К задачам, решаемым навигационным процессором, относятся: выбор рабочего созвездия НИСЗ из числа видимых, расчет данных целеуказания по частоте несущей и задержке манипулирующей ДСП; декодирование навигационных сообщений, в том числе альманаха и эфемеридной информации; сглаживание или фильтрация измеряемых навигационных параметров; решение навигационно- временной задачи с выдачей координат и параметров движения объекта; фильтрация координат; комплексирование с данными автономных навигационных систем объекта; организация обмена информацией как внутри АП, так и с другими системами объекта; контроль работоспособности блоков и АП в целом.

Следует отметить, что в зависимости от типа АП навигационный процессор, реализуемый на микропроцессорах и микро- ЭВМ, может быть построен как по однопроцессорной, так и по многопроцессорной структуре и выполнять также часть задач первичной обработки.

Кроме перечисленных задач, решение которых обеспечивает основную функцию АП, на навигационный процессор может быть возложено выполнение и ряда сервисных задач потреби- теля, таких как расчет отклонения от траектории заданного движения, выработка информации о прохождении поворотных пунктов маршрута (ППМ), решение прямой и обратной геодезических задач, преобразование координат из одной системы координат в другую.

Организацию последовательности вычислений и обмен информацией между функциональными блоками АП выполняют управляющие программы-диспетчеры, построенные с использованием иерархии сигналов прерываний, вырабатываемых в АП. При разработке этих программ, как и всего математического обеспечения в целом, учитываются требования к точности и надежности навигационно-временных определений, а также возможности используемых вычислительных средств.

Для выбора рабочего созвездия НИСЗ и расчёта априорных данных о навигационных параметрах, вводимых в устройства поиска и слежения, необходимо располагать текущими или априорными значениями параметров движения объекта, текущим временем и данными о параметрах движения НИСЗ. Последние представляют собой содержание альманаха. Данные альманаха извлекаются из репрограммируемой памяти навигационного процессора, где они хранятся после первоначального ввода вручную оператором с пульта управления и индикации. Другой путь ввода данных альманаха состоит в приеме альманаха первоначально от какого-либо первого НИСЗ, сигнал которого находится вслепую без целеуказаний. В этом случае на поиск сигнала первого НИСЗ и на прием альманаха могут потребоваться десятки минут. Имеющийся в АП альманах обновляется автоматически при приеме сигналов по достижении им определенного «возраста», порядка нескольких дней, но, как правило, не более одного месяца.

Априорные данные о координатах объекта и текущем времени вводятся либо оператором с пульта управления и индикации, либо автоматически от автономных средств навигации объекта. Причем применение в АП гостированных каналов цифрового обмена позволяет использовать данные практически от всей номенклатуры автономных средств, устанавливаемых в настоящее время на подвижных объектах, включая инерциальные навигационные системы, измерители скорости, датчики крена, барометрические высотомеры, системы воздушных сигналов, датчики пройденного пути, лаги и т. п.

Важными элементами АП являются опорный генератор и синтезатор частот, к которым предъявляются достаточно высокие требования стабильности частоты (10^-7 долговременная и 10^-10...10^-11 кратковременная) и чистоты спектров синтезируемых сигналов.

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

2.1. Выбор и обоснование метода сверки и коррекции шкал времени

В предыдущей главе было описано несколько методов решения задачи сверки и коррекции шкал времени удалённых пунктов. Задачей данного дипломного проекта является создание устройства коррекции ШВ по сигналам СРНС “Глонасс” на основе выбранного метода.

Наиболее подходящим для решения поставленной задачи яляется способ синхронизации который заключается в независимой работе синхронизируемых пунктов по НИСЗ ССРНС. При этом каждый из синхронизируемых пунктов независимо сверяет свою ШВ С ШВ сети НИСЗ определяет поправку и корректирует свою ШВ на размер этой поправки. Очевидно что, после проведения сеансов сверки в пунктах ШВ каждого из них оказываются привязанными к шкале времени НИСЗ. Типичным примером подобного способа синхронизации сети пунктов является использование для этого аппаратуры потребителей ССРНС.

При необходимости сеть удалённых пунктов можно легко привязать к другим ШВ (СЕВ, UTC) т. к. расхождение между ними и системной шкалой времени «Глонасс» известны заранее и передаются в кадре навигационного сигнала.

По результатам сверки можно установить закономерность ухода шкалы времени БХВ и прогнозировать его на определенные интервалы времени.

Коррекция может выражаться в совмещении временных интервалов бортовой и наземной шкал. Такая операция носит название фазирования ЭЧ.

Управление наземной шкалой времени синхронизируемого пункта при фазировании осуществляется двумя способами: установкой в нулевое состояние блока делителей и сдвигом шкалы времени на значение, необходимое для совмещения с бортовой шкалой.

В первом случае шкала времени БХВ устанавливается в нулевое состояние независимо от того, какое значение времени было до фазирования. Обычно шкала переводится в нулевое состояние после включения резервных блоков ЭЧ или грубых сбоев в отсчете времени.

При фазировании сдвигом шкалы бортового времени команда изменяет коэффициент деления в блоке делителей ЭЧ.

Сочетание обоих способов фазирования позволяет оперативно и рационально управлять шкалой времени НП и добиваться высокой точности совмещения временных интервалов со шкалой НИСЗ.

Отличительной особенностью сверки ШВ пунктов с известными координатами является возможность работы лишь по одному НИСЗ. Однако в таком случае нужна другая АП работающая по одному спутнику. Но это приносит и свои негативные стороны (необходима специфическая аппаратура потребителей).

Поэтому кратко рассмотрим аппаратуру принятия ШВ с НИСЗ.

2.2. Выбор и обоснование аппаратуры приёма шкалы времени

2.2.1Одноканальная АП

Одноканальная АП используется на объектах с низкой динамикой, таких как танки, средства топопривязки, носители ранцев, самолеты гражданской авиации, морские суда, неподвижные объекты геодезии, картографии. Характерной особенностью одноканальной АП является последовательный по времени прием сигналов НИСЗ.

В зависимости от продолжительности времени приема сигналов от НИСЗ различают одноканальную АП последовательного приема, когда продолжительность приема сигналов каждого НИСЗ составляет 0,2...2 с, и мультиплексную АП, где продолжительность приема сигнала каждого НИСЗ не превышает единиц миллисекунд. В последнем случае продолжительность приема значительно меньше постоянной времени следящих измерителей АП, что позволяет организовать фактически непрерывное слежение за несколькими НИСЗ и одновременное измерение их радионавигационных параметров. Благодаря цифровой обработке сигналов и программной реализации следящих измерителей увеличение аппаратурных затрат в мультиплексной АП оказывается незначительным по сравнению с одноканальной АП последовательного приема. Следует отметить, что вследствие мультиплексирования средний энергетический потенциал радиолинии АП — НИСЗ снижается (при слежении за сигналами четырех НИСЗ минимум на 6 дБ), что приводит к снижению помехоустойчивости мультиплексной АП.

Анализ структурных схем одноканальной аппаратуры различных потребителей показывает почти полную их идентичность. Различие заключается в конструктивном исполнении, в применении элементной базы той или иной степени интеграции.

Аппаратура принимает сигналы последовательно во времени. Продолжительность приема сигнала каждого НИСЗ переменная в зависимости от режима работы, но не более 2 с. Перед началом работы оператор вводит априорные координаты места и текущее время. При погрешности ввода координат до 25 км и времени до 30 с и при наличии действующего альманаха в ЗУ сменных констант поиск сигнала требуется произвести максимум на двух элементах неопределенности по частоте. Общее время поиска не более 30 с. После установления синхронизации с сигналом первого НИСЗ производится установка своего хранителя времени с точностью 0,1 мс относительно системного времени.

Иллюстрируя возможности построения АП системы «Глонасс», кратко опишем одноканальную АП «АСН-37» для гражданских самолетов.

Аппаратура «АСН-37» предназначена для автоматической работы в беспультовом варианте (без участия оператора) с комплексом цифрового пилотажно-навигационного оборудования самолета и использует весь объем данных о движении самолета от инерциальных систем, вырабатывая, в свою очередь, оценки плановых координат, высоты и составляющих вектора скорости для комплексной обработки и коррекции инерциальных систем.

Специфическим отличием радиосигналов системы ”Глонасс” от радиосигналов системы “Навстар” является наличие литерных частот несущей радиосигнала каждого НИСЗ, что обеспечивает частотное разделение сигналов в АП. Для приема радиосигналов с литерными частотами в АП системы “Глонасс” используется синтезатор литерных частот (СЛЧ), управляемый навигационным процессором в гетеродинах радиочастотного преобразователя. Конструктивно СЛЧ находится в радиочастотном преобразователе.

В АП “АСН–37” литерные частоты синтезируются с шагом 0,125 МГц на частоте 356 МГц. Сигнал первого гетеродина формируется умножением литерных частот на 4, сигнал второго гетеродина – делением на 2. При этом первое преобразование частот принимаемого сигнала компенсирует 8/9 литерного разноса частот сигналов каждого НИСЗ, а второе преобразование – оставшуюся 1/9 литерного разноса частот. Выбор рассмотренного частотного плана радиочастотного преобразователя позволил минимизировать аппаратурные затраты для одноканальной АП, используя один синтезатор частот для двух гетеродинов. Однако применение подобного частотного плана преобразует спектр демодулированного ФМ сигнала на нулевую вторую промежуточную частоту. Для стабилизации и повышения устойчивости работы выходных каскадов радиочастотного преобразователя введена дополнительная модуляция ПСП суммированием по модулю 2 с меандром частоты 0,125 МГц, являющийся поднесущей для демодулированного сигнала.

Навигационный процессор состоит из: микропроцессора серии 1806 ВМ2; оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) объем которого 8К байт; постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) объемом 64К байт и преобразователя интерфейса, который измеренные данные в виде последовательного кода передает в тракт дальнейшей обработки сигнала. Производительность микроЭВМ 300 00 коротких операций в секунду.

Технические характеристики «АСН-37» следующие:

погрешности определения широты, долготы 45 м,

высоты 65 м

путевой скорости 0,25 м/с;

текущего времени 1 мкс;

масса 13 кг;

Отметим, что предыдущая модификация АП «АСН-37», именуемая «АСН-16» (также разработка РИРВ), прошла успешные испытания на самолете «Боинг-747», которые проводились по плану совместных работ с американскими фирмами «Ханнивелл» и «Нортвест эйрлайнз». На испытаниях был подтвержден одинаковый уровень точности АП «АСН-16» и аналогичной американской АП, работавшей по сигналам системы «Навстар».

Дальнейшее развитие АП типа «АСН-16» — «АСН-37» направлено на создание многоканальной интегрированной АП, работающей одновременно по сигналам систем «Глонасс» и «Навстар» и удовлетворяющей требованиям международного стандарта.

Морские суда оснащаются навигационной АП «Шкипер», работающей по сигналам системы «Глонасс». Эта аппаратура научно-исследовательского института космического приборостроения (Москва) определяет географические координаты и путевую скорость судна, расстояние, пройденное с момента включения аппаратуры или от заданной точки; расстояние между заданными точками маршрута; рекомендованный курс следования в заданную точку с сигнализацией о достижении заданной точки или об отклонении от маршрута; время прибытия в точку назначения с заданной скоростью; маршрутные координаты; коммерческие задачи.

2.2.2Многоканальная АП

Многоканальная аппаратура предназначена для высокоточных определений координат, составляющих вектора скорости и поправки шкалы времени высокодинамичных потребителей в условиях организованных помех. К разработке многоканальной АП, обладающей уникальными возможностями навигационно-временного обеспечения, постоянно приковано внимание специалистов ведущих фирм мира. Применение современной технологии, позволяющей резко повышать плотность компоновки полупроводниковых приборов и расширять возможности реализации цифровых способов обработки сигналов, приводит к постоянному совершенствованию архитектуры АП. В сочетании с модульным принципом конструирования созданы образцы четырех- и пятиканальной аппаратуры объемом 15 дм² и массой 12 кг. Ставится задача дальнейшего их уменьшения хотя бы на порядок.

Число каналов многоканальной АП в первую очередь определяются динамическими характеристиками потребителя. Так, АП высокодинамиеских потребителей, штурмовиков и некоторых видов ракет содержит пять каналов приема радиосигналов, при этом четыре канала используются для непрерывного слежения за несущей и задержкой радиосигналов четырех НИСЗ, обеспечивая тем самым непрерывное решение навигационной задачи, а пятый канал используется для поиска, синхронизации и приема информации от новых НИСЗ, обеспечивая непрерывную смену рабочих созвездий. Следует отметить, что пятиканальная аппаратура применяется также на таком малодинамичном объекте, как подводная лодка, но это обусловлено требованием малого времени до первого определения координат.

Четырехканальная АП находит применение на ракетах разного класса. Необходимость в пятом канале здесь отпадает, так как ввиду относительно малого времени полета смена рабочих созвездий НИСЗ не производится.

Двухканальная АП применяется на объектах со средней динамикой, таких как транспортные самолеты, некоторые ракеты, отдельные классы кораблей, самолеты гражданской авиации. Один канал АП этого типа используется для последовательного во времени приема и обработки радиосигналов четырех НИСЗ рабочего созвездия, а второй канал также, как и пятый канал в пятиканальной АП, – для обновления рабочего созвездия.