Способ измерения частоты сигналов посылок радиобуев в космической системе поиска и спасания

Способ измерения частоты сигналов посылок радиобуев в космической системе поиска и спасания

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для использования в создаваемом в настоящее время международной организацией КОСПАС-САРСАТ среднеорбитальном сегменте космической системы поиска и спасения терпящих бедствия судов, летательных аппаратов, отдельных людей или групп [1, 2, 3].

Уровень техники

Среднеорбитальный сегмент этой системы имеет существенные преимущества перед эксплуатируемыми в настоящее время низкоорбитальным и геостационарным сегментами - высокую оперативность, глобальность и возможность независимого определения координат терпящих бедствие.

Вместе с тем, этот сегмент имеет и существенный недостаток - большие ошибки определения координат терпящих бедствие при использовании существующих аварийных радиобуев, которыми в настоящее время оснащены более 500 тысяч судов, самолетов, вертолетов и проводится бурное оснащение различных туристических групп, альпинистов, геологов, лесников, охотников и других людей, находящихся и работающих в сложных и опасных условиях. Замена этих буев на новые требует огромных затрат и длительного времени. Большие ошибки определения координат при использовании существующих буев связаны с их узкой полосой частот излучаемых буями сигналов которая не должна быть больше 1,6 кГц, что не позволяет получить хорошую точность измерения псевдодальностей.

Кратковременность (всего 160 мс) излучения буем чистой несущей и существенно худшие геометрические факторы в среднеорбитальном сегменте по равнению с низкоорбитальным не позволяют получить достаточную точность измерения частоты сигнала буя для того, чтобы получить достаточную точность измерения псевдоскорости, при использовании доплеровского метода определения координат.

Раскрытие изобретения

Предлагаемое изобретение позволяет устранить этот недостаток за счет существенного (в 4,5 раза) уменьшения ошибок измерения частоты сигналов посылок радиобуев.

Это позволяет, как показывают расчеты и моделирование, получить требуемую точность определения координат. Ошибка определения координат радиобуя не превышает 5 км с вероятностью 95%, в любой момент времени в любой точке земного шара.

При этом большинстве случаев точность определения координат будет значительно (в 2-3 раза) лучше.

Существенное повышение точности измерения частоты сигналов радиобуев в предлагаемом способе получается за счет использования для измерения частоты всей длительности сигнала посылки радиобуя (440 мс) вместо использования только немодулированной части этой посылки (160 мс).

Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении точности измерений частоты сигналов радиобуев.

Технический результат достигается тем, способ измерения частоты сигналов посылок радиобуев в космической системе поиска и спасания, отличающийся тем, что измерения частоты сигналов посылок излучаемых радиобуями, ретранслированными спутниками-ретрансляторами и принимаемых наземной станцией, производят с использованием всей длительности сигналов посылок и всей энергии их, для чего на наземной станции усиливают принятые сигналы и переносят их спектр в область нулевых частот, производят их преобразование в цифровой формат, полученные комплексные цифровые отсчеты принятого сигнала Z k = Z ( t k ) = S ( t k ) + N ( t k ) = A s k × e i   2 π ​ f изм . + N k , - частота сигнала S ( t k ) ,k=0,±1,±2,...,±N, t k = k ​   Δ t - моменты отсчетов сигнала;   Δ t = 10 мкс; A s k = а s ( t k ) e i φ ;

N k = X k + i Y k ; a s ( t k ) - амплитуда сигнала буя; X k ,   Y k - независимые случайные величины с σ X 2 = σ Y 2 = N 0 ​ ×   Δ f ш ;   Δ f ш = 80 кГц - шумовая полоса приемника, подвергают трехэтапной обработке, при этом результаты предыдущего этапа используют на последующем этапе, на первом этапе обработки посылок сигналов используют быстрое преобразование Фурье для обнаружения сигналов посылок радиобуев в шумах, при котором грубо определяют несущие частоты f изм ​ * принятых сигналов, далее вычисляют взаимную корреляционную функцию принятых сигналов с эталонным сигналом синхронизирующего слова, с которого начинаются все посылки сигналов всех радиобуев, при превышении полученного значения взаимной корреляционной функции над порогом, определяемым шумами, судят о факте обнаружения посылки сигнала радиобуя, а момент времени в который эта взаимная корреляционная функция сигналов достигает максимума равен моменту начала 25 бита модулированной части посылки сигналов, используя значения несущей частоты и момента начала 25 бита каждой обнаруженной посылки сигнала радиобуя, на втором этапе обработки производят демодуляцию сигналов, посылок содержащих информацию, которая определяет тип радиобуя, страну принадлежности радиобуя, номер и информацию о причине включения, декодируют посылку сигнала, которая закодирована кодом Боуза-Чоудхури-Хоквингейма (БЧХ кодом), при обнаружении в сигнале посылки не более 2-х ошибок, эти ошибки исправляют, получая достоверную информацию I(n), на третьем этапе обработки, используя информацию выделенную из достоверной посылки сигнала и определенные на первом этапе параметры сигнала, сигнала и определенные на первом этапе параметры сигнала, формируют опорный комплексно-сопряженный сигнал S 0 * ( t k )   = e − i [ 2 π   f и з м ​ *   t k + φ * + 1,1 M ( t k ) ] принимаемому сигналу S ( t k ) с амплитудой, равной единице, и подставленными в него грубыми значениями несущей частоты f изм ​ * , грубым значением фазы посылки   φ ∗ и двоичной цифровой последовательностью сигнала посылки радиобуя I(n), где

М ( t k ) - функция, определяемая информацией, заложенной в сигнал посылки радиобуя, М ( t k ) = { 0   п р и     − 22   000 ≤ k < − 6000           B ( t k ) ×   [ 2 I ( n ) − 1 ]   п р и     − 6000 ≤ k ≤ 22   000 ,

где B ( t k ) - меандр с частотой, равной примерно 400 Гц и периодом, равным длительности одного бита посылки 2,5 мс = 250 Δ t ;

B ( t k ) = { 1   п р и     t b n ≤ t k ≤ t b n + 125 Δ ​ t     − 1   п р и     t b n + 125 Δ ​ t ≤ t k ≤ t b n + 250 Δ t ,

где

t b n - момент начала n-го бита сигнала посылки радиобуя;

t b 25 = t 0 - момент времени середины сигнала посылки радиобуя, принятый за нулевой;

t b n = t 0 − 6250 Δ t + 250   n   Δ t ,

производят комплексное перемножение цифровых отсчетов Z k входного сигнала на значения S 0 * ( t k )   опорного сигнала, производят суммирование действительных значений ∑ k = − N + N   Re [ Z k × S 0 * ( t k ) ] и взвешенное суммирование мнимых значений полученных произведений с умножением на линейную функцию номера отсчета k ∑ k = − N + N   k Im [ Z k × S 0 * ( t k ) ] , где N равняется 22000 и вычисляют частоту сигнала посылки f изм = f изм ∗ + Δ F   , где

Δ F = 6 2 π   T N ⋅ ∑ k = − N + N   k Im [ Z k × S 0 * ( t k ) ] ∑ k = − N + N   Re [ Z k × S 0 * ( t k ) ] .

Также в способе измерения частот сигналов используют суммирование сигналов нескольких посылок того же радиобуя, для чего комплексные цифровые отсчеты обнаруженных, но не достоверных посылок сигналов суммируют с комплексными цифровыми отсчетами других обнаруженных посылок сигналов, частоты и времени прихода 25 бита которых находятся в диапазонах возможных значений для этого радиобуя, после суммирования двух, трех или более посылок сигналов суммарный сигнал используют для получения достоверной информации I(n)посылки радиобуя для формирования опорных сигналов.

Основная идея способа состоит в следующем:

1. Восстановление чистой несущей на всей длине посылки буя, посредством фазовой модуляции принятого сигнала посылки достоверной информации, выделенной из нее, взятой с обратным знаком (ре-модуляции).

2. Измерении частоты этой ре-модулированной посылки оптимальным алгоритмом, дающим потенциальную точность измерения [4]:

σ f = 6 2 π × T × E N o (1)

где

Т - длительность сигнала;

E N 0 = H × T - отношение энергии сигнала к спектральной плотности шума;

H = P c N 0 - энергетический потенциал принятого сигнала;

P c - мощность сигнала.

Для лучшего понимания сути и полезности предлагаемого способа приведем краткое описание схемы проведения измерений частоты сигнала посылок радиобуев и использования этих измерений для определения координат радиобуев среднеорбитальным космическим сегментом поиска и спасания. На фигуре 1изображена функциональная схема сегмента, где обозначено:

1. НКА № 1…№ М - космические аппараты глобальных навигационных спутниковых систем - ГЛОНАСС, GPS, Gallileo;

2. РТР - ретрансляторы сигналов, излучаемых радиобуями;

3. НК - навигационные комплексы - аппаратура, служащая для формирования и передачи сигналов, излучаемых НКА;

4. А₁- приемные антенны сигналов радиобуев;

5. А₂ - передающие антенны ретранслированных сигналов радиобуев;

6. А_нс - антенны навигационных сигналов;

7. СПОИ-СО - станция приема и обработки информации среднеорбитального сегмента;

8. ИИК-1…ИИК-М - информационно-измерительные комплексы;

9. КОВИ - комплекс обработки и выдачи информации;

10. КВЦ - координационно-вычислительный центр;

11. КВЦ других стран;

12. ПСС - поисково-спасательные службы;

13. f_б - частота сигнала радиобуя;

14. f₁, f₂, ... f_м - частоты сигналов радиобуя, приходящих на входы ретрансляторов НКА №1, НКА №2, НКА №М соответственно;

15. F_РТР1, F_РТР2, F_РТРМ - частоты сигналов на выходах ретрансляторов, размещенных на НКА;

16. F_НС1, F_НС2, F_НСМ - частоты навигационных сигналов, излучаемых НКА;

17. F₁, F₂, F_М - частоты сигналов ретрансляторов НКА, принимаемые СПОИ-СО;

18. F_НС1, F_НС2, F_НСМ - частоты навигационных сигналов НКА, принимаемые СПОИ-СО.

На фигуре 2 представлены графики функций I(n), B(t), и M(t).

На фигуре 3 представлена Функциональная схема алгоритма обработки комплексных цифровых отсчетов с выхода ИИКа СПОИ-СО, где обозначено:

19. Блок обнаружения посылок;

20. Блок быстрого преобразования Фурье (БПФ);

21. Коррелятор;

22. Блок сравнения с порогом;

23, 24. Блоки разрешения на выдачу параметров посылки;

25. Блок демодуляции и выделения достоверной посылки;

26. Демодулятор;

27. Декодер Боуза-Чоудхури-Хоквингейма;

28. Блок уточнения частоты: f изм ;

29. Блок вычислений опорного сигнала;

30. Блок комплексного умножения;

31, 32. Блоки суммирования действительной и мнимой части комплексных произведений;

33. Блок вычисления уточненного значения частоты сигнала посылки;

34. Блок обмена информацией и управления вычислительным процессом.

На фигуре 4 представлены отсчеты амплитуд спектра, полученные БПФ в области максимума его огибающей.

Частота сигнала посылки радиобуя приходящая на m-й НКА, описывается выражением:

f m ( t ) = f б × ( t − Δ t р а с п ) × ( 1 − D ˙ m c 2 + V m 2 2 c 2 − ψ ⊕ − ψ c c 2 ) , m=1, 2,…, M (2)

где

f б × ( t − Δ t р а с п . ) = 406,05   М Г ц + Δ f б . o + δ f б × ( t − Δ t р а с п . ) - частота, излучаемая буем;

Δ t расп . = D m c - время распространения сигнала буя до спутника-ретранслятора;

D m - дальность от буя до m-го НКА;

Δ f б . o - номинальное («литерное») значение частоты буя;

δ f б × ( t − Δ t р а с п ) - мгновенное отклонение частоты буя от номинала из-за погрешности установки и всех видов нестабильностей;

D ˙ m = d D m ( t ) d t - радиальная скорость удаления спутника от буя;

V m 2 2 c 2 − ψ ⊕ − ψ c c 2 - релятивистская поправка, первый её член за счет специальной, а второй за счет общей теории относительности;

V_m- модуль относительной скорости спутника относительно буя;

ψ ⊕ ,   ψ c - гравитационные потенциалы Земли на её поверхности и на НКА соответственно;

с - скорость света.

В формуле (2) только одна величина фактически зависит от положения радиобуя - это D ˙ . Хотя формально релятивистская поправка V 2 2 c 2 тоже зависит от положения буя на поверхности Земли, абсолютная величина её влияния на f m не превышает 0,01 Гц и ею можно пренебречь.

D ˙ = d D ( t ) d t = ( V → с − V → б ) × ( R → с − R → б ) D , (3)

где

R → с ,   R → б - радиус-векторы спутника и буя;

V → с ,   V → б - векторы скорости спутника и буя;

D = | R → с − R → б | - дальность от буя до спутника;

R → с и V → с - берутся на момент времени t, а R → б и V → б - на момент времени t − t р а с п .

К сожалению, вычислению D ˙ m из формулы (2) мешает очень неточное (грубое) знание фактической частоты буя. Величина δ ​ f б ( t ) может достигать сотен Гц.

Для устранения этой неприятности, как всегда делают в навигационных радиосистемах, используют разности измерений f m . :

Δ f m ,1 = f m − f 1 , m = 2,... M (4)

В качестве первого (опорного) спутника можно выбирать любой.

Подставляя в формулы (4) выражения для соответствующих D ˙ m по формуле (3), получим систему уравнений с двумя неизвестными широтой(B) и долготой(L)

для случая неподвижного буя на поверхности Земли или с пятью неизвестными(В, L и три компонента вектора скорости радиобуя), если буй движется под действием течения, ветра и морской качки.

Для неподвижного буя достаточно иметь измерения f m относительно трех спутников, чтобы образовать две разности Δ f , для движущегося буя необходимо не менее шести спутников.

Используя измерения f m относительно трех спутников, образуем две разности f m .

Δ f 2,1 = 1 λ б × ( D ˙ 1 − D ˙ 2 + V 1 2 2 c − V 2 2 2 c + ψ с 2 − ψ с 1 c )   Δ f 3,1 = 1 λ б × ( D ˙ 1 − D ˙ 3 + V 1 2 2 c − V 3 2 2 c + ψ с 3 − ψ с 1 c ) } (5)

Ввиду малости релятивистских поправок и их близости для трех спутниковых систем (GPS, Глонасс, Galileo) их разностями в формулах (4 и 5) можно пренебречь.

Тогда получим:

D ˙ 1 − D ˙ 2 = λ б × Δ f 2 ,1 D ˙ 1 − D ˙ 3 = λ б × Δ f 3,1     } (6)

где

λ б = c f б .

В этой формуле f б достаточно знать с погрешностью не большей, чем 1 к Г ц . При этом ошибки вычисления ( D ˙ 1 − D ˙ 2 ) и ( D ˙ 1 − D ˙ 3 ) не превысят 5 мм/с.

Из изложенного следует, что для определения координат радиобуя необходимо знать только разности f m ( Δ f m ,1 ), а не сами f m . По этой причине ошибки измерения f m , вызванные нестабильностью частоты буя ( δ f б ( t − Δ t р а с п ) ) полностью исключаются.

Осуществление изобретения

Суть данного способа измерения частоты сигналов посылок радиобуев в космической системе поиска и спасания КОСПАС-САРСАТ на станции приема и обработки информации со среднеорбитальных ИСЗ систем «Глонасс», GPS и Gallileo которые оснащены ретрансляторами сигналов радиобуев заключается в следующем. Для уменьшения ошибок измерения частот принимаемых сигналов, вызванных собственными шумами приемников спутников-ретрансляторов и наземных станций, эти измерения производятся с использованием всей длительности сигнала посылки радиобуя (440 мс), а не только по участку длительностью 160 мс - участку излучения чистой несущей частоты радиобуя, и соответственно всей энергии сигнала.

Для этого производится модуляция принятых наземной станцией (станцией приема и обработки информации со среднеорбитальных ИСЗ систем «Глонасс», GPS и Gallileo) сигналов аварийных радиобуев достоверной цифровой информацией, заложенной в сигналы передаваемые тем же самым аварийным радиобуем и выделенной из принятого сигнала в процессе его демодуляции и декодирования, взятой с обратным знаком (ремодуляция сигнала). Это преобразует весь принятый сигнал посылки этого радиобуя в немодулированную синусоиду, чем и обеспечивается получение минимально возможной ошибки измерения его частоты.

Хотя, как было показано выше для определения координат радиобуев необходимы только разности f m ( Δ f m ,1 ), технически удобнее в приемниках каждого ИИКа СПОИ-СО измерять f m , а разности их получать при обработке этих измерений в алгоритме определения координат. По этой причине мы опишем способ измерения f= f m ,однако, при оценке ошибок измерения будем учитывать только ошибки, возникающие из-за собственных шумов ретрансляторов и, в меньшей степени, из-за шумов СПОИ-СО.

Здесь и далее при описании способа измерения частоты и алгоритма обработки сигнала его реализующего, с целью упрощения формул, мы будем опускать индекс «m» у сигналов и их параметров (f, φ и т.п.) обозначающий номер КА-ретранслятора и соответствующего ему ИИК'а так, как алгоритм обработки сигналов принимаемого любым ИИК'ом совершенно одинаков.

Как указывалось выше, основная идея способа измерения FOA состоит в следующем:

- восстановлении чистой несущей на всей длине посылки буя, за счет фазовой модуляции принятого сигнала посылки достоверной информацией выделенной из посылки, с обратным знаком (ремодуляции) и измерении частоты этой ре-модулированной посылки с использованием алгоритма, дающего потенциальную точность.

Приведем подробное описание этого способа.

Входной информацией для алгоритма измерения частоты f являются комплексные цифровые отсчеты сформированные аналого-цифровым приемником ИИКа СПОИ-СО из принятого им сигнала, передаваемого спутником-ретранслятором, гетеродинированного в область нулевых частот:

Z k = Z ( t k ) = S ( t k ) + N ( t k ) = A s k × e i   2 π ​ f изм . + N k , k=0±1,±2,...,±N (7)

где

t k = k × ​   Δ t - моменты отсчетов сигнала;

  Δ t = 10^мкс;

A s k = а s ( t k ) × e i φ ;

N k = X k + i Y k ;

a s ( t k ) - амплитуда сигнала буя;

a s ( t k ) = { a   п р и     − 2,2 ⋅ 10 5 < t k ≤ 2,2 ⋅ 10 5 м к с           0   п р и   о с т а л ь н ы х   з н а ч е н и я х   t k ;

X k ,   Y k - независимые случайные величины с σ X 2 = σ Y 2 = N 0 ​   × Δ f