Устройство определения степени частотно-селективных замираний навигационных радиосигналов спутниковых радионавигационных систем

Полезная модель относится к спутниковой навигации, а также может быть использована в информационно-измерительных системах. Устройство позволяет получить оценку степени частотно-селективных замираний в условиях прохождения навигационного радиосигнала через ионосферные неоднородности. Достигаемым техническим результатом является повышение точности оценки степени частотно-селективных замираний навигационных радиосигналов в условиях искусственных возмущений ионосферы.

Область техники, к которой относится полезная модель

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к навигационной аппаратуре потребителей спутниковых радионавигационных систем, а также может быть использована в системах мониторинга состояния ионосферы.

Уровень техники

В спутниковых радионавигационных системах (СРНС) точность определения потребителем своих пространственно-временных координат (ПВК) зависит от точности определения псевдодальности до всех навигационных космических аппаратов (НКА) и от геометрии взаимного расположения потребителя и НКА.

Наибольший вклад в погрешность определения псевдодальностей до НКА вносят ионосферные погрешности. Известно, что ионосфера является неоднородной средой. Существующие ионосферные неоднородности Меняются во времени и зависят от различных факторов. Человеческая деятельность может привести к возникновению искусственных возмущений ионосферы (ИВИ), которые будут характеризоваться образованием мелкомасштабных ионосферных неоднородностей с размерами L_m=1м, L ₀=10⁴ ми максимальной средней электронной концентрацией (ЭК) . Это приведет к сильному возрастанию среднего квадратичного отклонения (СКО) флуктуации ЭК в неоднородностях ионосферы _N, что обусловит сужение ширины полосы когерентности F_k трансионосферного канала связи вследствие рассеивающих свойств ионосферных неоднородностей [Пашинцев В.П., Солчатов М.Э., Гахов Р.П. Влияние ионосферы на характеристики космических систем передачи информации: Монография. - М.: Физматлит, 2006. - 184 с.].

Полное значение полосы когерентности AF^=2F^ будет сужаться по мере увеличения _N,. В этом случае будет выполняться условие F_k=2F_k>1 (где F₀ - ширина спектра навигационного радиосигнала) возникновения частотно-селективных замираний (ЧСЗ) принимаемых радиосигналов СРНС. Возникновение ЧСЗ приводит к большим погрешностям определения псевдодальностей (_Di=10²10³ м) и, как следствие, большой погрешности позиционирования

Величина погрешности определения псевдодальности при ИВИ зависит от параметров навигационного сигнала и степени ЧСЗ этого сигнала (F₀/F_K):

где - отношение средней энергии принимаемого НРС к спектральной плотности мощности шума (N₀);

с - скорость распространения радиоволн в вакууме;

F₀/F_K - степень ЧСЗ навигационного радиосигнала.

Для определения степени ЧСЗ радиосигнала необходимо найти значение полной полосы когерентности трансионосферного канала связи (F_k), которое определяется выражением:

где h - высота ионосферы;

_N - СКО флуктуации ЭК в неоднородностях ионосферы;

L_m, L₀ - минимальный и максимальный масштаб ионосферных неоднородностей соответственно (от 10° до 10⁴ м);

h_Э - эквивалентная толщина ионосферы;

- угол места трассы распространения НРС (угол места НКА).

Параметры ионосферных неоднородностей (_N, L_m, L₀) являются неизвестными случайными величинами, а, следовательно, точное определения полосы когерентности и степени ЧСЗ на практике затруднительно.

Для приблизительных оценок величины полосы когерентности сначала измеряют величину полного электронного содержания (ПЭС) на трассе распространения сигнала (7) в соответствие с выражением [Nisner P., Trethewty V., GPS Ionospheric Determinations Using LI Only// Proceeding of the 5^th International conference on "Differential Satellite Navigathion System". Additional Volume, St. Peterburg, Russia, May, 1996]:

где D_к=c·t_к и D_ф=c·t_ф - псевдодальности измеренные по коду и по фазе;

t_к и t_ф - время распространения сигнала, измеренное по коду и по фазе.

Имея ряд оценок ПЭС, проведенных за интервал времени Г, можно получить значение СКО полного электронного содержания ионосферы:

где -математическое ожидание величины ПЭС.

Затем рассчитывают величину СКО флуктуации ЭК концентрации в неоднородностях ионосферы:

где _S400600 м - характерный масштаб ионосферных неоднородностей.

Зная величину _N, по формуле (2) определяют значение полосы когерентности, а затем рассчитывают степень ЧСЗ радиосигнала.

При таком подходе к определению степени ЧСЗ необходимо измерять величину ПЭС ионосферы.

Известно устройство измерения полного электронного содержания ионосферы [GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли / Э.Л.Афраймович, Н.П.Перевалова - Иркутск: ГУ НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМП, 2006. - 480 с.].

Данное устройство представляет из себя одночастотный Навигационный приемник с двухэтапной обработкой данных [Сетевые спутниковые радионавигационные системы / B.C.Шебшаевич, П.П.Дмитриев, Н.В.Иванцевич и др.; Под ред. B.C.Шебшаевича. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1993. - 408 с.: ил. - ISBN 5-256-00174-4; ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / Под ред. А.И.Петрова, В.Н.Харисова. Изд. 3-е, перераб. - М.: Радиотехника, 2005, - 688 с.], связанный по сети Internet с сервером SOPAC [ftp://sopac.ucsd.edu] и удаленной электронной вычислительной машинной (ЭВМ).

Навигационный приемник проводит кодовые и фазовые измерения псевдодальности до навигационных космических аппаратов (НКА). Эти измерения, а также результаты решения навигационной задачи преобразуются в формат RINEX [http://igscd.gpl.nasa.gov:80/ igscd/data/format] и по каналу связи Internet поступают на сервер SOPAC, где происходит их накопление, хранение и выдача по запросу ЭВМ.

В электронной вычислительной машине, в соответствии с формулой (3) происходит расчет ПЭС и, далее, определение степени ЧСЗ радиосигнала.

Также известно устройство измерения ПЭС ионосферы при одночастотном режиме работы систем спутниковой навигации [Патент на полезную модель 76462 от 20.09.08]. Отличие состоит в том, что вместо навигационного процессора введен блок вычисления ПЭС, в котором с интервалом 0,05 секунд, в соответствие с выражением (3) рассчитывается значение ПЭС. При этом устройство не связано с сервером SOPAC, a вычисленное значение ПЭС отображается в устройстве вывода информации.

Недостатками данных устройства являются:

- большое количество ручной работы (включая ручной выбор станций на сервере SOPAC) и длительное время обработки данных, вследствие чего оперативное определение ПЭС невозможно;

- необходимость передачи большого объема информации по каналам сети Internet;

- невозможность точного определения полосы когерентности трансионосферного канала связи, так как отсутствует априорная информация об интенсивности и масштабах ионосферных неоднородностей (_N, L₀, L_m).

Раскрытие полезной модели

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемой полезной модели, сводится к повышению точности (определения степени частотно-селективных замираний навигационных радиосигналов в СРНС. Указанный технический результат достигается тем, что в навигационный приемник добавлен блок определения полосы когерентности, состоящий из n полосовых частотных фильтров, n/2 умножителей, n/2 интеграторов, n/2 решающих устройств и блока принятия решения. В блоке принятия решения широкополосный навигационный радиосигнал (НРС) делится на частотные составляющие, а затем проверяется условие коррелированности симметричных относительно средней частоты спектра частотных составляющих между собой. На выходе блока определения полосы когерентности получают сигнал, на основании которого в навигационном процессоре определяется ширина полосы когерентности трансионосферного канала связи, используемая для нахождения степени ЧСЗ принимаемого радиосигнала.

Навигационный радиосигнал с шириной спектра F₀ делится полосовыми фильтрами на частотные составляющие с шагом (фигура 1) в течение промежутка времени Т=1 сек. Таким образом, выделяются составляющие спектра f_-n,f_-1,f₀,f₁,f_nf_-nf_n, симметричные относительно средней частоты спектра f₀. Затем определяется коэффициент корреляции между симметричными частотными составляющими: f₁ и f_-1; f₂ и f_-2; ; f_n и f_-n согласно выражения:

где P(f_k) - мощность сигнала на частотной составляющей f_k;

- среднее за период времени Т значение мощности на частотной составляющей f_k.

Корреляционная функция навигационного радиосигнала имеет вид:

При выполнении условия возникновения ЧСЗ F₀/F_k=1 значение модуля корреляционной функции становится равно .

Если значение |K(F₀)|>0.37 на всем интервале F₀, то условие возникновения ЧСЗ для такого НРС не выполняется - график 1 (фигура 1). Разнос частот, при котором достигается значение |K(F₀)=0.37, определяет ширину полосы когерентности канала связи F_k - график «2» (фигура 1). Полное значение ширины полосы когерентности будет равно F_k=2F_k.

Выбор шага разложения спектра сигнала проводится из соображений точности, с которой необходимо измерить величину F_k, и количества полосовых фильтров, необходимых для разложения исходного навигационного радиосигнала на спектральные составляющие.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 приведен принцип деления навигационного радиосигнала на частотные составляющие. Здесь. F₀ - ширина спектра сигнала; P(f) - мощность сигнала; f_-n,f_-1,f₀,f₁,f_n - частотные составляющие радиосигнала; - шаг разложения спектра сигнала.

На фиг.2 приведена зависимость модуля коэффициента корреляции от разноса частот навигационного сигнала.

На фиг.3 приведена схема предлагаемого устройства определения степени частотно-селективных замираний навигационного радиосигнала. Здесь цифрами обозначены: (1) - антенный блок; (2) - радиочастотный блок; (3) - синтезатор частот; (4) - аналого-цифровой процессор; (5) - навигационный процессор; (6) - блок определения полосы когерентности; (7-16) - полосовые частотные фильтры; (17-21) - умножители; (22-26) -интеграторы; (27-31) - решающие устройства; (32) - блок принятия решения; (33) - блок индикации и контроля.

Осуществление полезной модели

Устройство, позволяющее определять степень ЧСЗ навигационного радиосигнала (F₀/F_K), а также вектор ПВК потребителя в условиях возникновения ИВИ предлагается реализовать на базе навигационного приемника с двухэтапной обработкой данных (фигура 3).

Принцип работы данного устройства заключается в следующем: антенный блок (1) принимает электромагнитные колебания, излучаемые НКА. С выхода антенного блока напряжение u_вх(t) поступает на вход радиочастотного блока (2). Синтезатор частот (3) формирует набор гармонических колебаний, необходимых для работы радиочастотного блока (2), аналого-цифрового процессора (4) и навигационного процессора (5). Аналого-цифровой процессор (4) производит поиск и слежение за параметрами сигнала (фазовым t_ф и кодовым t_к временем распространения сигнала), а также выделяет навигационное сообщение, передаваемое с частотой 20 Гц. Выделенное навигационное сообщение, кодовые и фазовые измерения псевдодальности аналого-цифровой процессор передает на вход навигационного процессора (5). Параллельно, с выхода радиочастотного блока (2) сигнал поступает на вход блока определения полосы когерентности (6). В блоке определения полосы когерентности (6) радиосигнал частотными полосовыми фильтрами (7-16) делится на частотные составляющие.

Симметричные относительно средней частоты спектра частотные составляющие поступают на вход умножителей (17-21). С выхода умножителей произведение частотных составляющих поступает на вход интеграторов (22 - 26), где рассчитывается скалярное произведение двух симметричных частотных составляющих f_k и f_-k(k=1n), поступающее на вход решающих устройств (27-31). В решающих устройствах (27-31) определяется коэффициент корреляции выделенных симметричных частотных составляющих НРС за период времени Т и вырабатывается соответствующий этому коэффициенту сигнал, поступающий на вход блока принятия решения (32). В блоке принятия решения (32) строится корреляционная функция и вырабатывается сигнал, позволяющий определить значение полосы когерентности канала связи, который поступает в навигационный процессор (5), где определяется степень ЧСЗ принимаемого НРС. На вход навигационного процессора поступают данные со всех блоков определения полосы когерентности, число которых равно числу каналов в НАП. Для удобства на фигуре 5 изображен лишь один блок определения полосы когерентности (6) с количеством полосовых фильтров равным n=10. В навигационном процессоре (5) производится расчет степени ЧСЗ радиосигнала, определение погрешности измерения псевдодальности до каждого из НКА, решается задача выбора рабочего созвездия НКА из числа видимых, декодирование навигационных сообщений, в том числе альманаха и эфемеридной информации, решение навигационной задачи с выдачей координат и параметров движения объекта на блок индикации и контроля (33).

Таким образом, предлагаемое устройство позволит определять степень частотно-селективных замираний принимаемого радиосигнала при априорно неизвестных параметрах возмущенной ионосферы непосредственно в навигационном приемнике. Это, в свою очередь, приведет к повышению точности позиционирования в условиях возникновения искусственных возмущений ионосферы.

Устройство определения степени частотно-селективных замираний навигационных радиосигналов спутниковых радионавигационных систем, включающее в себя антенный блок, соединенный с входом радиочастотного блока; радиочастотный блок соединенный с выходом синтезатора частот и со входом аналого-цифрового процессора; синтезатор частот, формирующий набор гармонических колебаний, необходимых для работы радиочастотного блока, аналого-цифрового процессора и навигационного процессора, в который поступают фазовые и кодовые оценки времени распространения сигнала с выхода аналого-цифрового процессора, отличающееся тем, что параллельно с аналого-цифровым процессором добавлен блок расчета полосы когерентности, состоящий из n полосовых частотных фильтров, n/2 умножителей, n/2 интеграторов, n/2 решающих устройств и блока принятия решения, в котором вырабатывается сигнал, поступающий на вход навигационного процессора, на основании которого определяется ширина полосы когерентности трансионосферного канала связи, используемая для определения степени частотно-селективных замираний принимаемого навигационного радиосигнала.