Лекция №7. Ретранслятор навигационных сигналов для систем ВТИ (2016)

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 №7«Ретранслятор навигационных сигналов длясистем ВТИ»ст. преп. кафедры РЛ1Мыкольников Я.В.1Кафедра «Радиоэлектронные системы и устройства»МГТУ им.

Н.Э. БауманаАнализ требований к принципам построенияширокополосного аналогового ретранслятора сигналов ГНССдля систем ВТИОпыт работ, выполнявшихся ранее в НИИ РЭТ МГТУ им. Баумана,показал, что одним из ключевых вопросов, от решения которого вомногом зависит эффективность работы канала ретрансляции в целом,является выбор вида пилот-сигнала и способа его передачи.Рассмотрим возможные способы передачи ПС с подвижного объектана НИП. Для решения этой задачи необходимо сформировать и излучитьсигнал, когерентный с сигналом опорного генератора бортовогоретранслятора, удовлетворяющий следующим условиям:• минимальная ошибка измерения фазы принимаемого ПС прификсированном времени измерения,• минимальное влияние ПС на точность измерения параметровсигналов СРНС,• минимальные энергетические затраты на передачу ПС,• минимальная ширина спектра ретранслируемого сигнала,• возможность передачи дополнительной информации.Принципиальное значение имеет выбор формы ПС, способаформирования его на борту и алгоритма обработки ПС в аппаратуреНИП.2Анализ требований, предъявляемых к ПСИз известных способов разделения сигналов в данном случаецелесообразно использование варианта частотного разделения илиразделения по форме.Под частотным разделением в данном случае подразумеваетсяпередача ПС вне полосы сигнала ГНСС.

Однако это приводит красширению спектра ретранслируемого сигнала и декорреляциинавигационного сигнала (НС) и ПС при прохождении в канале и, какследствие, к ошибкам измерения навигационных параметров. С этойточки зрения целесообразно передавать даже узкополосный ПС в полосеНС и разделять их по форме, тем более, что структура НС это позволяет.Так как, НС имеет псевдослучайную модуляцию и, соответственно,шумоподобную структуру, при любой форме ПС точность оценки егофазы будет определяться только временем накопления.

Однако частотнофазовые искажения, возникающие в канале распространения и вприемнике должны меньше проявляться для ПС, чья структурасовпадает со структурой НС, т.е. для широкополосных сигналов сфазокодовой модуляцией несущей (ФКМ).Дополнительнымпреимуществомширокополосныхсигналовявляется ослабление интерференционных замираний, связанных смноголучевым распространением.3Анализ требований, предъявляемых к ПСНеобходимо отметить, что даже суммарная мощность всех сигналоввсех НКА, принимаемых в данный момент антенной ретранслятора (Р),меньше уровня собственного шума приемника Р.

Поэтому влияниемсуммы НС на ПС можно пренебречь. Этого нельзя сказать о влиянииузкополосного ПС на НС.Навигационныеприемники,какизвестно,используюткорреляционную обработку сигнала в цифровой форме, а иногда ижестко ограниченного по уровню (клиппированного). Узкополоснаяпомеха в этом случае может быть более вредной, чем шумовая. Поэтому спозиций минимального взаимного влияния ПС и НС широкополосныеПС предпочтительней.По этим причинам, будем рассматривать систему ВТИ сиспользованиемширокополосногоаналоговогоретрансляторасмодуляцией фазы ПС псевдослучайной последовательностью (ПСП).Применение модуляции ПС позволяет легче обеспечить линейныйрежимработыприемноготрактааппаратурыприемаретранслированных сигналов (АПРС) по сравнению со схемой безмодуляции ПС.

Совмещение спектров ПС и переизлучаемых сигналовНКА не требует увеличения полосы частот передатчика Р.4Выбор структуры модулирующей последовательности дляпилот-сигналаС учетом того, что АПРС строится на основе серийногоотечественного навигационного приемника, для упрощения работыаппаратурыцелесообразновыбиратьструктурумодулирующейпоследовательности ПС максимально сходной со структурой сигналовстандартной точности НКА GPS или ГЛОНАСС.Такимобразом,выборстоитмежду1023-символьнойпоследовательностью Голда с тактовой частотой 1023 МГц, и 511символьной М-последовательностью с тактовой частотой 511 кГц.Поскольку с точки зрения уменьшения влияния более мощного ПСна сигналы НКА целесообразно использовать ПС с более широкимспектром, например, в качестве модуляции ПС использовать 1023символьную последовательность из группы кодов Голда с номерами33…36, зарезервированных в ансамбле сигналов для использования ваппаратуре типа псевдоспутников.

Альтернативой могут служитьспециально разработанные последовательности Голда с указаннымипараметрами.5Выбор структуры модулирующей последовательности дляпилот-сигналаСледует обратить внимание на важность правильного выборасоотношения между мощностью всех ретранслируемых НС и ПС на бортуР. С одной стороны, можно было бы допустить достаточно большуюмощность ПС, чтобы облегчить работу приемника ПС в НИП. Однакомощный ПС будет создавать структурную помеху для НС.Для оценки степени взаимного влияния необходимо знатькоэффициент взаимной корреляции между ПСП открытых сигналовГНСС ГЛОНАСС и GPS при равенстве их периодов.

Результатымоделирования показывают, что, взаимно корреляционная функциясигналов ГЛОНАСС и GPS представляет собой шум с нулевым средним,а ее дисперсия (при одинаковой мощности сигнала и помехи на входе)имеет порядок 10-3. Результаты моделирования показали, что уровеньвзаимной помехи составляет не более -20 дБ относительно полезногосигнала.Альтернативой модулирующего сигнала в виде ПСП Голда можетслужить ПСП кода СТ, используемая в СРНС ГЛОНАСС. Спектр СТсигнала в НКА ГЛОНАСC уже в два раза, чем у С/А-сигнала НКА GPS.Тем не менее, вполне допустима их совместная передача и обработка вобщей полосе частот.6Выбор структуры Р с ПС, модулированным по фазе ПСПСтруктурнаясхемаширокополосногомодулированным ПС показан на рисунке.аналоговогоРсВ этой схеме возможна ретрансляция как сигналов НКА ГЛОНАСС,так и GPS.

Управление выбором типа переизлучаемых сигналов можетосуществляться путем программной перестройки частотного планасинтезаторов, также переключением некоторых трактов ПЧ.7Обоснование и выбор частоты ретранслируемого сигналаЧастота ретранслированного сигнала определяется необходимостьюсоблюдения электромагнитной совместимости на борту и помехозащищенностьюприемного устройства НИП.

Наиболее важной задачей является устранениевлияния ретранслированного сигнала на прием сигналов НКА, частота которыхнаходится в полосе радиочастот радионавигационной радиослужбы 1575….1605МГц, при мощности излучения Р 1 Вт необходимое значение величиныпросачивающегося сигнала на вход высокочувствительного приемногоустройства Р не должна превышать 40 дБ. Для выполнения этого требованиянеобходимо, в первую очередь, использовать для ретрансляции удаленную отсигналов НКА частоту.Величина такой отстройки - более 500 МГц. Первый частотный диапазон,удовлетворяющий этому требованию, находится ниже 1000 МГц и плотноиспользуется радиоэлектронными средствами различных служб: телевидение,мобильная связь и т.д.Второй диапазон по частоте лежит выше 2000 МГц и именно он по рядупричин может использоваться для ретрансляции сигналов НКА.

Поскольку приувеличении частоты растет мощность передатчика, требуемая для обеспечения(при фиксированных коэффициентах усиления антенн БРА и НИП)необходимого отношения сигнал/шум на входе приемного устройства НИП,целесообразно не выходить за пределы значений частот выше 3000 МГц.8Обоснование и выбор частоты ретранслируемого сигналаТрадиционные методы преобразования частоты вверх с последующейфильтрацией не обеспечивают необходимых уровней внеполосного излучения.Поэтому ретранслируемый сигнал формируется с помощью квадратурногомодулятора, значительно подавляющего несущую и зеркальную составляющиепреобразования при малых значениях поднесущей, в качестве которойвыступает низкая промежуточная частота.Современные микросхемы квадратурного модулятора работают до частот2500МГциобеспечиваютподавлениенежелательныхпродуктовпреобразования на 40…50 дБ.

Исходя из выше изложенного, частотаретрансляции сигналов НКА может находиться в диапазоне 2000….2500 МГц.9Обоснование ширины полосы переизлучаемого сигналаДля выполнение целевой функции КАПС-НАП необходимо контролироватьработу НАП в составе ВБ в том числе и в режиме работы по сигналам ГНССГЛОНАСС. Большинство бортовых НАП в настоящее время работают вдиапазоне L1 ГНСС ГЛОНАСС. В принципе контроль бортовой НАП с помощьюБРА можно осуществлять как по сигналам с ПТ-кодом, так и по сигналам с ВТкодом.

Однако, с учетом частотного разделения сигналов и необходимостисужения полосы переизлучаемых сигналов, целесообразно переизлучать толькосигналы с ПТ-кодом.Согласно ИКД ГНСС ГЛОНАСС (редакции 5.1) после 2008г. [6]находящиеся в эксплуатации НКА ГЛОНАСС используют номера частотK   7...  6  . В поддиапазоне L1 расстояние по частоте между соседнимилитерами составляет f1  0,5625 МГц.Необходимая полоса частот ретранслятора сигналов НКА ГЛОНАСС длясигнала с ПТ-кодом с полосой FПТ  1 МГц равна:10FP  13  f1  FПТ  13  0,5625 МГц  1 МГц  8,3125 МГц.