Methods of realizations of satellite radionavigation system simulators

Толық мәтін

На сегодняшний день уровень развития спутниковых радионавигационных систем (СРНС) позволяет обеспечить координатно-временными параметрами космические аппараты (КА), находящиеся на геостационарных (ГСО) и высокоэллиптических орбитах. Для этого в ОАО «ИСС» имени академика М. Ф. Решетнева на основе соответствующих методов позиционирования был разработан специализированный радионавигационный приемник [1]. Его установка на КА, находящихся на ГСО, обеспечила контроль полета в автоматическом режиме, а точность позиционирования увеличилась до нескольких сотен метров, заменив дорогостоящую астрономическую обсервацию с точностью позиционирования несколько километров. Для проверки, отладки и метрологической сертификации навигационных приемников (НП) [2], в том числе специализированных (орбитальных), необходима сертифицированная контрольно-испытательная аппаратура, в состав которой в обязательном порядке должен входить имитатор радионавигационных сигналов (ИРНС), эмулирующий реальное функционирование НП. ИРНС для проверки функционирования приемников формирует как единичные навигационные сигналы (НС) с известными параметрами для проверки каналов приема, так и сигналы от навигационных космических аппаратов (НКА) СРНС ГЛОНАСС и GPS для проверки НП на выполнение своей целевой задачи. Также при помощи ИРНС производится измерение погрешности определения навигационных параметров. Принципам построения ИРНС и способом формирования НС и посвящена данная статья. Самый очевидный способ реализации ИРНС -раздельный поканальный синтез НС, когда навигационные сигналы формируются специальными цифровыми синтезаторами (ЦС) или некими их аналогами, сглаживаются фильтрами нижних частот (ФНЧ), переносятся в высокочастотную (ВЧ) область раздельно для каждого канала и затем суммируются в сигнал, имитирующий требуемую навигационную обстановку (рис. 1). Данный способ позволяет калибровать и настраивать каждый канал синтеза сигнала, а также раздельно управлять тактовыми частотами синтезаторов сигнала для имитации эффекта Доплера. Это позволяет весьма качественно генерировать единичные навигационные сигналы. Однако в этом способе реализации имеется один существенный минус - «рассогласованность» (метрологическая неидентичность) каналов и, как следствие, различное время прохождения сигналов в каналах. Стоит отметить, что разность прохождения сигналов в каждом радиотракте (межканаль-ное расхождение) в 10 нс дает погрешность определения координат около трех метров. Данный недостаток можно частично устранить при помощи введения обратных связей, схем управления и синхронизации, тем самым уменьшить межканальное расхождение сигнала до 1 нс, а погрешность до 30 см, но это значительно усложняет конструкцию имитатора и, следовательно, удорожает его производство. Самотестирование и самокалибровка таких приборов после включения займет порядка 30-40 мин. А стоимость (например, имитаторов Spirent Communications GSS8000, GSS7790, GSS7600, где применяется раздельный пока-нальный синтез НС) доходит до 900 млн руб. Реализация полного цифрового синтеза НС с суммированием сигнала от каждого синтезатора на промежуточной частоте (ПЧ) и последующим переносом группы сигналов в ВЧ-область практически устраняет метрологическую неидентичность каналов, присущую раздельному поканальному синтезу. В этом способе дискретные синтезаторы тактируются одной частотой Ft, из-за чего перестройка частоты при имитации эффекта Доплера идет с дискретизацией, определяющейся Ft и характеристиками самих синтезаторов (рис. 2). Данный способ довольно прост в реализации и является относительно недорогим, но возникает сложность обеспечения согласованной работы каналов цифрового синтеза на ПЧ. Если при разработке топологии печатной платы и конструкции прибора учесть все разности прохождения тактового и навигационного сигналов от каждого синтезатора до сумматора, а также встроить схемы фазовой автоподстройки частоты, то можно уменьшить погрешность позиционирования от межканального расхождения сигналов до 1-2 м без сложных схем синхронизации и калибровки и при условии не более шести каналов имитации. Так разрабатывались первые серийные ИРНС, такие как, например, 6-канальный МРК-40 ОАО «НПП «Радиосвязь» (г. Красноярск) или 4-канальный СН-3802 ЗАО «КБ «Навис» (г. Москва). Однако так как все современные НП имеют 12 и более каналов приема НС, такие ИРНС уже не обеспечивают всей полноты проверки навигационных приемников. Проблему увеличения числа каналов имитации НС без использования сложных схем синхронизации и калибровки может решить интегрирование синтезаторов и сумматора в единую цифровую схему, что обеспечит согласованную работу всех каналов синтеза НС (рис. 3) [3]. Современные технологии позволяют организовать прямой полный цифровой синтез и суммирование НС в цифровом виде с достаточно большим частотным разрешением. Это позволяет избежать рассогласованной работы каналов синтеза НС. В качестве носителя единой цифровой схемы можно использовать кристалл программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС). Современные быстродействующие ПЛИС позволяют интегрировать большое число синтезаторов, организовывать генерацию и суммирование НС в режиме реального времени. Суммарный НС в цифровой форме можно подавать на вход быстродействующего цифроаналогового преобразователя (ЦАП) и переносить в ВЧ-область обычным преобразователем частоты вверх. 31 Математика, механика, информатика Ц -► ЦС1 А П 1600 МГц Преобразователь частоты вверх ЦСп Ц А -► ФНЧ -► Преобразователь П частоты вверх Навигационный /^сигнал на ^1600 МГц Рис. 1. Формирование НС с раздельным поканальным синтезом Ц ЦС1 А -► ФНЧ -► П ЦС2 ц ЦСп А -► ФНЧ П 0...30 МГц Навигационный /сигнал на "^1600 МГц Рис. 2. Формирование НС дискретными синтезаторами на ПЧ Цифровая схема 0...30 МГц Преобразователь частоты вверх Навигационный /^сигнал на г"^1600 МГц Рис. 3. Формирование НС интегрированными синтезаторами Единственным недостатком данного способа является наличие существенной погрешности перестройки частоты при имитации эффекта Доплера (впрочем, не превышающей аналогичную погрешность предыдущего способа). Перестройка осуществляется с дискретным шагом, определяющимся частотой тактирования и характеристиками интегрированных синтезаторов, т. е. дальность между НП и НКА по средством НС описывается с помощью специальной кусочнолинейной аппроксимации. Так как распознание НС в НП осуществляется путем определения максимума корреляционной функции, то этот недостаток можно частично компенсировать путем применения усредняющей аппроксимации. Можно сразу учесть все погрешности дискретизации, если заранее синтезировать весь спектр НС в цифровом виде, а затем перевести его в аналоговый вид сверхбыстродействующим ЦАП с последующим переносом его в ВЧ-область. Для получения полного НС в цифровом виде можно использовать вычислительные машины различного назначения, а в качестве сверхбыстродействующего ЦАП с преобразователем частоты вверх - программируемый векторный генератор (рис. 4). Единственным условием успешного формирования НС программным синтезом является обеспечение своевременной подачи рассчитанных значений в ЦАП. Значит, необходимо обеспечить быстрый расчет параметров НС и их непрерывную передачу с соответствующей скоростью, либо (если расчёт с передачей в реальном времени организовать не удается) полученные значения сигнала необходимо записывать на носитель больших цифровых массивов, после чего по скоростному каналу связи непрерывно передавать данные с носителя на ЦАП. 32 Вестник СибГАУ. № 1(53). 2014 Группа НС в цифровой Векторный генератор \ Ц ЭВМ -V А -► П Преобразователь частоты вверх Навигационный /сигнал на ^1600 МГц Рис. 4. Формирование НС программным синтезом на векторном генераторе Группа НС в цифровой форме Преобразователь частоты вверх Навигационный сигнал на -W-i '1600 МГц Рис. 5. Формирование НС на векторном генераторе навигационным процессором Проблему быстрого расчёта и передачи в реальном времени параметров НС может решить специальный навигационный процессор, который выполнит все необходимые действия и обеспечит всеми данными векторный генератор (рис. 5). Серийных микросхем таких специализированных процессоров для формирования радиосигналов пока немного, но можно реализовать его на ПЛИС. Данный способ позволяет создать весьма гибкую схему имитации НС, а современные быстродействующие ПЛИС позволят организовывать воспроизведение широкого спектра радиосигналов (и, соответственно, большого числа каналов имитации НС) в режиме реального времени. Данная схема считается наиболее перспективной при реализации ИРНС ГЛОНАСС/GPS для всех видов НП [4]. Для сокращения времени и стоимости разработки ИРНС целесообразно использовать их возможные модульные реализации [5]. Например, модуль PXIe-5641R производства National Instruments (NI), имеющий ПЛИС и по два независимых канала ЦАП и АЦП, хорошо подходит для разработки на его базе имитатора на интегрированных синтезаторах. Реализовав на ПЛИС модуля цифровое формирование НС и пропустив его через встроенные ЦАП, можно получить до 32 НС на ПЧ. Далее полученная группа сигналов переносится в необходимый ВЧ-диапазон модулем преобразователя частоты вверх NI PXI-5610. Управление и программирование производится в разработанной той же NI среде графического программирования Lab VIEW, которая позволяет разрабатывать прикладное программное обеспечение для организации взаимодействия с измерительной и управляющей аппаратурой, сбора, обработки и отображения информации, а также моделирования как отдельных объектов, так и автоматизированных систем в целом [6]. Для способа программного синтеза НС прекрасно подходит векторный генератор сигналов NI PXI-5672. Данные модули устанавливаются в шасси (например NI PXIe-1075 с системным контроллером NI PXIe-8130). На системном контроллере - встроенном компьютере - производится расчет НС в цифровой форме. Далее по системной шине шасси сигнал передается на модуль ЦАП NI PXIe-5442 (из состава векторного генератора) для перевода в аналоговую форму, и далее через ВЧ-кабель сигнал поступает на преобразователь частоты вверх PXI-5610. Данный способ позволяет генерировать программно до 9 каналов НС в режиме реального времени. При необходимости большего числа каналов используется RAID-накопитель HDD-8264 с модулем NI 8262. В настоящее время в ОАО «ИСС» используются для отладки и испытаний орбитальных НП оба ИРНС в модульном исполнении. Использование современных технологий при создании имитаторов радионавигационных сигналов описанными выше способами позволит решить проблему испытаний специализированных НП, а при модульной реализации с гибким программным обеспечением можно в кратчайшие сроки производить доработку ИРНС для новых видов навигационной аппаратуры.

Авторлар туралы

Sergey Krasnenko

Siberian Federal University; JSC “Information Satellite System” named after academician M. F. Reshetnev”

Email: t_150@list.ru
engineer of JSC “Information Satellite System” named after academician M. F. Reshetnev”, post-graduate student of Siberian Federal University.

Aleksander Pichkalev

JSC “Information Satellite System” named after academician M. F. Reshetnev”

the chief of group

Dmitrii Nedorezov

JSC “Information Satellite System” named after academician M. F. Reshetnev”

Email: Nd@iss-reshetnev.ru
programmer engineer

Aleksei Lapin

JSC “Information Satellite System” named after academician M. F. Reshetnev”

the design engineer

Oleg Nepomnyashcy

Siberian Federal University

Email: 2955005@gmail.com
Candidate of Engineering Sciences, associate professor, professor of Laboratory of microprocessors system of Computer Science Department, Institute of Space and Information Technology

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар