнала, который имеет наилучшее отношение сигнал/шум, для восстановления дубликата.
По одной из реализаций способа согласно изобретению обработка также может различаться по станциям 111, 112. Например, в случае, где модуль 150 анализа близко связан с двумя станциями 111, 112 (то есть соединен с линией связи, дающей возможность обмениваться сигналам), но менее близко связан с третьей станцией (не представлена) (то есть соединен с линией связи, которая предоставляет возможность обмениваться только параметрами), он может передавать на эту третью станцию параметры дубликата, полученного за счет измерений на первых двух станциях 111, 112 (или по меньшей мере наилучшего из дубликатов, полученных на первых двух станциях).
По одной из реализаций способа согласно изобретению модуль 150 анализа встроен непосредственно в одну из приемных станций 111, 112, или в каждую из станций 111, 112, так что каждая станция 111, 112 может реализовывать этапы 203-208, описанные выше, комбинируя сигналы, которые она приняла сама, с сигналами, принятыми другими станциями, которые они повторно передали на нее.
Способ согласно изобретению дает возможность улучшать детектирование и улучшать точность определения местоположения радиомаяков, таких как радиомаяки SAR (поисково-спасательные), за счет операций обработки, выполняемых модулем анализа, собирающим сигналы, принятые несколькими станциями, в частности, посредством использования избыточности сигналов, полученных в пределах видимости одного и того же радиомаяка несколькими приемными станциями на Земле.
Система согласно изобретению предлагает несколько преимуществ. В системе согласно предшествующему уровню техники, если отношение сигнал/шум на станциях является недостаточным, то местоположение радиомаяка не определяется никакой станцией, тогда как с системой согласно настоящему изобретению можно, тем не менее, добиваться успешного детектирования посредством комбинирования дубликатов. К тому же, независимо от решения, используемого для детектирования (индивидуальная обработка на станции или комбинационная обработка), комбинация сигналов в любом случае дает возможность улучшать качество дубликатов сигналов и качество измерений TOA и FOA, а потому и определения местоположения.