Лекция №6. Ретранслятор навигационных сигналов для систем ВТИ (2017)

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана(национальный исследовательский университет)» (МГТУ им. Н.Э. Баумана)Навигационная аппаратура потребителяЛекция №6«Ретранслятор навигационных сигналов длясистем ВТИ»ст. преп. кафедры РЛ1Мыкольников Я.В.1Кафедра «Радиоэлектронные системы и устройства»МГТУ им. Н.Э. БауманаВведение. Траекторные измерения по сигналам ГНССПри разработках современных ракетных комплексов, при созданииновых артиллерийских боеприпасов и орудий важной задачей являетсяоценка баллистических и траекторных характеристик изделий, котораявыполняется посредством внешне-траекторных измерений (ВТИ).До внедрения ГНСС в данных областях использовались средстварадиолокационного измерения и контроля.

Однако точность и частотаизмерений не позволяли качественно оценить баллистическиехарактеристики изделий.Появление ГНСС существенно изменило подход в испытанияхракетных и артиллерийских комплексов. Это стало возможнымблагодаря размещению специализированных НАП на объекте. В случаеиспользованияполноценнойНАП,аппаратуранавигационногоприемника должна удовлетворять ряду очень сложных и «жестких»требований (динамика по радиотехническим параметрам, механическими динамическим воздействиям, климатическим условиям и т.п.). Такимхарактеристикам удовлетворяет только дорогостоящая и сложнаяаппаратура.Альтернативоймогутслужитьтакназываемыеретрансляторы навигационных сигналов.

Принцип ретрансляции,методы ВТИ по ретранслированным сигналам и аппаратная реализациябудут рассмотрены далее.2Система ВТИ на основе НАППервое направление связано с размещением на борту ЛА комплектаНАП, который определяет координаты и параметры движения носителя,либо его радионавигационные параметры (РНП). Для передачирезультатов этих измерений на наземный измерительный пункт (НИП)используетсясоответствующий(специальновыделенныйилителеметрический) канал связи с пропускной способностью 1 - 10 кбит/с.НКА4НКА3НКА2НКА1R21R1R2R3R11R31R41R4РезультатынавигационныхизмеренийАппаратурапотребителяэталоннаяПриемникретранслированногосигнала НКАРадиолинияНавигационнаяаппаратурапотребителя3БлоксовместнойобработкиНИПСистема ВТИ на основе ретранслятораВторое направление, основанное на принципе ретрансляциисигналов навигационных космических аппаратов (НКА) с борта ЛА наНИП, не предусматривает решения навигационной задачи на борту ЛА.Вместо НАП на борту объекта устанавливается специальное устройство –ретранслятор (Р), осуществляющее прием сигналов НКА, которые послепереноса их спектра на другую несущую частоту передаются на НИП длядальнейшей обработки.НКА4НКА3НКА2НКА1R21R1R2R3RБлоксовместнойобработки31R1141R4Ретранслированныесигналы НКААппаратурапотребителяэталоннаяRПриемникретранслированногосигнала НКАОГФормировательпилот сигналаРадиолинияполосапропускания2МГцНИППриемниксигналов НКАПередатчикПреобразовательчастоты4БРАПреимущества принципа ретрансляцииПорезультатамизмеренийРНПретранслированныхсигналов(псевдозадержки, псевдодоплеровского сдвига частоты) на НИП определяютсяпараметры вектора состояния (ВС) объекта – текущие координаты, скорость.При этом сигналы, излучаемые ретранслятором, могут использоваться на НИПдля навигационно-временных определений (НВО) объекта как наряду ссигналами, принятыми непосредственно от НКА, так и независимо от них.Сравнительный анализ достоинств и недостатков описанных подходов кпостроению средств ВТИ показал, что бортовой ретранслятор, являющийсяпрактически безинерционным устройством, обладает преимуществами, как сточки зрения точности фильтрации параметров траектории, так и с точкизрения времени, необходимого для первой фиксации и перезахвата сигналовНКА.

Еще одним достоинством ретрансляционного метода являетсявозможность использования в аппаратуре НИП сложного программногообеспечения, работающего как в режиме реального времени, так и в режимепостобработки.Таким образом, под ретранслятором навигационных сигналов СРНС далеепонимаетсяустройство,осуществляющееприем,преобразованиеипереизлучение сигналов НКА СРНС с полным или частичным сохранениемвектора РНП, но без выделения их в ретрансляторе. Ретранслятор,переизлучающийполныйспектрсигналаНКАобычноназываютширокополосным, а ретранслятор, на борту которого осуществляетсязначительное сужение этого спектра – узкополосным.5Основные схемы ретрансляторовИзвестны следующие основные схемы построениятрансляторов, используемых в системах ВТИ:- широкополосный аналоговый ретранслятор;- широкополосный цифровой ретранслятор;- узкополосный аналоговый ретранслятор;- узкополосный цифровой ретранслятор.аппаратурыре-Широкополосный аналоговый ретранслятор.Широкополосный аналоговый ретранслятор в простейшем случаепредставляет собой устройство, осуществляющее прием сигналов НКА, переносих спектра (при сохранении формы последнего) на некоторую вспомогательнуюнесущую частоту и ретрансляцию преобразованного сигнала.

В идеале, в силулинейности всех осуществляемых в ретрансляторе преобразований, сигнал навыходе ретранслятора сохраняет всю информацию, содержащуюся в сигналахНКА. Для компенсации уходов частоты бортового опорного генератора, а такжедоплеровского сдвига сигнала, обусловленного перемещением НКА иретранслятора относительно опорного пункта, используется так называемыйпилот-сигнал, формируемый от того же бортового опорного генератора иизлучаемый совместно с преобразованными сигналами НКА.

Важно отметить,что пилот-сигнал может также использоваться в качестве источникадополнительных измерений РНП.6Основные схемы ретрансляторовШирокополосный цифровой ретранслятор. Под термином "цифровойретранслятор" понимается устройство, в котором сигнал НКА тем или инымспособом преобразуется в цифровой поток данных, которым затем имодулируется частота или фаза несущей частоты передатчика ретранслятора.Поскольку поток цифровых данных содержит в себе информацию о тактовойчастоте АЦП, использование отдельного пилот-сигнала для компенсации уходовбортового ОГ в данном случае не требуется.В простейшем случае в качестве аналого-цифрового преобразователя можетбыть использована схема, в которой с выхода промежуточной частоты (ПЧ)подвергается жесткому ограничению. Такое решение возможно, посколькууровень широкополосного сигнала НКА обычно не превышает уровня шума.

Поимеющимся в литературе оценкам потери сигнала при этом имеют порядок 2дБ.Основным преимуществом использования цифрового ретранслятораявляется удобство сопряжения с телеметрическими каналами связи.Принципиальным недостатком рассмотренных выше схем ретрансляторовявляется достаточно большая ширина спектра частот занимаемыхретранслированным сигналом.

Например, для того, чтобы избежатьсущественных искажений спектра сигналов НКА при работе по открытым кодамGPS ширина полосы ретранслируемого сигнала должна составлять не менее 2МГц.7Зарубежные разработкиСистема SATRACK предназначена для полигонных испытаний МБРподводных лодок TRIDENT.

Разработки начаты в 1974 г. по программеповышения точности МБР. Система SATRACK основана на приеме сигналовНКА бортовой аппаратурой МБР, их частотном преобразовании и ретрансляциина пункты приема с наложением на них телеметрической информации.Положение и скорость пунктов приема могут быть неизвестны, что делаетвозможным их реализацию и в мобильном варианте. Последнее обстоятельствообеспечивает испытания МБР, запускаемых в любых точках акватории океана,что особенно важно для выявления влияния местных гравитационныханомалий на точность пусков.На первом этапе использования системы в 1978 г. по результатам 50 пусковбыла достигнута точность определения компонент положения и скорости (1σ)соответственно 12 м и 0,015 м/с.

Дальнейшее совершенствование аппаратурыSATRACK и GPS позволило снизить ошибки получения навигационныхпараметров МБР до 0,6 м и 0,003 м/с.8Зарубежные разработкиСистема GPS/SMILS предназначена для определения точек паденияголовных частей (ГЧ) МБР в ходе их испытаний и основана на приемеакустических сигналов, возникающих при входе ГЧ в воду с помощьюакустических буев, преобразовании этих сигналов аппаратурой буя и передачиих на борт патрулирующего самолета.

В состав группы буев, включающей до 15единиц, предназначенных для измерения скорости звука в воде, еетемпературы и других данных, включаются буи GTD, содержащие цифровыеретрансляторы сигналов НКА GPS. Сигналы буев принимаются на бортупатрулирующего самолета типа BOEING 707, где с помощью многоканальногоцифрового устройства отслеживаются сигналы НКА, переизлучаемые всемибуями типа GTD. По результатам такого слежения определяется положениебуев GTD. В свою очередь, буи GTD генерируют акустические сигналы, которыепринимаются другими буями и передаются на борт самолета, где определяетсяотносительное положение всех буев, координаты которых определены по НКАGPS. Буй типа GTD представляет собой цилиндр диаметром около 12 см идлиной порядка 84 см.

Цифровой ретранслятор, включающий в свой состав икомандный приемник для управления буем с самолета, расположен в среднейчасти цилиндра и имеет длину порядка 18 см. Питание цифровогоретранслятора, а также акустической аппаратуры, осуществляется с помощьюаккумуляторных батарей. Среднеквадратическая погрешность определенияположения буев по результатам испытаний составила около 10 м. В режимеотносительных измерений эта погрешность была около 3 м.9Зарубежные разработкиСистема TSPI предполагает обоснование, разработку, создание ииспытаниеунифицированногокомплексасредств,основанныхнаиспользовании СРНС GPS для испытаний разнообразных подвижных средствВВС, ВМФ и Армии США.Область действия системы простирается от поверхности Земли до вы-сотнизкоорбитальных ИСЗ.