85

Содержание

Введение 3

1. Обзор существующих методов решения задачи синхронизации шкал времени разнесённых пунктов 7

1.1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ 7

1.2. ВОЗМОЖНОСТЬ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ СОГЛАСОВАНИЯ ШКАЛ ВРЕМЕНИ ПО СИГНАЛАМ СИСТЕМ «ГЛОНАСС» И «НАВСТАР» 8

1.3. МЕТОДЫ СИНХРОНИЗАЦИИ ШВ УДАЛЕННЫХ ПУНКТОВ 9

1.3.1. Краткая характеристика хранителей времени 9

1.3.2. Способы синхронизации удалённых пунктов 14

1.4. МЕТОДЫ СВЕРКИ ВРЕМЕННЫХ ШКАЛ ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ССРНС ДЛЯ СИНХРОНИЗАЦИИ БХВ ИСЗ С НХВ. 15

1.5. МЕТОДЫ КОРРЕКЦИИ ВРЕМЕННЫХ ШКАЛ НА ПРИМЕРЕ НИСЗ. 17

1.5.1. Необходимость коррекции 17

1.5.2. Коррекция методом фазирования 18

1.5.3. Коррекция кода БШВ 19

1.6. ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ СВЕРКИ ШВ УДАЛЕННЫХ ПУНКТОВ ПО ВЫБОРКЕ ОДНОВРЕМЕННЫХ ПСЕВДОДАЛЬНОМЕРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ. 19

1.7. ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ТОЧНОСТЬ СВЕРКИ ШВ ПУНКТА С ИЗВЕСТНЫМИ КООРДИНАТАМИ ПО ДАННЫМ ПСЕВДОДАЛЬНОМЕРНЫХ И РАДИАЛЬНЫХ ПСЕВДОСКОРОСТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ 24

1.8. СИНХРОНИЗАЦИЯ ВРЕМЕННЫХ ШКАЛ СЕТИ НИСЗ НА ОСНОВЕ ВЗАИМНЫХ ВРЕМЕННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ 26

1.9. СПОСОБЫ УЧЁТА В НАВИГАЦИОННОМ СЕАНСЕ СМЕЩЕНИЙ ВРЕМЕННЫХ ШКАЛ НИСЗ 29

1.10. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ТИПОВОЙ АП ССРНС 31

1.10.1. Состав АП потребителя 31

1.10.2. Задачи решаемые блоками АП 33

2. Выбор и обоснование принятого варианта устройства коррекции шкал времени удалённых пунктов 36

2.1. Выбор и обоснование метода сверки и коррекции шкал времени 36

2.2. Выбор и обоснование аппаратуры приёма шкалы времени 37

2.2.1Одноканальная АП 37

2.2.2Многоканальная АП 40

2.3.Выбор и обоснование структурной схемы аппаратуры сверки и коррекции ШВ 42

2.4. Выбор и обоснование функциональной схемы устройства сверки и коррекции ШВ 43

2.4.1. Выбор микропроцессора 43

2.4.2. Выбор ОЗУ 45

2.4.3. Выбор ПЗУ 46

2.4.5. Выбор устройства ввода-вывода 46

2.5. Алгоритм работы устройства СКШВ 47

2.6. Синтез принципиальной схемы устройства СКШВ 47

3. Электрический расчёт 50

3.1. Краткие сведения о вторичных источниках питания 50

3.2. Расчёт силовой части импульсного преобразователя 51

3.2.1. Принцип действия преобразователя 52

3.2.2. Расчёт преобразователя 53

4. Конструктивный расчёт 58

4.1. Конструкция печатной платы 58

4.2. Конструкции блоков микроэлектронной аппаратуры 60

5. Технико-экономическое обоснование дипломного проекта 63

5.1. Методы экономического обоснования дипломного проекта. 63

5.2. Характеристика проекта. 64

5.3. Определение смётной стоимости и отпускной цены на НИОКР. 64

5.4. Построение сетевого графика 67

6. Охрана труда и экологическая безопасность 72

6.1. ТРЕБОВАНИЯ К ПЕРСОНАЛУ ПРИ ОБСЛУЖИВАНИИ И РЕГЛАМЕНТНЫХ РАБОТАХ НА ОБОРУДОВАНИИ НАХОДЯЩИМСЯ ПОД ВЫСОКИМ НАПРЯЖЕНИЕМ. 72

6.2. ОХРАНА ТРУДА В ПОМЕЩЕНИЯХ С ТЕХНИЧЕСКИМ МИКРОКЛИМАТОМ. 74

6.2.1. Общая характеристика технологического микроклимата в помещении и его влияние на организм работающих. 74

6.2.2. Нормативные санитарно–гигиенические параметры среды, средства и методы их обеспечения при организации технологического микроклимата 76

Заключение 81

Литература 83

Приложение 86

Введение

Развитие радионавигационных средств на протяжении всей истории их существования неизменно стимулировалось расширением области применения и усложнением задач, возлагавшихся на них, и прежде всего ростом требований к их дальности действия и точности. Если в первые десятилетия радионавигационные системы обслуживали морские корабли и самолеты, то затем состав их потребителей значительно расширился, и в настоящее время охватывает все категории подвижных объектов, принадлежащих различным ведомствам. Если для первых РИС - амплитудных радиомаяков и радиопеленгаторов - была достаточна дальность действия в несколько сотен километров, то затем постепенно требования к дальности возросли до 1...2.5 тыс. км (для внутриконтинентальной навигации), до 8...10 тыс. км (для межконтинентальной навигации) и, наконец, превратились в требования глобального навигационного обеспечения. Что касается точности, то поначалу устраивала точность в несколько километров, затем оказалось возможным реализовать точности в сотни метров и, наконец, с появлением технических возможностей для создания сетевых СРНС удалось удовлетворить требованиям на уровне десятка метров. Но требования продолжают ужесточаться, возникает необходимость в дециметровых и сантиметровых точностях, которые можно обеспечить, совершенствуя сетевые СРНС и применяя в них дифференциальный режим работы.

К настоящему времени в арсенале радионавигационной техники скопилось немало систем, отличающихся между собой дальностью действия и точностью, что предопределяет различие их в принципах действия. Средства ближней навигации (РСБН) в диапазоне УКВ используют импульсные дальномеры и фазовые или частотные угломерные устройства на примерах системы «ВОР», «ДМЕ», «РСБН». Из средств дальней радионавигации (РСДН) можно отметить длинноволновые «Чайку» и «Лоран-С», работающие в импульсно-фазовом режиме, и сверхдлинноволновые «Омегу» и «РСДН-20» с фазовыми измерениями. Находят также применение амплитудные многолепестковые радиомаяки типа «ВРМ-5» и «Консоль». Низкоорбитные спутниковые РНС "Цикада» и «Транзит», основанные на доплеровских (частотных) измерениях, широко обеспечивают кораблевождение. Наконец, находятся в стадии интенсивного развертывания среднеорбитные сетевые СРНС «Глонасс» и «Навстар», обладающие самыми высокими показателями: глобальностью, высокой точностью, непрерывным обслуживанием неограниченного числа потребителей.

Наиболее высоким уровнем эффективности использования различных РИС представляется создание единого радионавигационного поля, когда излучения всех источников навигационных сигналов синхронизированы. При этом информация, выделяемая при обработке сигналов любой из излучающих радиостанций, способна в соответствующей степени повысить точность и надежность навигационно-временных определений. Синхронизация излучения всех радионавигационных средств с помощью сигналов системы единого времени (СЕВ) будет способна объединить частные радионавигационные поля в Единое радионавигационное поле, что позволит более гибко предоставлять навигационно-временное обеспечение различным потребителям в необходимых районах.

Важно подчеркнуть, что основу Единого поля составит глобальное поле сетевых СРНС. Эти системы 2-го поколения являются сетевыми системами непрерывного действия, обеспечивающими глобальное высокоточное определение полного вектора состояния П. Сеть НИСЗ развертывается из 18-24 спутников, координировано обращающихся по круговым орбитам высотой около 20000 км (период обращения 12 ч), лежащим в 3-6 пересекающихся плоскостях с наклонением 55...65 так, что на каждой из орбит равномерно размещается 3-8 НИСЗ. Спутники на таких орбитах имеют достаточно обширную зону видимости и позволяют уверенно выполнять по ним радиально–скоростные измерения. Это позволило реализовать важную техническую идею – координацию пространственного расположения НИСЗ на орбитах и координацию по времени излучаемых спутниками сигналов. Именно координация движения всех НИСЗ придает системе сетевые свойства, которых она лишена при отсутствии коррекции положения НИСЗ.

В СНГ СРНС 2–го поколения получила наименование “Глонасс” (Глобальная навигационная спутниковая система), в США “Навстар” (Navstar–Navigational Satellite Time and Randin – навигационный спутник измерения времени и координат) или по ее фактическому назначению GPS (Global Position Sistem – глобальная система местоопределения). Основные свойства обеих СРНС определяются выбором системы НИСЗ (баллистическим построением), высокой стабильностью бортовых эталонов частоты, выбором сигнала и способов его обработки, а так же действенными способами устранения и компенсации ряда погрешностей.

ГЛОНАСС – глобальная навигационная спутниковая система, предназначенная для определения положения, скорости и точного времени для кораблей, самолетов, наземных объектов и других типов пользователей. Система “Глонасс состоит из трех подсистем: подсистемы космических аппаратов, подсистемы контроля и управления, оборудование пользователей.

Орбитальная группировка ИСЗ состоит из 24 спутников, по восемь в каждой из трех орбитальных плоскостях. Орбитальные плоскости размещаются через каждые 120 градусов по возрастанию абсолютного угла долготы.

Определение пространственных координат и составляющих скорости основывается на дальномерных и доплеровских измерениях. Спутниковые РИС характеризуются высокими требованиями к формированию системной шкалы времени и ее поддержанию (хранению) в течение всего срока существования системы. Необходимость в высокой стабильности временной шкалы возрастает по мере повышения требований к точности навигационных определений, в особенности при использовании пассивного дальномерного метода. Параметры системы и ее отдельных звеньев, а также математическое обеспечение (МО) выбираются так, чтобы точность навигационных определений оценивалась значениями по координатам до 10 м, по скорости до 0,05 м/с.

Глобальное поле сетевых СРНС при успешном развитии международного сотрудничества будет образовано полями обеих систем «Глонасс» и «Навстар», т.к. близость этих систем как по баллистическому построению орбитальной группировки КЛА, так и по радиосигналам, излучаемым КЛА, позволяет создать АП, работающую по сигналам обеих систем. При этом в качестве рабочих созвездий будут одновременно использованы КА, принадлежащие обеим системам.

В бортовой аппаратуре навигационно-временного обеспечения подвижных объектов, создаваемой в виде комплексов соответствующих средства основным радионавигационным каналом явится канал сетевых СРНС, позволяющий определять полный вектор состояния подвижного объекта - три его координаты, три составляющие вектора скорости, поправки к бортовой ШВ и к частоте местного эталонного генератора. Поскольку потребителями ССРНС будут не только подвижные объекты, но и стационарные, нуждающиеся в высокоточном определении их координат и поправок к местной ШВ, речь может идти не только о навигационно-временном обеспечении, но и о более широкой задаче - координатно-временном обеспечении. Применительно к такой постановке вопроса можно также утверждать, что основу координатно-временного обеспечения составит именно применение сетевых спутниковых РИС.

Можно утверждать, что основой навигационно-временного обеспечения потребителей всех видов (исследовательских, народнохозяйственных, оборонных) на ближайшие десятилетия явятся именно сетевые спутниковые системы «Глонасс» и «Навстар».

Целью дипломного проекта является разработка устройства при помощи которого можно осуществлять синхронизацию шкал времени (ШВ) удалённых пунктов. В качестве эталона времени принимается ШВ системы «ГЛОНАСС». При помощи этого устройства можно осуществлять привязку к другим системам точного времени (СЕВ, UTC). Этого можно достигнуть, учитывая известные расхождения между ШВ «ГЛОНАСС» и ШВ других систем. Ещё более повысить точность временного обеспечения можно путём использования сигналов американской спутниковой навигационной системы GPS (NAVSTAR), однако в данном проекте такая задача не ставится.

1. Обзор существующих методов решения задачи синхронизации шкал времени разнесённых пунктов

1.1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

Спутниковой радионавигационной системой (СРНС) принято называть такую РНС, в которой роль опорных радионавигационных точек (РНТ) выполняют ИСЗ, несущие навигационную аппаратуру. Навигационные ИСЗ (НИСЗ) являются аналогом неподвижных РНТ, представляющих собой опорные пункты наземных РНС. Перенос РНТ из наземных точек с фиксированными географическими координатами в точки, совершающие орбитальное движение, привел к существенным изменениям в построении этих РНС. Если наземные РНС содержат в качестве основных своих звеньев только аппаратуру РНТ и потребителей (П), то СРНС включают в себя ряд дополнительных звеньев. Упрощенная структурная схема СРНС включает космодром, систему НИСЗ, аппаратуру П, командно-измерительный комплекс (КИК) и центр управления (ЦУ).

Космодром обеспечивает вывод НИСЗ на требуемые орбиты при первоначальном развертывании СРНС, а также периодическое восполнение числа НИСЗ по мере выработки каждым из них ресурса. Главными объектами космодрома являются техническая позиция и стартовый комплекс. Техническая позиция обеспечивает прием, хранение и сборку ракетоносителей и НИСЗ, их испытания, заправку НИСЗ и их состыковку. В число задач стартового комплекса входят: доставка носителя с НИСЗ на стартовую площадку, установка на пусковую систему, предполетные испытания, заправка носителя, наведение и пуск. Приданные космодрому командно-измерительные средства по телеметрическому и траекторному каналам контролируют работу бортовых систем и траекторию полета на участке вывода на орбиту.

Система НИСЗ представляет собой совокупность источников навигационных сигналов, передающих одновременно значительный объем служебной информации. На НИСЗ, как на КА, размещается разнообразная аппаратура: средства пространственной стабилизации, аппаратура траекторных измерений, телеметрическая система, аппаратура командного и программного управления, системы энергопитания и терморегулирования. С навигационными блоками взаимодействуют бортовой эталон времени и бортовая ЭВМ.

Аппаратура потребителей предназначается для приема сигналов от НИСЗ, измерения навигационных параметров и обработки измерений. Для решения навигационных задач в аппаратуре П предусматривается специализированная ЭВМ.

Командно-измерительный комплекс (именуемый также подсистемой контроля и управления) служит для снабжения НИСЗ служебной информацией, необходимой для проведения навигационных сеансов, а также для контроля за НИСЗ и для управления ими как космическими аппаратами. Для этого с помощью наземных средств КИК выполняется телеметрический контроль за состоянием спутниковых систем и управление их работой, осуществляется определение параметров Движения НИСЗ и управление их движением, проводится сверка и согласование бортовой и наземной шкал времени, а также ведется снабжение П так называемой эфемеридной информацией, т. е. сведениями о текущих координатах сети НИСЗ, информацией о состоянии их бортовых шкал времени, а также рядом поправок.

Координирует функционирование всех элементов СРНС центр управления, который связан информационными и управляющими радиолиниями с космодромом и КИК.

1.2. ВОЗМОЖНОСТЬ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ СОГЛАСОВАНИЯ ШКАЛ ВРЕМЕНИ ПО СИГНАЛАМ СИСТЕМ «ГЛОНАСС» И «НАВСТАР»

В ССРНС «Глонасс» и «Навстар» в качестве хранителей ШВ используются соответствующие высокостабильные НХВ и в каждой из систем наземный комплекс управления (НКУ) осуществляет синхронизацию шкал БХВ НИСЗ и НХВ.

Система «Навстар» предназначена не только для навигационных определений, но и для временных. При этом под временным определением понимается оценка поправки к шкале времени потребителя относительно некой универсальной шкалы. В качестве последней в системе «Навстар» принята шкала Морской обсерватории США - UТС_USNO. Дополнительно НКУ решает задачу синхронизации шкалы НХВ системы «Навстар» и шкалы UТС_USNO. Как будет отмечено далее, модель ухода НИСЗ в системе «Навстар» с достаточной степенью точности на интервале времени до 1ч описывается полиномом 2-й степени, коэффициенты полинома a₀, а₁, а₂ определяемые средствами НКУ, передаются в кадре сигнала в составе служебной информации и позволяют обеспечить синхронизацию ШВ сети НИСЗ системы. Кроме того, для обеспечения временных определений в составе служебной информации (СИ) передаются два коэффициента А₀, А₁, позволяющие потребителям определять время в шкале UТС_USNO.

Аналогичный способ синхронизации ШВ БХВ используется и в системе «Глонасс». Отличие заключается в следующем: уход ШВ БХВ на интервале времени 0,5 ч описывается полиномом первой степени (коэффициенты a₀, а₁), в качестве универсальной ШВ используется шкала СЕВ, поправка к системной ШВ относительно шкалы СЕВ передается в виде коэффициента А₀.