Устройства обработки сигнала

Прием и обработка сигналов. Посланные со спутников сигналы несут информацию, необходимую для измерения дальностей и определения навигационных параметров (коор­динат, скоростей и точного времени), но сам процесс измерений проис­ходит в приемнике. Сейчас в мире число типов и модификаций приемни­ков исчисляется сотнями, в них применяются различные ухищрения, чтобы ослабить влияние искажающих факторов и в наибольшей степени удов­летворить требованиям различных категорий пользователей. Но, тем не менее, основной принцип измерений во всех навигационных приемни­ках общий, и все они состоят из радиотехнической части, обеспечиваю­щей прием сигнала, генератора частоты, микропроцессора, запоминаю­щего устройства и устройства управления.

Всенаправленная антенна приемника может быть совмещена с ним, либо выполнена в виде отдельного выносного блока, в котором размеща­ется также предварительный усилитель сигналов высокой частоты. Фа­зовый центр антенны и является той точкой, от которой измеряется рас­стояние до спутника. Усиленные сигналы поступают в радиочастотный блок, где происходит их демодуляция, в результате чего выделяется циф­ровая составляющая (измерительные коды и навигационное сообщение) и аналоговая (синусоидальная). На основе кварцевого генератора часто­ты, задающего внутреннюю шкалу времени приемника, воспроизводится сетка опорных сигналов подобных тем, что излучают спутники (шаблоны). Сопоставление принятых и опорных сигналов методом взаимной корреляции и дает возможность определить задержку сигнала на трассе, вычислить псевдодальности и искомые навигационные параметры.

Метод

Поскольку все спутники GPS передают сигналы на одной и той же паре несущих частот, в приемник поступает смесь сигналов всех спутни­ков, находящихся над горизонтом. В процессе обработке принятых сигна­лов нужно решить следующие задачи:

• выделить в потоке сигналов составляющие, относящиеся к конкрет­ным спутникам;

• разделить сигналы каждого спутника на кодовую последовательность, навигационное сообщение и чисто синусоидальную составляющую;

• определить временной сдвиг принятых сигналов по отношению к опор­ным.

•

Может показаться удивительным, но все эти три задачи, а также еще и некоторые вспомогательные, решаются одновременно и на основе одно­го общего метода корреляционной обработки принятого и опорного сиг­налов. Суть этого метода состоит в перемножении сравниваемых сигна­лов при помощи специального аналогового или цифрового устройства - коррелятора. На выходе этого устройства образуются нормированные сред­ние значения результата перемножения, фактически представляющие со­бой последовательность коэффициентов корреляции. Интервал усредне­ния здесь составляет 1-2 мс (напомним, что в одной миллисекунде укладывается 1023 тактовых импульса С/А-кода). Коэффициент корреля­ции, как известно, характеризует тесноту связи двух совокупностей слу­чайных величин, в нашем случае - степень «похожести» принятого и опорного сигналов. В приемнике поочередно генерируются и подаются на вход коррелятора опорные сигналы с кодовыми последовательностями разных спутников. В результате на его выходе выделяется только та со­ставляющая, которая коррелирует с поданным в данный момент опорным сигналом. При этом степень корреляции и, следовательно, уровень вы­ходного сигнала достигают максимума, если временное смещение между сравниваемыми сигналами близко к нулю. В процессе измерений с помо­щью плавной автоматической перестройки временной задержки опорно­го сигнала определяется то ее значение, при котором корреляция макси­мальна. Именно это значение считается временным сдвигом между принятым и опорным сигналами, по которому и вычисляется псевдодальность.

Строго говоря, поскольку кодовые последовательности не чисто слу­чайны, а через какой-то период повторяются, корреляционная обработка дает значения псевдодальностей с неопределенностью в целое число та­ких повторяющихся блоков (для С/А-кода - до 1 мс или, в пересчете на дальность, 300 км). Эта неопределенность снимается благодаря косвенной оцифровке повторяющихся блоков с помощью меток времени, со­держащихся в составе навигационного сообщения и несущих информа­цию о дате и точном времени. Метки времени привязаны к тактовым импульсам навигационного сообщения, когерентным с сигналами опор­ного генератора и со всеми другими спутниковыми сигналами.

Точность измерения описанным способом характеризуется погрешно­стью порядка 1° фазы сигнала или 0,3 % длительности периода, в данном случае - периода следования кодовых импульсов. Следова­тельно, для С/A-кода эта погрешность составляет около 3 нс, а для Р-кода - 0,3 нс, или, в пересчете на псевдодальность, 1 м и 0,1 м.

В точных геодезических приемниках реализовано еще измерение фа­зового смещения самой несущей частоты по отношению к опорному сигналу. Поскольку периоды несущих в 154 и 120 раз короче тактовых периодов кодовых последовательностей, такие измере­ния позволяют повысить точность определения псевдодальностей до миллиметрового уровня. При этом, правда, удается измерить только дробную часть цикла в фазовом смещении, а целое число длин волн в измеряемой дальности остается неизвестным. Но эта проблема разре­шается в ходе последующей совместной обработки измерений на двух или нескольких пунктах. Существуют, однако, и две чис­то технические проблемы: как выделить синусоидальную составляю­щую из общего кодированного сигнала и как надежно разделить сигна­лы несущей частоты отдельных спутников - ведь ее значение для всех спутников одинаково.

Для решения первой задачи нужно точно знать струк­туру кодовых последовательностей. Но даже если она неизвестна, есть простое и изящное решение - нужно лишь сквадратировать принятый сигнал, т.е. умножить его на самого себя, в результате чего модуляция исчезнет. Это легко понять из рассмотрения формул (5.1): коэффициенты C/A(t), P(t) и D(t) в них, равные +1 или -1, при возведении в квадрат становятся все равными единице. Существуют и другие методы выделения чисто синусоидаль­ных колебаний.

При решении задачи разделения несущих частот разных спутников используется тот факт, что вследствие движения спутников частоты принимаемых сигналов испытывают доплеровские смещения, разные для разных положений спутников и достигающих нескольких килогерц. Ина­че говоря, реально значения несущих частот принимаемых сигналов раз­ных спутников все-таки неодинаковы. В приемнике реализованы схемы автоподстройки частоты и фазы, которые корректируют опорные сигналы индивидуально для каждого спутника в соответствии с уравнениями его движения, чем и достигается селекция.

Вычислительное устройство приемника управляет его работой по за­данным программам и производит обработку кодовых измерений. Текущие результаты - координаты и скорость приемника, а также точное время, отображаются на дисплее и за­писываются в запоминающее устройство. Фазовые измерения не обраба­тываются, а лишь сохраняются в памяти.

Следящие измерители, предназначенные для оценки времени запаздывания сигналов РНС, выполняются в виде когерентных или некогерентных систем АПВ.

Примером когерентной АПВ может служить используемая в аппаратуре потребителей средневысотных СРНС следящая система, одна из возможных модификаций которой дана на рис. 14.10. Упрощенная структурная схема когерентной системы АПВ приведена на рис. 15.2. Ее особенностью является применение когерентного (синхронного) детектора. В качестве опорного колебания этого детектора используют напряжение , подаваемое от цепи ФАПЧ. В связи с тем что фаза опорного колебания совпадает с фазой сигнала , преобразование входного радиочастотного колебания в видеосигнал можно считать линейным.

Рис. 15.2

Рис. 15.3

С выхода когерентного детектора видеосигнал поступает на временной дискриминатор, управляемый опережающей и отстающей селектирующими последовательностями. Сигнал ошибки на выходе временного дискриминатора, а следовательно, и на выходе фильтра нижних частот пропорционален разности запаздываний . При достаточно малом сигнал ошибки пропорционален производной — и, следовательно, соответствует правилу (15.7). Сигнал ошибки поступает на петлевой фильтр, который имеет первый порядок астатизма. Оценку же динамических параметров (скорости, ускорения) осуществляют в цепи ФАПЧ и вводят в результирующую оценку РНП путем простого пересчета. С выхода петлевого фильтра управляющее воздействие поступает на исполнительное устройство, функции которого выполняет ГУН тактовой частоты . Тактовые импульсы подают на генератор кода, вырабатывающий две сдвинутые во времени друг относительно друга на А последовательности дальномерного кода, выполняющие функции селектирующих последовательностей в схеме временного дискриминатора. С генератора кода снимают также последовательность , время запаздывания которой и является оценкой в проанализированной системе АПВ.

Рассмотрим пример построения некогерентной АПВ (рис. 15.3). Входной сигнал , имеющий некоторый доплеровский сдвиг частоты и случайную фазу , поступает на умножители 1 и 2. Кроме того, на умножители подают опережающие и отстающие последовательности и . В спектрах, образующихся на выходах умножителей колебаний, содержатся составляющие частоты с амплитудами

где К — константа. Полосовые фильтры 1, 2 имеют равномерную в полосе доплеровских сдвигов частот амплитудно-частотную характеристику, форма которой близка к прямоугольной.

Так как полоса пропускания полосовых фильтров ограничена значением , внеполосные помехи оказываются отфильтрованными. Детектирование колебаний производят для выделения постоянных составляющих, пропорциональных и . Их разность является сигналом ошибки, который поступает на петлевой фильтр и далее на ГУН тактовой частоты и генератор кода .

Рассмотренные примеры систем АПВ иллюстрируют лишь основные принципы их построения. В различных модификациях аппаратуры потребителей РНС используют множество вариантов построения систем АПВ в аналоговом, цифро-аналоговом, цифровом аппаратном и программном исполнении.