CC BY
7ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ И УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ
УДК 621.396.93:681.518.3
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ СИНХРОНИЗАЦИИ ГЕНЕРАТОРОВ В СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМАХ
Статья поступила в редакцию 12.09.2022, в окончательном варианте - 20.09.2022.
Нгуен Суан Чыонг, Тульский государственный университет, 300012, Российская Федерация, г. Тула, проспект Ленина, 92,
аспирант, ORCID: 0000-0001-7880-2351, e-mail: xuantruong19@hotmail.com.vn
В данной работе приводятся результаты исследований методов синхронизации генераторов спутниковых систем радиолокационного мониторинга Земли, которые работают в бистатическом режиме. Автором рассмотрены условия для обеспечения работоспособности системы синхронизации разнесенных генераторов, а также оценено влияние дополнительных факторов на точность измерения фазы, разработана структурная схема фазовой синхронизации с амплитудно-модулированным сигналом. В исследовании автор делает вывод о том, что эффективность работы системы синхронизации будет больше, если использовать трёхчастотную схему, преимущества которой заключаются в повышении развязки сигналов, передаваемых в противоположных направлениях, и обеспечении высокого уровня синхронизации в разнесённых системах при простых алгоритмах обработки сигналов. Отмечается, что существенным недостатком предложенной схемы с сигналами балансной амплитудной модуляции является работа фазового детектора на высокой частоте. В настоящий момент проводятся работы по поиску возможных вариантов устранения данного недостатка.
Ключевые слова: фазовая синхронизация, система мониторинга Земли, методы синхронизации
Графическая аннотация (Graphical annotation)
Центральный блок
Опорный генератор
Генератор модуляции
Фазовый модулятор
Выход синхронизации
Балансный модулятор
-»_
Фазовый детектор
Усилитель мощности
Малошумящий усилитель
Циркулятор
Антенна синхронизации
Удалённый блок
Выход синхронизации
Делитель частоты на 2
Когерентный детектор
Циркулятор
Антенна синхронизации
RESEARCH OF SYNCHRONIZATION METHODS FOR GENERATORS IN SATELLITE SYSTEMS
The article was received by the editorial board on 12.09.2022, in the final version — 20.09.2022.
Nguyen Xuan Truong, Tula State University, 92 Lenin Ave., Tula, 300012, Russian Federation,
post-graduate student, ORCID: 0000-0001-7880-2351, e-mail: xuantruong19@hotmail.com.vn
This paper presents the results of the research on the synchronization method of satellite systems for Earth radar monitoring operating in the bistatic mode. The conditions for ensuring the operability of a synchronization system for spaced generators are considered, the influence of additional factors on the accuracy of phase measurement is estimated, a block diagram of phase synchronization with amplitude modulated signals has been developed. In the study, the author concludes that the efficiency of the synchronization system will be greater if a three-frequency scheme is used, the advantages of which are to increase the isolation of signals transmitted in opposite directions and provide a high level of synchronization in diversity systems with simple signal processing algorithms. It is noted that a significant drawback of the proposed scheme with the BAM signal is the operation of the phase detector at a high frequency. Currently, work is underway to find possible ways to eliminate this shortcoming.
Keywords: phase synchronization, Earth monitoring system, synchronization methods
Введение. Особенностью модуля синхронизации космических аппаратов (КА) информационно-измерительных и управляющих систем космического мониторинга земной поверхности являются большие расстояния между ними и непрерывное измерение положения в пространстве, что обусловливает необходимость использования широких (сферических) диаграмм направленности антенн, приводящих к значительному ослаблению сигналов при распространении. Эта особенность систем синхронизации недостаточно исследована учеными [7-10].
В статье приведены результаты оценки фазовых ошибок в системе синхронизации с учётом изменения уровня сигнала от расстояния между космическими аппаратами, что позволяет оценить характеристики выбранного метода синхронизации и выбрать оптимальные параметры системы.
Анализ характеристик существующих методов синхронизации. При использовании одно-частотной синхронизации (схема которой показана на рисунке 1) центральный космический аппарат (ЦКА) непрерывно передаёт гармонический сигнал несущей частоты:
Uо(0 = U0m C0S(^/ + % ) . (1)
Удалённый космический аппарат (УКА) принимает сигнал и с помощью системы фазовой автоподстройки частоты подстраивает свой опорный генератор на частоту и фазу ЦКА, а затем передаёт его на центральный КА [5].
Рисунок 1 - Схема одночастотной фазовой синхронизации: ФД - фазовый детектор; F - фильтр; ГУН генератор, управляемый напряжением
За время вышеописанного цикла «приём-передача» возможны изменения частоты и фазы опорного генератора ЦКА и изменение фазы при распространении излучения, поэтому на вход приёмника центрального КА поступает сигнал от УКА, а также сигнал, проходящий на вход приёмника через неидеальный ферритовый циркулятор:
Uex(t) = U0Kc cos(®0t + ) + U0K(R)cos(rn0t + p0 + Vy), (2)
где K - коэффициент передачи опорного сигнала через циркулятор; K(R) - уменьшение амплитуды сигнала при распространении в пространстве на расстоянии R, которое приближённо может быть рассчитано по уравнению идеальной радиопередачи:
K (R) =. i^^e j, (3)
\\6ж2 R2
где D,D2 - коэффициенты направленного действия антенн системы синхронизации ЦКА и УКА; X - длина волны излучения; р - фазовая постоянная распространения волны; фу - фаза опорного сигнала УКА.
Фазовый множитель е зависит от расстояния между ЦКА и УКА и рассчитывается на основе точного определения расстояния между КА, что позволяет в дальнейшем этот фазовый сдвиг не учитывать. Так, например, в системе дистанционного зондирования Земли Теп^аг используется прецизионная оптическая система измерения расстояния между КА и дополнительное оптическое измерение расстояния до опорного геостационарного КА с точностью до 1 мм [4].
Сигнал после фазового детектирования в ЦКА определяется следующим выражением:
ид (г) = 0,5иоКс эт( 2ю0г) + 0,5ио
ДД12
[эт^^ + фу ) - эш ф ].
После фильтрации второй гармоники формируется полезный сигнал:
и д (г) = и о.
1
ДД А .
1 2 7 Э1П фу .
32ж2Я2 у
(4)
(5)
Поскольку при распространении сигнала его амплитуда значительно снижается, необходимо оценить отношение сигнал - шум на выходе детектора. С учётом тепловых шумов:
ип =< =4йтКг
(6)
где к - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура; АР - ширина полосы, отношение сигнал - шум на выходе фазового детектора составит:
£ / N =
и2 ДД А2 128ж2 Я2 kTАF
эт фу
(7)
На рисунке 2 приведены результаты расчёта зависимости отношения сигнал - шум от расстояния между КА в дБ на выходе фазового детектора одночастотной системы синхронизации гармоническим сигналом.
Рисунок 2 - Зависимость отношения сигнал - шум в дБ на выходе фазового детектора одночастотной системы синхронизации от расстояния между КА
Результаты показывают, что из-за необходимости обеспечения широкой диаграммы направленности и сильного уменьшения амплитуды волны при распространении передаваемый сигнал сильно затухает, однако отношение сигнал-шум для внутренних шумов остаётся достаточным для обеспечения малых значений предельной погрешности измерения фазы [1]:
= 1/ (£ / N). (8)
Однако на максимальной дальности предельная дисперсия измерения фазы приблизительно равна 72 = 10-5, что для среднего квадратичного отклонения (СКО) фазы составляет порядка
0,2 градуса, и максимальная фазовая ошибка может составлять более 0,5 градуса.
Вторым негативным фактором является прохождение на вход приёмника через циркулятор опорного сигнала, который по амплитуде существенно превышает сигнал УКА, причём фазы сигналов в фазовом детекторе и на входе могут отличаться. Это приводит к дополнительной фазовой ошибке, которая может быть оценена из выражения:
Др(Л) = p— arctan
K (R)sin(p)
fl+K (R)cos(p)^
K
K
(9)
где ф - фаза сигнала удалённого КА.
На рисунке 3 приведены результаты расчёта данной фазовой ошибки.
Рисунок 3 - Результаты расчёта фазовой ошибки, возникающей из-за прохождения опорного сигнала через циркулятор
Как видно из рисунка 3, уже на малых расстояниях ошибка становится недопустимой. Всё это показывает непригодность одночастотных систем для синхронизации космических аппаратов.
Если сигнал гармонической помехи имеет случайную фазу, распределённую по равновероятному закону фп, то при вычислениях по методике, предложенной в работе В.Б. Пестрякова [5] плотность вероятности отклонения результирующей фазы фр от измеряемой будет определяться следующими выражениями:
) = Р
п
p(pp) =
Un
U, < 1;
- sin2(Pp) cos(pp)
U
(10)
2п
1
Un
U
- sin2(p„)
Un > 1; U
(11)
где ип - амплитуда помехи; С/0 - амплитуда измеряемого сигнала.
Полученные выражения позволяют рассчитать дисперсию и СКО измерения фазы в этом случае:
п
= ¡P2pP(Pp )dpp .
(12)
На рисунке 4 приведены результаты расчёта влияния гармонической помехи со случайной фазой на СКО отклонения фазы при измерениях.
Результаты расчёта показывают, что для получения СКО отклонения фазы при измерениях не более десятых долей градуса относительный уровень сигнала помехи не должен превышать 5 • 10 3, т.е. соотношение сигнал - помеха (по мощности) требуется более 46 дБ. При сравнимых уровнях сигнала (и тем более, при превышении помехи над сигналом) измерения невозможны.
Проведённое исследование показало, что для обеспечения работоспособности системы синхронизации необходимо обеспечить ортогональность сигналов ЦКА и УКА. Обеспечение ортогональности прямого и обратного сигналов в системе возможно аппаратным методом (используя цир-кулятор), частотным (при разделении частот прямого и обратного каналов), временным (сигналы передаются в несовпадающие моменты времени), а также поляризационными методами. Поляризационный метод в данном случае неприменим, поскольку ЦКА и УКА перемещаются в пространстве и меняют ориентацию.
—п
Рисунок 4 - Результаты расчёта влияния гармонической помехи со случайной фазой на СКО отклонения фазы при измерениях
Модернизация двухчастотного метода синхронизации. Простейшим вариантом решения проблемы является использование частотной ортогональности, которая может быть реализована через двухчастотную схему [6, 7]. При использовании двухчастотной схемы используются две различные частоты: одна - для передачи от ЦКА к УКА, вторая - для передачи от УКА к ЦКА. Необходимая развязка каналов обеспечивается линейными частотными фильтрами.
Оценить уровень вносимой фазовой ошибки из-за прохождения опорного сигнала можно по ранее полученному выражению, в котором коэффициент Кф учитывает дополнительное подавление сигнала частотным фильтром
Лр( Я) = р- агСап
К (Я) 8т( р)
К„ К.
1 +
К (Я)ео8(р)
КК
ф
(13)
При реализации двухчастотных систем возникают проблемы с созданием двухчастотных каналов (прямого и обратного), работающих на различных частотах, но связанных по фазе (когерентных).
Для решения указанной проблемы предлагается модернизация двухчастотного метода, заключающаяся в формировании двух частот для прямого и обратного каналов методом балансной амплитудной модуляции (БАМ):
иБАМ (0 = и0 С°5(>0? + 0О) ГОЭО,,/ + вт ) =
Цс 2
Ц
®0 +®т,
> + ^0 +вт ]+ ЦТ -&т У + в0 - &т ]
(14)
2
где о0 - несущая частота; (дт - частота модуляции; в0 ,вт - фазы соответственно несущей и модулирующей частот.
Предлагаемый метод уже подробно описан автором настоящей статьи в работе, посвященной схеме синхронизации с амплитудно-модулированным сигналом для распределенных генераторов в спутниковых системах [2, 3], и отличается простотой реализации и контролируемостью сдвига их фаз. Частота модуляции определяется возможностью получения требуемого подавления второго канала и может выбираться (в зависимости от несущей) от единиц до десятков мегагерц.
Разработка структурной схемы системы синхронизации с БАМ-сигналом. На рисунке 5 представлена структурная схема системы фазовой синхронизации с БАМ-сигналом.
Центральный блок
Генератор модуляции
Опорный генератор
Фазовый модулятор
Выход синхронизации
Балансный модулятор
Фазовый детектор
Усилитель мощности
Малошумящий усилитель
Циркулятор
Антенна синхронизации
Удалённый блок
Выход синхронизации
Делитель частоты на 2
Когерентный детектор
Циркулятор
Антенна синхронизации
Рисунок 3 - Структурная схема системы синхронизации с БАМ-сигналом
Предлагаемая автором система синхронизации с БАМ-сигналом работает следующим образом.
1. Опорная частота синхронизации FC задаётся опорным генератором. Фаза этого сигнала может регулироваться фазовым модулятором. Для формирования двух связанных частот опорная частота модулируется в балансном модуляторе частотой FM, в результате чего формируются верхняя FB и нижняя FN боковые частоты. После усиления этот сигнал передаётся на удалённый блок. Набор фильтров на частоты FC, FB и FN обеспечивает частотное мультиплексирование - демультиплексирование сигналов.
2. Сигнал, принятый удалённым блоком, содержит верхнюю и нижнюю боковые частоты FB и ЕЫ. В когерентном детекторе после преобразования формируется суммарная частота 2FC и разностная частота ЕМ. После фильтрации частота сигнала делится на два, и при этом формируется частота синхронизации удалённого блока. Кроме того, эта частота передаётся в центральный блок.
3. Сигнальная частота ЕС в центральном блоке усиливается и поступает на фазовый детектор, где сравнивается с текущей частотой центрального блока. Сигнал рассогласования управляет фазовым модулятором, который устраняет фазовое различие фаз центрального и удалённого блоков.
Предлагаемая схема является трёхчастотной, что позволяет повысить развязку сигналов, передаваемых в противоположных направлениях, обеспечить высокий уровень синхронизации в разнесённых системах при простых алгоритмах обработки сигналов.
Заключение. Эффективность работы системы синхронизации будет больше, если использовать трёхчастотную схему. Преимущества такой схемы заключаются в повышении развязки сигналов, передаваемых в противоположных направлениях и обеспечении высокого уровня синхронизации в разнесённых системах при простых алгоритмах обработки сигналов.
Недостатком предложенной схемы с БАМ-сигналом является работа фазового детектора на высокой частоте, что затрудняет обеспечение высокой точности измерения фазы и ограничивает рабочую частоту системы синхронизации.
В настоящий момент проводятся работы по поиску возможных вариантов устранения данного недостатка. Одним из возможных путей является использование специального частотного канала синхронизации со специализированными антенными системами.
Библиографический список
1. Бакулев, П. А. Радиолокационные системы : учебник для вузов / П. А. Бакулев. - Изд. 3-е, перераб. и доп. - Москва : Радиотехника, 2015. - 440 с.
2. Нгуен, С. Ч. Схема синхронизации с амплитудно-модулированным сигналом для распределенных генераторов в спутниковых системах / С. Ч. Нгуен // Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов : сборник конференции ТулГУ. - 2021. - С. 107-113.
3. Нгуен, С. Ч. Двухчастотная схема синхронизации распределенных генераторов в спутниковых си мах / С. Ч. Нгуен // Известия ТулГУ. Технические науки. - 2020. - № 11. - С. 108-113.
4. Описание Террастар. - Режим доступа: https://сельхозпортал.рф/pesticidy_i_agrohimikaty/herbicides /?c_name=terrastar_vdg, свободный. - Заглавие с экрана. - Яз. рус. (дата обращения: 25.06.2022).
5. Пестряков, В. Б. Фазовые радиотехнические системы / В. Б. Пестряков. - Москва : Советское радио, 1968. - 469 с.
6. Чернов, Д. А. Синхронизация времени в пространственно разнесенной аппаратуре с помощью сигналов глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) / Д. А. Чернов // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. - 2016. - № 3. - С. 62-67.
7. Juan, Carlos Merlano Duncan. Phase Synchronization Scheme for Very Long Baseline Coherent Arrays / Juan Carlos Merlano Duncan. - 2012. - 197 с.
8. Pinheiro, M. Reconstruction methods of missing SAR data: Analysis in the frame of TanDEM-X synchronization link / M. Pinheiro, M. Rodriguezcassola // Proceedings of the European Conference on Synthetic Aperture Radar, Nuremberg, Germany, 23-26 April 2012.
9. Wang, W.-O. Measurement of Baseline and Orientation between Distributed Aerospace Platforms / W.-O. Wang // The ScientificWorld Journal. - 2013. - Vol. 2013
10. Younis, M. Performance Prediction and Verification for Bistatic SAR Synchronization Link / M. Younis et al. - 2006. - 4 p.
References
1. Bakulev, P. A. Radiolokatsionnye sistemy : uchebnik dlya vuzov [Radar systems: a textbook for universities]. Moscow, Radiotekhnika Publ., 2015. 440 p.
2. Nguen, S. Ch. Skhema sinkhronizatsii s amplitudno-modulirovannym signalom dlya raspredelennykh gener-atorov v sputnikovykh sistemakh [Synchronization circuit with an amplitude-modulated signal for distributed generators in satellite systems]. TekhnikaXXIveka glazami molodykh uchenykh i specialistov : sbornikkonferentsii Tulskogo gosudarstvennogo universiteta [Technology of the XXI century through the eyes of young scientists and specialists : collection of the conference of Tula State University], 2021, pp. 107-113.
3. Nguyen, S. Ch. Dvukhchastotnaya skhema sinkhronizatsii raspredelennykh generatorov v sputnikovykh sistemakh [Dual Frequency Synchronization Scheme for Distributed Generators in Satellite Systems]. Izvestiya Tulskogo gosudarstvennogo universiteta. Tekhnicheskiye nauki [News of Tula State University. Technical Science], 2020, no. 11. pp. 108-113.
4. Opisanie Terrastar /Description Terrastar]. Available at: https://сельхозпортал.рф/pesticidy_i_agrohimi-katy/herbicides/?c_name=terrastar_vdg (accessed 25.06.2022).
5. Pestryakov, V. B. Phase radio engineering systems [Phase radio engineering systems]. Moscow, Sovetskoe radio Publ., 1968. 469 p.
6. Chernov, D. A. Sinkhronizatsiya vremeni v prostranstvenno raznesennoy apparature s pomoshchyu signalov globalnoy navigatsionnoy sputnikovoy sistemy (GNSS) [Time Synchronization in Spatially Diversified Equipment Using Global Navigation Satellite System (GNSS) Signals]. Radiotekhnicheskiye i telekommunikatsionnyye sistemy [Radio Engineering and Telecommunication Systems], 2016, no. 3, pp. 62-67.
7. Juan, Carlos Merlano Duncan. Phase Synchronization Scheme for Very Long Baseline Coherent Arrays, 2012, 197 p.
8. Pinheiro, M., Rodriguezcassola, M. Reconstruction methods of missing SAR data: Analysis in the frame of TanDEM-X synchronization link. Proceedings of the European Conference on Synthetic Aperture Radar, Nuremberg, Germany, 2012, 23-26 April.
9. Wang, W.-O. Measurement of Baseline and Orientation between Distributed Aerospace Platforms [Measurement of Baseline and Orientation between Distributed Aerospace Platforms]. The Scientific World Journal [The Scientific World Journal], 2013.
10. Younis, M. et al. Performance Prediction and Verification for Bistatic SAR Synchronization Link, 2006. 4 p.
