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 УПЧ0 с полосой пропускания для совмещенной АП , сигнал поступает в N каналов, 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 .

Поиск решения предполагает перебор всех возможных значений из области возможных значений задержек и доплеровских смещений частоты разбивается на небольшие участки. Согласованный фильтр последовательно дискретно перестраивается по множеству возможных значений анализируемых параметров. Для каждой из пар вычисляют и в качестве оптимальной оценки выбирается та пара, которой соответствует максимальное значение . Пара анализируемых параметров образует элементарную ячейку на плоскости поиска. Число ячеек поиска сигнала зависит от максимального доплеровского смещения частоты входного сигнала, составляющего ±5 кГц. Значение элементарной ячейки поиска по частоте определяется полосой захвата схемы частотной автоподстройки и составляет 500 Гц. Поэтому число анализируемых ячеек по частоте равно 20. Значение анализируемой ячейки по задержке сигнала равно длительности элементарного символа дальномерного кода, поэтому для системы «Глонасс» число ячеек равно 511. Соответственно, общее число ячеек поиска составит = 10220. Интегрирование по формулам (9.11) производится на интервале времени, равном периоду дальномерного кода Т = 1 мс. Поэтому, если один канал приёмника производит поиск сигнала одного спутника, то на это тратится время (в наихудшем случае), равное 10,22 с. Современные навигационные приёмники имеют многоканальную структуру, что позволяет использовать одновременно несколько каналов для поиска сигнала одного спутника. Кроме того, в памяти приёмника может храниться информация о параметрах движения спутников (режим так называемого горячего старта), поэтому перед поиском сигнала может быть вычислено приблизительное значение доплеровского сдвига, что существенно уменьшает число анализируемых ячеек .

Значение сравнивается с порогом и принимается решение о наличии или отсутствии сигнала. В том случае, если сигнал не обнаружен, переходят к следующей ячейке. В противном случае, приёмник переходит в режим захвата и непрерывного сопровождения по частоте и задержке. Если следящие системы по задержке и доплеровской частоте успешно захватывают сигнал, то из навигационного вычислителя (процессора) приходит команда о прекращении поиска, а противном случае, процедура поиска продолжается.

Вычисление синфазной и квадратурной производится в корреляторе. Формирование синфазной и квадратурной составляющих I и Q необходимо как в режиме поиска, так и в режиме слежения за параметрами сигнала. В режиме слежения необходимо формировать дискриминационные характеристики для систем слежения за фазой и задержкой сигнала. Если для формирования фазового дискриминатора достаточно иметь интегралы (9.11), то для дискриминатора по задержке сигнала необходимо формировать смещённые на величину составляющие (Е - early - опережающий), (L-- late - запаздывающий), и по формулам

(2. 2)

Величина , как правило, равна длительности одного элементарного символа дальномерного кода. На рис. 9.9 показана обобщённая структурная схема стандартного коррелятора. Корреляционные интегралы с выходов накапливающих сумматоров используются в программных алгоритмах процессора для реализации петель слежения за фазой и задержкой сигнала. Кроме того, в опорных генераторах коррелятора (генератор отсчётов промежуточной частоты, генератор дальномерного кода, генератор тактовой частоты дальномерного кода) формируются данные, необходимые для вычисления параметров . Далее эти данные используются в процессоре. На этапе поиска эти данные необходимы для того, чтобы определить «грубые» значения доплеровской частоты и задержки дальномерного кода, необходимые для захвата системами слежения. После захвата сигнала системами слежения эти 'уточнённые' данные используются во вторичной обработке для вычисления псевдодальностей и пседоскоростей.

Рис. 2.5. Структурная схема одного канала стандартного коррелятора

В литературе довольно подробно описаны алгоритмы работы схем слежения за фазой (ФАП - фазовой автоподстройки частоты) и задержкой (ССЗ - схема слежения за задержкой) сигнала. Каждая из них включает в себя дискриминатор, фильтр и генератор опорного напряжения (для системы ФАП - генератор промежуточной частоты, для системы ССЗ - генератор тактовой частоты дальномерного кода). Часть алгоритма реализуется в аппаратной части приёмника - корреляторе, замыкается контур слежения через программные алгоритмы процессора, который выдаёт в коррелятор управляющие воздействия на генераторы опорных сигналов.

Структура большинства схем корреляторов различных производителей, так или иначе, основывается на классической схеме, изображённой на рис. 2.5. Задача любого коррелятора сводится к тому, чтобы под управлением процессора сформировать корреляционные интегралы по формулам (2.1) и (2.2) и измерительные данные в опорных генераторах.

Навигационный вычислитель решает следующие задачи: цифровая обработка синфазной и квадратурной составляющих I ,Q для поиска сигналов по задержке и частоте, а также слежения за фазой и задержкой сигнала (алгоритмы первичной обработки); преобразование радионавигационных параметров в навигационные (алгоритмы вторичной обработки); демодуляция навигационного сообщения; форматирование и дешифрация эфемеридной информации; расчет прогнозируемых значений ошибок; накопление и хранение альманаха. Навигационному вычислителю переданы также диспетчерские функции управления первичной обработкой, что необходимо из-за наличия многих спутников в зоне видимости и возможности работы по всем или части ИСЗ. В современной и перспективной АП, работающей по сигналам систем ГЛОНАСС и NAVSTAR, возникает дополнительная необходимость управления работой по двум системам.

В современных АП навигационные вычислители реализуются на базе сигнальных процессоров. Этому способствует обширный выбор процессоров, предоставляемый разработчикам фирмами производителями, доступность технической информации, наличие мощных инструментальных и программных средств отладки (позволяющие писать программы на языке высокого уровня).

3. Дифференциальный режим работы спутниковой навигационной системы

Глобальная Система Определения Координат Местоположения (GPS) является системой определения местоположения на базе спутниковой информации, которая непрерывно функционирует в течение 24 часов каждый день. GLONASS является такой же системой. В настоящее время планируется дополнить эти системы геостационарными спутниками с передатчиками, работающими в том же частотном диапазоне [7].

В интегральном составе эти системы называют Глобальными Навигационными Спутниковыми Системами (GNSS).

В основе метода дифференциальной навигации, лежит относительное постоянство значительной части погрешности измерения навигационной величины или погрешности расчета координат во времени и в пространстве. Необходимость использования дифференциального режима СРНС определяется стремлением удовлетворить наиболее жесткие требования навигационного обеспечения таких задач, как посадка воздушных судов, мореплавание в проливных зонах и узкостях, геодезическая привязка и т.п.

Дифференциальный режим GNSS достигается за счет размещения опорной станции с приемником GNSS в точке с известными координатами, определения поправок к сигналам дальности спутников и передачи этих поправок пользователям. Это исключает большую часть ошибок смещения, общих для всех приемников и значительно улучшает позиционную точность. Точность после этого ограничивается шумами приемника пользователя, межканальными смещениями и неопределенностями дифференциальной станции.

Специальный комитет 104 RTCM (SC-104) “Дифференциальное функционирование GNSS” имеет технические и официальные издания, а также сформулированные рекомендации в следующих областях:

Сообщение с данными и формат - Сообщение, элементы которого определяют поправки, сообщения о состоянии, параметрах станции и служебных данных определены в деталях. Они структурированы в формат данных, подобных тому, в котором выдаются сигналы GPS спутников, но при этом используются форматы переменной длины.

Интерфейс пользователя - Определен стандартный интерфейс, который позволяет использовать приемник во взаимодействии с множеством различных линий передачи данных. Например, при использовании стандарта, приемник может применяться со спутниковой или радиомаячной линией передачи данных.

Ранее комитет решил, что поправки должны относиться к измерениям псевдодальности, а не к измеренному положению, несмотря на то, что результирующее сообщение значительно длиннее. Причина заключается в том, что пользователь и опорная станция могут использовать различные спутники, в зависимости от большого числа условий. Если это происходит, даже в том случае, когда три из четырех спутников одинаковы, позиционная ошибка от одного не общего спутника может быть слишком велика.

Причины, по которым пользователь и опорная станция отрабатывают данные от разных спутников, следующие:

Критерий выбора спутников приемниками может быть разным.

Рельеф или кривизна земли могут затенять низко расположенные спутники от пользователя или опорной станции.

Приемник пользователя может применять стратегию использования всех спутников, находящихся в поле зрения, по которой все видимые спутники используются для определения местоположения.

Набор спутников доступных в месте нахождения пользователя может отличаться от того, который доступен в месте размещения опорной станции. Передаваемые поправки к псевдодальностям всех спутников, которые находятся в поле зрения опорной станции, могут использоваться приемником пользователя в дифференциальном режиме (т.е. выбираются только те поправки, которые относятся к спутникам, находящимся в поле зрения пользователя) для определения местоположения. Геометрия дифференциальной GNSS показана на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Геометрия дифференциальной GNSS.

Дифференциальный режим GPS и/или GLONASS предполагает получение точностей 1-10 метров для динамических навигационных приложений. При использовании кинематической технологии обработки фазы несущей GNSS в дифференциальном режиме можно достичь точностей лучше, чем 10 см для небольших дальностей, менее 20 км. Базовая концепция дифференциального режима GNSS подобна той, какая используется в дифференциальном режиме LORAN-C, в дифференциальном режиме OMEGA и в режиме транслокации, применяемом в TRANSIT.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14