Анализ погрешностей спутниковой радионавигационной системы работающей в дифференциальном режиме (стр. 6 из 21)

Рис. 2.3. Структурная схема аппаратуры потребителя

Полосовой фильтр осуществляет фильтрацию сигналов в полосе частот

МГц. На выходе блока имеется радиочастотный соединитель, к которому подключается коаксиальный кабель, соединяющий АБ с радиочастотным трактом.

Радиочастотный тракт навигационного приемника является многоканальным устройством, в котором, как отмечалось выше, проводится аналоговое усиление сигналов, фильтрация и преобразование несущей частоты сигналов ИСЗ (понижение частоты), а также преобразование аналогового сигнала в цифровую форму. Так как в СРНС ГЛОНАСС сигнал от каждого из спутников имеет свою несущую частоту, то каждый канал должен быть настроен на частоту сигнала одного из ИСЗ и селектировать частоты сигналов других ИСЗ. Схема такого приемника приведена на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Радиочастотный тракт навигационного приемника

Одним из принципиальных моментов разработки навигационного приемника является выбор частотного плана. Под частотным планом подразумевается выбор частоты задающего генератора, частот гетеродинирования и дискретизации для того, чтобы минимизировать уровень паразитных гармоник, возникающих в схеме из-за различных нелинейностей и шумов и влияния цифровой части приемника.

Для этого предварительно выбирают частоту задающего генератора, промежуточные частоты и частоты гетеродиниривания, а затем определяют характеристики фильтров и коэффициенты усиления каскадов. Далее анализируют получившуюся архитектуру и выявляют все нелинейные элементы, в результате работы которых могут возникать гармоники, попадающие в спектр сигнала. Варьируя промежуточные частоты, частоту дискретизации, характеристики смесителей, усилителей и фильтров, подбирают конфигурацию, обеспечивающую оптимальный прием сигнала, при котором в спектре обрабатываемого сигнала от нелинейных преобразований появляются только дальние гармоники; эти гармоники малы и не оказывают серьезного влияния на сигнал.

Кроме этого, частоту дискретизации выбирают кратной частоте задающего генератора и всем промежуточным частотам.

Выбор числа уровней квантования в аналого-цифровом преобразователе (АЦП) определяется, в основном, типом помех на входе приемника. Если основным видом помех является белый гауссовский шум, то возможно применение малоуровневого квантования вплоть до бинарного. Если помеха узкополосная стационарная, то необходимо большее число уровней квантования.

В приведенной схеме использовано трехкратное понижение частоты сигналов (используется и двукратное понижение частоты). Первое понижение частоты до уровня

проводится, для всех принятых сигналов, смесителем СМ₀. После общего усиления и фильтрации сигналов усилителем промежуточной частоты УПЧ₀с полосой пропускания для совмещенной АП , сигнал поступает в Nканалов, в каждом из которых проводится второе преобразование частоты (до значения ), ориентированное на прием сигнала от конкретного ИСЗ. Полосу пропускания канального УПЧ выбирают таким образом, чтобы выделялся сигнал одного из спутников и селектировались сигналы других. Третье понижение частоты проводят до уровня .

Опорные сигналы, поступающие на смесители, формируются синтезатором частот СЧ из опорной частоты

опорного генератора ОГ. Управление работой синтезатора частот осуществляется по сигналам, поступающим от навигационного вычислителя. Опорный генератор – это устройство, во многом определяющее качество работы АП в целом. От ОГ в значительной степени зависят такие параметры, как время получения первого отсчета, точность определения координат потребителя, надежность, уровень потребления энергии, масса и габариты аппаратуры.

На выходе приемника аналоговые сигналы частоты

в АЦП преобразуются в цифровую форму.

Коррелятор выполняет одну из основных задач. Для оценки координат и вектора скорости потребителя необходимо измерить радионавигационные параметры сигнала: задержку распространения и доплеровское смещение частоты. Эти параметры нужно измерить для сигналов, приходящих от каждого спутника.

Теория оптимальной фильтрации позволяет решить эту задачу в общем виде. На выходе оптимального фильтра получаем оценку измеряемого параметра. Однако алгоритмы оптимального приёма очень сложны и в настоящее время не реализуются в существующих приемниках. Для упрощения приемной аппаратуры задачу получения оценок координат и вектора скорости потребителя разбивают на два этапа обработки: первичную и вторичную. На этапе первичной обработки решается задача измерения навигационных параметров, а на этапе вторичной обработки вычисляются координаты и вектор скорости потребителя с использованием полученных на первом этапе оценок радионавигационных параметров и других навигационных функций. Большая часть алгоритмов первичной обработки производится в блоке цифровой обработки сигнала навигационного приёмника – в корреляторе.

Успешное решение задачи оценивания параметров радиосигнала (первичная обработка) возможно лишь в том случае, когда начальное рассогласование между истинным значением оцениваемого параметра и его оценкой достаточно мало. Это обусловлено нелинейностью радиотехнической системы слежения и связанной с этим необходимостью «захвата» сигнала для дальнейшего слежения за оцениваемым параметром. В связи с этим в радиотехнических системах, в том числе и радионавигационных, различают два режима: поиск сигнала и слежение. В режиме поиска сигнала производится грубая, но достаточная для захвата системой слежения, оценка параметров сигнала – временной задержки и частоты. В режиме слежения после захвата сигнала системами автоматической подстройки частоты (АПЧ), фазы (ФАПЧ) и времени (АПВ) осуществляется измерение информационных параметров сигнала.

Поиск сигнала и оценку его параметров проводят по каждому навигационному спутнику отдельно, поэтому в дальнейшем рассматриваются алгоритмы обработки только одного сигнала.Поиск и оценка параметров сигнала производится в соответствии с принципом максимального правдоподобия, который для сигналов с неизвестной начальной фазой сводятся к корреляционной обработке сигнала, представленного в виде двух квадратурных составляющих. Значения оцениваемого параметра

принимают равновероятными. При этом ищут такую оценку , которая будет давать максимум условной плотности вероятности:

где

— условная плотность вероятности реализации входного процесса (входного сигнала) при заданных значениях .

Расписав это уравнение и раскрыв формулу условной плотности вероятности, можно получить следующую формулу для оптимальной оценки параметров принятого сигнала:

где

– огибающая на выходе согласованного фильтра; – синфазная составляющая огибающей; – квадратурная составляющая огибающей.

При этом корреляционной обработке могут подвергаться как непрерывные сигналы, так и дискретные.

Квадратурные составляющие огибающей на выходе согласованного фильтра при оценке времени и частоты (

– синфазная, – квадратурная) записываются в следующем виде

(2.1)

В этих выражениях:

– частота сигнала, на которой производится корреляционная обработка. Для рассматриваемой схемы это третья промежуточная, равная 4 МГц; – модулирующий дальномерный сигнал; – копия дальномерного сигнала, формируемая в АП и сдвигаемая на переменную величину t.