Обработка информации в импульсно-фазовой радионавигационной системе Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.396.986

ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ В ИМПУЛЬСНО-ФАЗОВОЙ РАДИОНАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЕ

А.Н. ДЯДЮНОВ, Д.М. ЧАРИКОВА

Статья представлена доктором технических наук, профессором Логвиным А.И.

В статье описаны алгоритмы, которые могут использоваться для разработки программного обеспечения приемоиндикаторов для импульсно-фазовых радионавигационных систем типа «Чайка» и «Лоран-С».

Ключевые слова: импульсно-фазовая радионавигационная система, программное обеспечение, приемоиндикатор.

Основные принципы работы импульсно-фазовых радионавигационных систем

Комплекс технических средств, предназначенный для определения местоположения объекта, называется радионавигационной системой (РНС). В состав РНС входят несколько неподвижных передающих станций, совокупность которых называется радионавигационной цепью. Аппаратуру, установленную на объекте, с помощью которой производится определение координат по принятым сигналам, называют приемоиндикатором. В России для определения местоположения объекта (самолеты, судна) широко применяются импульсно-фазовые радионавигационные системы (далее по тексту -ИФРНС) «Чайка» (РФ) и «Лоран-С» (США).

ИФРНС «Лоран-С» работает на рабочей частоте / = 100 кГц. Каждая цепь системы может содержать от 3 до 5 передающих радиостанций, одна из которых является ведущей. Другие станции - ведомые. Каждая станция цепи излучает пачку, состоящую из 8-ми импульсов. Импульсы внутри пачки модулированы в соответствии с определенным бинарным фазовым кодом, причем код ведомых станций отличается от кода ведущей станции, что позволяет ее опознавать. Соседние импульсы в пачке взаимно смещены на 1 мс. Ведущая станция излучает также 9-й импульс, отстоящий от последнего импульса в пачке на 2 мс. Этот импульс не используется для целей навигации, с его помощью передается служебная информация (о неисправности станций цепи). Вид каждого радиоимпульса показан на рис. 1.

0 100 200 300 400 500

Рис. 1. Радиоимпульс ИФРНС

В основе работы ИФРНС лежат и импульсный, и фазовый методы измерения радионавигационных параметров.

В импульсных радионавигационных устройствах (приемоиндикаторах) обычно имеют дело с огибающей сигнала; его высокочастотное заполнение или, как говорят, «тонкую» структуру сигнала не используют. В фазовых же РНС основную информацию о времени прихода сигнала получают измерением фазы высокочастотного заполнения сигнальной функции (используется «тонкая» структура сигнальной функции). ИФРНС относятся к ФРНС, в которых огибающую используют для решения вспомогательных задач: устранения многозначности, временного разделения неперекрывающихся по времени сигналов, селекции поверхностной волны и т.п.

Устранение влияния пространственных радиоволн на точность измерений достигается в приемоиндикаторах ИФРНС, которые обеспечивают автоматический поиск характерных точек фронтов поверхностных сигналов ведущей и ведомых станций. Если для измерения навигационного параметра использовать только начальную часть радиоимпульса, которая свободна от наложения отраженных сигналов, то на результаты измерений не будут влиять ошибки, связанные с интерференцией поверхностных и пространственных радиоволн. Поэтому огибающая импульсов (рис. 2 а) принята такой, что при определенных условиях может быть осущест-

влена отсечка пространственной волны. Для «Лоран-С» была принята форма огибающей, которая хорошо аппроксимуруется следующим выражением

=

КТи У

- 2-±-

е - е

, (1) где Ти = 65мкс.

Время запаздывания сигнала поверхностной волны в диапазоне длинных волн ночью не менее 40 мкс, днем обычно более 30 мкс. Поэтому характерную точку огибающей выбирают на фронте спустя примерно 30 мкс от начала импульса. На рис. 2 б изображена начальная часть импульса с высокочастотным заполнением. Характерная точка огибающей отмечена крестиком.

Рис. 2. Форма огибающей одиночного импульса (а) и его начальная часть (б)

Таким образом, задача определения интервала времени между приходом двух радиоимпульсов от двух радионавигационных станций ИФРНС сводится к следующему: после приема, фильтрации и усиления на вход в предпроцессор приемоиндикатора поступает сигнал, приведенный на рис. 3. Этот сигнал представляет собой два радиоимпульса от двух станций ИФРНС. Первый радиоимпульс - от ведущей станции цепи, второй радиоимпульс - от ведомой станции цепи. Каждый из радиоимпульсов аналитически определен выражением

(і ) - ^ Цг- і

Б^) = Бп (?) • 8т| • ? |, (2)

где Бп(^ - огибающая радиоимпульса, в соответствии с (1); Т - период несущих колебаний, Т=10 мкс.

2

и

Рис. 3. Радиосигнал, поступающий в приемоиндикатор

Второй импульс сдвинут относительно первого на время 4- Необходимо определить время tu. Измерение производить на участках радиоимпульсов, свободных от влияния отраженных пространственных сигналов. Для этого произвести определение характерных точек радиоимпульсов.

Наибольшая точность измерения интервала времени между приходом двух радиоимпульсов от ведущей и ведомой радионавигационных станций ИФРНС достигается при использовании фазовых методов измерения. Поэтому в ИФРНС применяется измерение разности фаз между несущими колебаниями, заполняющими радиоимпульсы ведущей и ведомых станций.

Однако фазовые измерения обладают одним существенным недостатком: результат измерения однозначен только в том случае, если запаздывание одного колебания относительно другого не превышает периода Т сравниваемых колебаний.

Если истинное значение запаздывания 4 одного колебания по отношению к другому больше целого числа N периодов Т

tu > N ■ Т, (3)

то результат фазового измерения позволяет определить лишь дробную часть tф периода Т с некоторой ошибкой измерения времени Atф.

Следовательно, истинное запаздывание tu колебаний между собой, измеряемое фазовым методом, может быть представлено в виде

tu = NT + tф+ Atф . (4)

Так как число N целых периодов сравниваемых колебаний неизвестно, то как уже отмечалось, фазовые измерения обладают многозначностью.

Для устранения многозначности фазовых измерений навигационного параметра tu , т.е. для определения числа N , необходимы дополнительные измерения. Таким дополнительным измерением в ИФРНС является измерение запаздывания t0 по огибающей радиоимпульсов. При импульсном измерении разности времени или запаздывания t0 сигналов также допускается некоторая ошибка At0 , и истинное значение запаздывания tu будет равно

tu = to+ Ato, (5)

где t0 - результат измерения по огибающим.

Если величины ошибок Atф в выражении 4 и At0 в выражении 5 будут небольшими, то неизвестное целое число N определяется совместным решением этих двух уравнений путем исключения 4

N = ■

ф

Д4 - At.

Т

+ ■

ф

Т

(6)

Из выражения (6) видно, что целое число N определяется однозначно, если ошибки измерений (второе слагаемое) будут меньше ±Т/2.

Очевидно, условием однозначности определения истинного значения запаздывания tи одного колебания по отношению к другому будет

T < —

2

(7)

Ошибка фазовых измерений Atф обычно бывает значительно меньше ошибки импульсных измерений Atо, поэтому условие 7 можно переписать в виде

N < 2

2 (8)

Для ИФРНС «Лоран-С», «Чайка» Т=10 мкс и поэтому |^0|<5 мкс , т.е. для устранения многозначности фазовых измерений ошибка измерения навигационного параметра 1и по огибающей радиоимпульсов не должна превышать половину периода несущих колебаний. Таким образом, в ИФРНС для устранения многозначности фазовых измерений навигационного параметра применяется импульсное измерение навигационного параметра по огибающим радиоимпульсов. Совместное решение уравнений (4), (5) осуществляется автоматически с помощью раздельных систем слежения за характерной точкой огибающих и периодом несущих колебаний, соответствующим этой точке.

Каждая следящая система (импульсная и фазовая) связывается со своим «счетчиком». Импульсный «счетчик» дает «грубые» отсчеты навигационного параметра 1и - число N целых периодов Т несущих колебаний, а фазовый - точные отсчеты до сотой доли периода Т. При расхождении отсчетов между счетчиками более, чем на 5 мкс теряется однозначность фазовых измерений, поэтому необходимо провести ряд дополнительных мероприятий по анализу расхождений показаний «грубых» и «точных».

Метод выделения огибающей из радиоимпульса

Сигнал S(t) представляет собой действительную функцию времени. Сопряженная ему функция S1(t) однозначно определяется с помощью преобразования Гильберта

■ зд,

ж -1 т-1 1'' ж * т-

0 1 г S1(т) , 1 ¥ S (г) .

S (^ = — dт S1(t) = —• 1^^ dt

р t ; р t (9) Тогда реальному сигналу S(t) будет соответствовать аналитический комплексный сигнал

г(^^)+і^(). (10)

При этом представляется возможным дать однозначное определение огибающей 2(1;) принимаемого сигнала Б(1;)

г (I) = ТхЧо+ЗЧо

(11)

В частности, для периодических сигналов, каковым является радиоимпульс для образования сигнала S1(t), сопряженного с принимаемым сигналом S(t), достаточно (в первом приближении) пропустить сигнал S(t) через фазовращатель (в нашем случае - программный), сдвигающий фазу всех составляющих его спектра на -п/2.

Метод определения разности фаз между принимаемым радиоимпульсом и опорным сигналом

Для получения алгоритма определения разности фаз между принимаемым и опорным сигналами произведем следующие тригонометрические расчеты.

Пусть принимаемый сигнал равен

X(t)=sin(mt+po)- (12)

Выберем опорный сигнал Y(t) с такой же, как у принимаемого сигнала частотой

Y(t)=sin(at). (13)

Разность фаз Ау между опорным и принимаемым сигналами равна

Аф= at - (mt+p0) = - ф0 . (14)

Выразим Аф через сигналы X(t) и Y(t). Введем дополнительные сигналы X1(t) и Y1(t)

X1(t)= sin(rnt+p0- п/2) = - cos(mt+p0);

Y1(t)= sin(at - n/2) = - cos(at). (15)

Найдем sin(Ap) и cos(Ap)

sin(Ap) = sin(- ф0) = sin(at- (at+ф0));

cos(Ap)= cos(- ф0) = cos(at- (at+p0)). (16)

Используя формулы тригонометрических преобразований, получим

sin(- ф0) = sin(at- (Ш+ф0))= sin(at) • cos(at+p0) - cos(at) • sin(at+p0); cos(- ф0) = cos(at- (Ш+ф0))= cos(at) • cos(at+ф0) + sin(at) • ,^т(^+ф0). (17)

Подставляя формулы (12).. .(16) в формулу (17), получим

sin(Aф) = X(t) • Y1(t) - X1(t) • Y(t);

cos 0ф)= X1(t) • Y1(t) + X(t) • Y(t). (18)

Разность фаз Aф в диапазоне от 0 до 2п будем искать следующим образом arcsin(sin(A j))_если _cos(A j) > 0_и _sin(A j) > 0 p- arcsin(sin(A j))_если _cos(A j) < 0

2 • p + arcsin(sin(A j))_если_cos(A j) > 0_и_sin(A j) < 0. (19)

Каждый из радиоимпульсов аналитически определен выражением (2). Если значение при-

нимаемого сигнала S(t) разделить на амплитуду принимаемого сигнала Sn(t) (1) в данный момент времени, то мы получим простую синусоиду, и разность фаз между опорным и принимаемым сигналами можно будет находить по формуле (19).

Метод определения характерной точки радиоимпульса

A j =

Рис. 4. Вторая производная огибающей 2(1)

Если проанализировать формулу огибающей (1) радиоимпульса, то мы увидим, что характерная точка огибающей примерно соответствует точке перегиба этой огибающей. Таким образом, вторая производная огибающей в точке перегиба будет равна 0 (рис. 4). Причем график функции второй производной огибающей пересекает 0 «сверху - вниз» в точке перегиба.

Алгоритм устранения многозначности фазовых измерений

Сигнал S1(t), сопряженный с принимаемым сигналом S(t), можно найти следующим образом

ЗД) = S (I - Т)

4 (20)

где Т - период несущих колебаний (Т = 10 мкс).

Если период дискретизации т1=Т/4, то дискретное значение сопряженного сигнала S1(t) в момент дискретного времени 1=г т1 будет равно дискретному значению принимаемого сигнала S(t) в предыдущий момент дискретного времени, т.е.

Sl(i■ Т1)= S([i-1]■ Т1). (21)

Обозначим дискретные значения сигналов S(t) и S1(t) в момент времени 1=г т1 соответственно л(У) и л1(У). Тогда

Sl(i)= л(и1). (22)

В целях устранения нежелательного влияния высокочастотной составляющей (100кГц) принимаемого радиосигнала для вычисления дискретных значений огибающей будем использовать период дискретизации т2 в 2 раза больший, чем период дискретизации Т1

Т2 = 2-Т1 = Т/2. (23)

Тогда дискретное значение огибающей гф в момент времени 1=гт2 будет равно

/5 2 (2 • /') + 5, '

г(/) = д/ 5 2(2 • /) + ^2(2 • /)

Используя (22), находим

(24)

81(2-0 = л(2^-1) . (25)

Подставляя (25) в (24), получаем

г (г) = 1)

(26)

Обратим внимание, что значения гф определяются в два раза реже, чем дискретные значения л(У) принимаемого сигнала.

Для определения характерной точки огибающей необходимо определить, в какой точке график второй производной огибающей проходит через ноль «сверху-вниз».

Первая производная огибающей в точке 1=Ьт2 равна

съ (о»г(0 -г(i - [)

Т2

(27)

Вторая производная огибающей в точке 1=Ьт2 равна

С2г(,) » Сг(0 - Сг( - 1) = 2(^ - ^ - 1) - [^ - 1) - ^ - 2)]

Т2 Т2

Преобразуем (28), получим

С2 г(г)

г (/') - 2 • г (/' -1) + г (/' - 2)

т22

(28)

(29)

Подставляя (26) в (29) и упрощая, получим

^2(2• 1) + ^2(2• 1 -1) -2•д/^2(2• 1 -2]) + э2(2• 1-3) + д/э2(2• 1 -4) + э2(2• 1-5)

т2

. (30)

Как видим из формулы (30), для определения характерной точки нам надо иметь 6 последних значений выборок принимаемого сигнала.

Таким образом определяем следующий порядок вычислений для устранения многозначности фазовых измерений:

1. Выбираем период дискретизации т1 для получения выборок принимаемого сигнала 8(1) Т1 = Т/4.

2. Выборки принимаемого сигнала сохраняем в накопительном буфере, буфер должен иметь объем для сохранения 6 выборок.

3. Выбираем период дискретизации т2 для вычисления второй производной огибающей а21(1) т2 = Т/2.

4. Вычисляем текущее значение второй производной огибающей по формуле

,2 Л 2(2 • 1) + э 2(2 • г -1) - 2 •л/э 2(2 • 1 - 2]) + э 2(2 • 1 - 3) + л/ э 2(2 • 1 - 4) + э 2(2 • 1 - 5) а 1(г) « ------------------------------------2------------------------------------

Сохраняем текущее и предыдущее значения ё21(1) и ё21(1-1) производной по огибающей.

5. Анализируем значения 0*1(1) и ё21(1-1).

Если выполняется условие (01(1-1)>0 и ё21(1)<0 ), то считаем, что характерная точка первого радиоимпульса находится в дискретный момент времени 1

1=1. (31)

6. Запоминаем дискретный момент времени 11 характерной точки для первого радиоимпульса.

7. Аналогично п.п.1.. .7 находим дискретный момент времени 12 для второго радиоимпульса.

8. Находим разность времени го между приходом второго и первого радиоимпульса («грубое» измерение)

Ъ=(12 - 11) • Т2. (32)

9. Находим целое число периодов N при измерении разности времени между приходом двух радиоимпульсов

(г ^

N = целая _ часть _ от _ — I

^Т' (33)

Алгоритм слежения за фазой принимаемого сигнала

Разность фаз высокочастотного заполнения между опорным сигналом и первым радиоимпульсом (Аф1) и между опорным сигналом и вторым радиоимпульсом (Лф2) находим в соответствующих характерных точках, т.е. в точках 11 и 12 .

1. Выбираем опорный сигнал У(г) с такой же, как у принимаемого сигнала частотой

У(г)=эт(Ш); у(1)=э1п(ю-1-т1), (34)

где ю = 2-ж-£ / = 100 кГц.

2. В соответствии с (18) и учитывая, что амплитуда синусоиды определена огибающей и находится в соответствии с формулой (24), определяем разность фаз высокочастотного заполнения между опорным сигналом и первым радиоимпульсом (Аф1). Учитываем, что период дискретизации т1 для выборок принимаемого сигнала в 2 раза меньше, чем период дискретизации т2 для определения характерной точки

81п Др = ¿(2-у(2/1 -1) - я(2-/1 -1)-у(2-/1)

-у/^2 (2 • /1) + ^2 (2 • /1 — 1)

сОБ Д <р1

¿(2-/ -1)-У(2 / -1) + ¿(2-^1)-У(2 /1)

^2 (2 • /1) + ^2 (2 • /1 -1) ; (35)

агсвт^т Др)_если_собДр > 0_и_бшДр > 0

Др = р- агсвт^тДр)_если_собДр < 0

2-р + агсБт^тДр1)_если_собДр > 0_и_бшДр < 0- (36)

3. Аналогично определяем разность фаз высокочастотного заполнения между опорным

сигналом и вторым радиоимпульсом (Лф2)

5(2 •/2)-У(2-/2 -1)-¿(2-Ь -1)-У(2/2)

б1п Др2

^2 (2 • /2) + ^2 (2 • /2-1) ¿(2-*2 - ^ У(2 /2 -1) + 5(2 ^2 ) ^ У(2 /2)

сОБ Др2 =

^2(2^ /2) + 52(2 /2 - 1) ; (37)

агсвт^т Др2)_если_собДр2 > 0_и_бшДр2 > 0

Др2 = р-агсвт^тДр2)_если_собДр2 < 0

2 • р + агсвт^тДр2)_если_собДр2 > 0_и_бшДр2 < 0 - (38)

4. Рассчитываем разность фаз (Лф) между несущими колебаниями первого и второго радиоимпульса по формуле

Лф = Лф2 - Лф1. (39)

Учтем, что при значениях Лф=0 и Лф=2п может произойти ошибка в расчетах Лф на 2п. Это может привести к потере однозначности фазовых измерений. Эту проблему решим ниже, введением коррекции измерений интервала времени между двумя радиоимпульсами фазовым методом.

Алгоритм определения интервала времени между приходом радиоимпульсов от двух радионавигационных станций ИФРНС

1 Рассчитываем «точные» показания времени tиф ,измеряемого фазовым методом

иф

(40)

где Т - период несущих колебаний, Т=10 мкс, N - целое число периодов вычисляется по формуле (33), Лф - вычисляется по формуле (39).

2. Рассчитываем расхождение времени Л^асх между «грубыми» ^ и «точными» 4ф измерениями

Лtрасх = ^о - tиф. (41)

3. Анализируем Лtрасх, и в случае необходимости делаем коррекцию показаний 4ф следующим образом

N • Т +

Др 2^ р

• Т _ если _ Д:расх\ < 5

N • Т + (Др—2 р) • Т _ если _ Дtрасх < -5 .

N • Т +

2 р

(Др + 2 р) 2 ■ р

(42)

• Т _ если _ Д:расх > 5

Была составлена программа тестирования в пакете МаШСАО. В программе задавались два радиоимпульса с различными интервалами между ними и проводился поиск разности времен

прихода радиоимпульсов по приведенным выше алгоритмам, затем определялась погрешность обработки. Тестирование программы по определению интервала времени между двумя радиоимпульсами от двух станций ИФРНС показало хорошие результаты. Максимальная погрешность, обусловленная предложенными алгоритмами программы, не превышает 0,149 мкс, что составляет 0,015 периода несущей частоты радиоимпульса.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кинкулькин И.Е. , Рубцов В.Д. , Фабрик М. А. Фазовый метод определения координат - М.: Сов. радио, 1979.

2. Быков В.И., Никитенко Ю.И. Импульсно-фазовая радионавигационная система «Лоран-С». - М.: Транспорт, 1967.

3. Аргунов А. Д. Анализ системы передачи информации, использующей навигационный сигнал ИФРНС: сб. тр. 3-й междунар. конференции "Планирование глобальной радионавигации" 9-11 октября, 2000.

4. Басс В.И., Ефремов П.Э., Зарубин С.П., Царев В.М. Современное состояние и перспективы развития российской радионавигационной системы "Чайка" и объединенных радионавигационных цепей "Чайка"/" Лоран-С" // Новости навигации. - 2008. - № 1.

ALGORITHMS FOR DEFINITION OF AN INTERVAL OF TIME BETWEEN TWO RADIO IMPULSES FROM TWO RADIO NAVIGATING STATIONS OF IMPULSE-PHASE RADIO

NAVIGATING SYSTEM

Djadjunov A.N., Charikova D.M.

Algorithms, which can be used for software working out for the receiver of radio signals for impulse-phase radio navigating systems of type "Chayka" and "Loran-C", are described in the article.

Key words: impulse-phase radionavigation system, software, receiver.

Сведения об авторах

Дядюнов Александр Николаевич, 1946 г.р., окончил МВТУ им. Н.Э. Баумана (1968), кандидат технических наук, доцент кафедры информационных систем и телекоммуникаций МВТУ им. Н.Э. Баумана, автор 64 научных работ, область научных интересов - радионавигация, системы передачи информации.

Чарикова Дарья Михайловна, студентка 5 курса МВТУ им. Н.Э. Баумана, область научных интересов - радионавигация.