Главная | Обратная связь

Подсистема аппаратуры потребителей.

Аппаратура потребителей (АП) предназначается для приема сигналов ИСЗ с целью выделения навигационного сообщения, измерения радионавигационных параметров и обработки полученных данных для определения координат подвижного объекта и составляющих скорости его движения, а также поправок по времени и по частоте к местному хранителю времени и опорному генератору.

Навигационно-временные определения выполняются военными потребителями для обеспечения решения боевых задач, гражданскими потребителями в интересах безопасного и наивыгоднейшего вождения объектов или их точной координатной привязки. Наряду с этим результаты навигационных определений смогут использоваться для контроля и управления движением объектов.

На рис. 2.41 изображена обобщенная структурная схема АП, в состав которой входят антенное устройство (антенна и блоки предусиления и управления антенной), приемное устройство (блоки преобразования и усиления, поиска сигналов, навигационных измерений и выделения навигационных сообщения, а также блок опорного генератора и синтезатора частот), вычислительное устройство (процессор и блок связей - интерфейс), блок управления и индикации, и блок питания. Такое условное представление АП облегчает пояснение принципа его работы.

Основными задачами, решаемыми АП, являются контроль работоспособности блоков и аппаратуры в целом; решение навигационных задач и оценка точности определений. К частным задачам относятся: выбор рабочего созвездия; расчет данных целеуказания; поиск и слежение за сигналами; выделение и декодирование навигационных сообщений, в том числе эфемеридной информации, а также альманаха по сигналам одного из ИСЗ; проведение навигационных измерений; расчет координат на момент навигационных измерений.

В зависимости от назначения в наиболее сложной АП могут производиться высоко точные определения координат места и составляющих скорости, а также поправок времени и частоты, а в наиболее простой – навигационные определения координат места с пониженной точностью. Для обеспечения высокоточных определений АП должна производить прием C/A- и P- сигналов на частотах и , а пониженной точности – C/A- сигналов на одной частоте .

После проверки работоспособности АП и ввода необходимого объема начальных данных первой рабочей операцией, выполняемой в аппаратуре, является выбор рабочего созвездия спутников. Решение этой задачи необходимо для определения радиовидимых спутников и выбора из них созвездия ИСЗ, позволяющего с минимальными значениями геометрического фактора производить навигационные определения.

Выбор рабочего созвездия спутников производится по данным действующего альманаха, приближенным координатам места потребителя к текущему времени в масштабе суток. При этом вычислитель производит пересчет альманаха на текущий момент времени с целью определения возможности радиовидимости каждого спутника.

Для выбора оптимального рабочего созвездия могут использоваться различные критерии, главный из которых – минимум дисперсий погрешностей навигационных определений. Однако необходимо при этом учитывать те вычислительные ресурсы (объем памяти, время вычислений и т.д.), которые имеются в АП для решения задачи выбора. Наиболее простая схема выбора состоит в том, что один из четырех ИСЗ выбирают вблизи зенита, а три других – как можно ближе к радиогоризонту с максимальным взаимным разносом. Зенитный спутник позволяет хорошо определять высоту объекта, а остальные – его плановые координаты. При выборе оптимального созвездия необходимо учитывать, что через небольшой интервал времени радиовидимость некоторых ИСЗ прекращается за счет выхода их за горизонт, поэтому такие спутники необходимо исключить из рассмотрения. Приходится считаться с тем, что со временем оптимальные геометрические соотношения нарушаются, и это приводит к необходимости возобновлять набор оптимального созвездия. Кроме того, при движении наземных потребителей по пересеченной местности некоторые из низкорасположенных ИСЗ будут выпадать из диаграммы направленности антенны. Для обеспечения надежных непрерывных навигационных определений необходимо учитывать возможность замены их предварительно выбранными спутниками из числа радионаблюдаемых.

Следующей операцией, выполняемой АП, является расчет для выбранных ИСЗ, данных целеуказания. Они рассчитываются для ускорения поиска сигналов ИСЗ и ввода в следящий режим измерителей радионавигационных параметров. Расчет этих данных производится по хранящемуся

 

 

 

 

Рис. 2.44. Обобщенная структурная схема АП.

 

 

в памяти альманаху и по приблизительным данным о собственных координатах и скорости объекта. При наличии приемной антенны с узкой диаграммой направленности следует, прежде всего, обеспечивать пространственный поиск сигналов ИСЗ. Для этого рассчитываются прогнозируемые значения угловых координат ИСЗ относительно антенны АП. При использовании ненаправленных или слабонаправленных антенн производится только временной поиск по задержке и частотный поиск по доплеровскому сдвигу частоты сигналов ИСЗ. В этом случае для ускорения поиска сигналов рассчитываются данные целеуказания – прогнозируемые значения квазидальности и радиальной квазискорости.

Поиск сигнала в заданной области разбивается по существу на две процедуры. Первая состоит в просмотре элементарных ячеек области поиска в определенном частотно-временном порядке с помощью устройства обнаружения. Вторая – в анализе параметров принимаемых колебаний на соответствие их параметрам данной элементарной ячейки и в принятии решения о наличии сигнала, соответствующего определенному решающему правилу. Вся процедура поиска сигнала заключается вначале в поиске по частоте и задержке C/A – сигнала, а затем, если необходимо, - в допоиске по задержке P – сигнала. В случае повышенной точности целеуказания может оказаться,

возможным производить поиск сразу по P – сигналу. Для проведения поиска в вычислителе рассчитываются априорные значения доплеровского сдвига частоты и задержки сигнала для каждого спутника рабочего созвездия. Эти данные позволяют настроить приемник. Расчет априорного значения доплеровского сдвига частоты необходим, поскольку в частоте, равной максимальному значению доплеровского сдвига 5 кГц (для медленно движущегося потребителя) или 11 кГц (для быстро движущегося потребителя), отношение сигнал / шум оказывается малым. Поэтому с целью более эффективного уменьшения времени поиска сигнала частотный диапазон поиска подразделяется поддиапазоны, а поиск производится последовательным просмотром поддиапазонов; начиная с наиболее вероятного, который определяется расчетом априорного значения доплеровского сдвига. Обычная процедура поиска после настройки приемника на нужный поддиапазон заключается в анализе уровня корреляции между кодом входного сигнала и местной копией C/A кода. Задержка местного C/A – кода медленно изменяется до тех пор, пока уровень, определяющий в основном корреляцией только с шумом. После установления факта обнаружения C/A– сигнала производится захват принимаемого сигнала схемами слежения за несущей частотой и за задержкой сигнала.

По окончании переходных процессов и установления режима слежения могут начинаться радионавигационные измерения и осуществляться синхронизация по битам, по словам, по началу блоков и кадра. После окончания синхронизации по кадру начинает в результате слежения за сигналом C/A на частоте автоматически устанавливаться нужная фаза местного генератора P- кода, что практически равносильно завершению поиска по задержке P– сигнала производится переключения в режим слежения поэтому сигналу.

Измерения квазидальности, выполняемые в аппаратуре потребителя, сводится к измерению моментов прихода сигналов, передаваемых со спутников, в шкале времени, создаваемой хранителем времени (часами) потребителя. Возможны два метода проведения таких измерений, отличающихся друг от друга способом фиксации момента измерения. В первом варианте измерения квазидальности проводятся в моменты времени, определяемые тем или иным состоянием кода. Во втором методе измерение квазидальности проводятся в моменты времени, определяемые часами времени потребителя. Хотя оба метода эквиваленты, между ними существуют различия, касающиеся построения отсчетных устройств аппаратуры и алгоритмов вычисления.

Следующим шагом в обработке информации является коррекция измеренных значений квазидальности поправками на влияние условий распространения в ионосфере и тропосфере. Ионносферная погрешность сильно зависит от времени суток, солнечной активности, геомагнитной широты потребителя и других факторов, определяющих условия распространения радиосигнала в ионосфере. При неблагоприятных условиях она достигает 30 м, хотя в среднем равна около 3 м. Простые модели АП не дают точной коррекции расчетным путем, поэтому коррекция ионосферной погрешности в высокоточной АП основывается на двух частотных измерениях квазидальности, что позволяет довести ошибку коррекции до 1 – 3 м.

Тропосферная погрешность корректируется расчетным путем без привлечения аппаратурных средств. При использовании сравнительно простой модели тропосферной рефракции, опирающейся на параметры стандартной атмосферы и учитывающей зависимость тропосферной погрешности от высоты над землей и угла места; расчеты позволяют уменьшить величину этой погрешности почти на порядок и свести ее до величины около 1 м.

Кроме того, должны быть введены поправки на уход часов спутника и на релятивистский эффект, для расчета которых в навигационном сообщении передается соответствующая информация. Остаточная ошибка коррекции ухода часов спутника не превышает 1 м.

Суммарная среднеквадратическая погрешность квазидальномерных измерений после введения указанных коррекций, определяемая квадратичным суммированием составляющих, равна

1,5 – 6 м при двухчастотном измерении по P – коду. Скорректированные измеренные квазидальности и данные принятого навигационного сообщения используются для определения координат потребителя.

В тех модификациях аппаратуры, где вместе с определением координат необходимо определять с высокой точностью составляющие вектора скорости движения потребителя, наряду с измерениями квазидальности проводятся измерения квазидоплеровского сдвига частоты. Практически это выполняется путем измерения приращения дальности (дельта псевдо дальности), на несущей частоте за определенный интервал времени, т.е. по существу измеряется не мгновенное, а усредненное за этот интервал времени значение квазидоплеровского сдвига частоты, которое затем корректируется подобно измеренной квазидальности. Суммарная среднеквадратическая погрешность квазидоплеровсих измерений после введения указанных коррекций при измерениях по C/A– или

P – коду равняется десятым долям герца.

В простейших типах АП в результате решения навигационной задачи определяются пространственные координаты потребителя, и поправка к шкале его времени. В этом случае используют четыре измеренные и скорректированные значения квазидальности для составления нелинейных уравнений с четырьмя неизвестными – тремя координатами потребителя и поправкой к шкале времени. Решение такой системы нелинейных уравнений может быть выполнено любым методом, достаточно удобным для реализации в вычислителе аппаратуры.

В сложных модификациях АП решение навигационной задачи выполняется фильтром Кальмана. Для достаточно подвижных объектов вектор его состояния, подлежащий оценке, обычно состоит из девяти компонентов, например из трех пространственных координат, трех составляющих скорости, ухода часов потребителя, отклонение частоты опорного генератора от номинала и высоты потребителя над уровнем моря. Вектор измерений может включать в себя: квазидальности, квазидоплеровские сдвиги частоты, а также значения высоты, скорости, значения ускорения и другие величины, полученные от тех или иных бортовых навигационных средств. Сложность фильтра Кальмана, размерность векторов состояния и измерений определяется во многом динамикой движения потребителя, требуемыми точностями навигационных определений и возможностями компенсирования с другими навигационными средствами. В каждом конкретном случае применения аппаратуры на том или другом типе потребителя учитываются особые требования, формирующие специфику используемого метода решения навигационных задач.

При решении навигационных задач производится оценка точности и достоверности полученных результатов. Для этой цели по специальным алгоритмам проводятся оценки измеренных и принятых данных и результатов определений с использованием априорной и избыточной информации, полученной в процессе навигационного сеанса.

Для удобства использования АП по целевому назначению предусмотрены решения сервисных задач, учитывающих то обстоятельство, что каждый потребитель предъявляет свои требования к выходной информации. Большинство потребителей, как правило, требуют широту, долготу, высоту над уровнем моря, в географической системе координат. Некоторым потребителям требуется выдавать ориентацию относительно заданной опорной точки. Для маршрутной навигации различных подвижных объектов желательны ортодрометрические координаты, используемые для формирования команд управления на основе информации о расстоянии и боковом отклонении и о времени движения до заданной точки маршрута. Так, например в самолетной АП на дисплее отображаются координаты места, составляющие скорости движения, поправка времени, расстояние до промежуточных пунктов, боковое отклонение от курса.