Способ измерения мощности навигационных сигналов с частотным и кодовым разделением

Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться в радиотехнических измерительных комплексах. Технический результат состоит в обеспечении определения мощности каждой составляющей радионавигационного сигнала в приземном слое в полосе анализа и с поправкой на коэффициент усиления антенны. Для этого в состав измерительного комплекса входят крупноапертурная антенная система и средства измерений спектральной плотности мощности принимаемых сигналов, обеспечивающие совместную обработку результатов измерений спектральной плотности мощности навигационных сигналов в ограниченной полосе частот. Сложная форма частотной зависимости суммарной спектральной плотности мощности в результате обработки раскладывается на ее составляющие - огибающие спектральных плотностей мощности, принадлежащих каждому из принимаемых навигационных сигналов по отдельности, умноженные на соответствующие весовые коэффициенты. При этом полученный результат сравнивается со значением суммарной мощности сигнала в той же полосе. 1 табл.

 

Изобретение относится к области радиотехники и в частности к способам определения характеристик сигналов навигационных космических аппаратов (НКА).

Специфика измерений мощности сигналов навигационных космических аппаратов связана с двумя особенностями. Во-первых, мощности сигналов в приземном слое крайне малы. При приеме на линейно-поляризованную антенну с коэффициентом усиления 3 дБ ожидаемые уровни мощности находятся в пределах от минус 161 до минус 155 дБ исх. 1 Вт для сигналов с частотным разделением и от минус 158 до минус 152 дБ исх. 1 Вт для сигналов с кодовым (см. Интерфейсный контрольный документ ГНСС ГЛОНАСС, http://mssianspacesystems.ru/bussines/navigation/glonass/interfeysnyy-kontrolnyy-dokument). Во-вторых, используемые в работе глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) ГЛОНАСС в настоящее время сигналы с частотным разделением и сигналы с кодовым разделением излучаются на близких частотах. Таким образом, спектральные составляющие сигналов с разным типом разделения оказываются в одной, сравнительно узкой полосе частот. Разделить такие сигналы и провести измерение их радиотехнических характеристик классическими радиотехническими методами не представляется возможным.

Наиболее близкими по технической сущности методами измерений мощности навигационных сигналов являются изложенные в статьях Власова И.Б., Гаврилова А.И., Кушнира А.А., Пельтина А.В., Семенова Д.В., Мыкольникова Я.В. «Оценка параметров радионавигационных сигналов, результаты ОКР «Метрология» // Тез. докл. VIII Международного симпозиума «Метрология времени и пространства», Менделеево: ФГУП «ВНИИФТРИ», 2016. С. 200-202. и Донченко С.И., Денисенко О.В., Харисова В.Н., Пельтина А.В., Павлова В.С, Карутина С.Н. «Технология мониторинга сигналов КА ГНСС с использованием метода временного накопления» // Вестник метролога. 2019. №4. С. 4-11., а также в патентах RU 2687512, RU 2751121 и RU 2582907.

Методы измерений, описанные в статьях, основаны на корреляционном анализе навигационного сигнала. Для их применения не требуется крупноапертурная антенная система, однако необходима информация о структуре сигнала, а именно знание псевдослучайных последовательностей (ПСП) дальномерных кодов навигационных сигналов. Согласно интерфейсным документам четырех мировых глобальных навигационных спутниковых систем на каждой несущей частоте с борта космического аппарата излучается несколько сигналов (в большинстве случаев два). Информация о структуре приведена только для одного сигнала, работа с остальными требует санкционированного доступа. Это означает, что корреляционные методы при использовании обычным потребителем, позволяют оценить мощность лишь одного навигационного сигнала из нескольких в диапазонах частот LI, L2, L3. Более того, эти методы принципиально не способны к определению мелких дефектов в структуре принимаемого сигнала во временной области (пропуск элементов ПСП, однократные или кратковременные сбои в работе передатчика космического аппарата и проч.), и определению помех в частотной области, а также требуют существенных вычислительных затрат.

Метод, приведенный в патенте RU 2687512, применяется при работе с направленной антенной системой. В тексте описания изобретения кратко описана процедура получения измерительной информации, а именно наблюдения космического аппарата во время его нахождения в зоне видимости наземной антенной системы. Более развернуто и с применением двух антенных систем и использованием информации об ослаблении сигналов в нижних слоях атмосферы похожий метод наблюдений приведен в описании изобретения RU 2751121. Методы не требуют информации о структуре ПСП дальномерного кода. Однако и в первом, и во втором случае измеряется суммарная мощность навигационных сигналов в диапазонах частот L1, L2, L3, а не парциальные мощности навигационных сигналов по-отдельности.

Метод, позволяющий измерить парциальные (т.е. частные, по-отдельности друг от друга) мощности сигналов, находящихся на одной несущей частоте, описан в RU 2582907. Метод предназначен для измерений в тракте и может применяться как при работе с крупноапертурной антенной системой, так и при использовании аппаратуры имитации навигационных сигналов (что было показано авторами). Однако метод позволяет измерить мощность только двух навигационных сигналов, находящихся на одной несущей частоте. Развитие ГНСС ГЛОНАСС в настоящее время направлено в сторону усложнения структуры навигационных сигналов, на добавление перспективных сигналов с кодовым разделением. Это означает, следующее поколение НКА будет излучать в диапазонах частот L1 и L2 не два, а четыре сигнала одновременно. Причем аппаратура, воспроизводящая этот набор сигналов в лабораторных условиях, уже разработана и введена в эксплуатацию.

Задачей изобретения является измерение парциальных (т.е. отдельных друг от друга) мощностей навигационных сигналов с частотным и кодовым разделением в условиях, когда все они одновременно излучаются в диапазоне L1 или L2 и их спектральные составляющие сосредоточены в сравнительно узкой полосе частот.

Поставленная задача решается благодаря измерению суммарной спектральной плотности мощности и суммарной мощности навигационных сигналов в полосе частот, разложению измеренной спектральной плотности мощности на парциальные спектральные плотности мощности навигационных сигналов, расчете весовых коэффициентов при разложении и умножении измеренной суммарной мощности сигналов на соответствующую комбинацию весовых коэффициентов.

Технический результат предложенного метода заключается в создании способа измерений парциальных мощностей сигналов с частотным и кодовым разделением без использования информации о структуре их ПСП на выходе крупноапертурной антенной системы или аппаратуры имитации навигационных сигналов.

Технический результат предложенного метода достигается путем наведения на НКА крупноапертурной антенной системы, приеме навигационных сигналов и измерении суммарной спектральной плотности мощности навигационных сигналов в полосе 30 МГц в диапазоне частот L1 или L2 и общей мощности сигналов в этой же полосе, разложении формы огибающей измеренной спектральной плотности мощности на фигуры огибающих спектральных плотностей мощности сигналов по-отдельности с соответствующими весовыми коэффициентами и вычислении парциальных мощностей путем умножения полученных весовых коэффициентов на измеренное значение суммарной мощности.

Способ осуществляется следующим образом:

На начальном этапе должны быть получены огибающие спектральных плотностей мощности каждого из навигационных сигналов по-отдельности, огибающие парциальных спектральных плотностей мощности S_j, где j - номер навигационного сигнала в диапазоне частот L1 или L2. Например, для ГНСС ГЛОНАСС j=1, 2, 3, 4, так как в диапазонах L1 и L2 присутствуют два сигнала с частотным разделением и два сигнала с кодовым. Сформировать навигационные сигналы по одному, отдельно от других можно двумя способами:

1. Выполнить моделирование сигнала согласно ИКД при помощи векторного генератора сигналов, указать соответствующие параметры воспроизводимого сигнала (несущая частота, тактовая частота модулирующей кодовой последовательности и другие).

2. Воспроизвести сигнал при помощи аппаратуры имитации навигационных сигналов утвержденного типа: сформировать сценарии (по одному для каждого сигнала), в которых орбитальная группировка состоит из единственного НКА, который излучает только один j-й сигнал из диапазона L1. Затем поочередно запускать выполнение разработанных сценариев.

Векторный генератор сигналов или аппаратура имитации навигационных сигналов должны быть непосредственно подключены к измерительной аппаратуре. При этом измерительная аппаратура (анализатор сигналов или анализатор спектра) настраивается следующим образом: центральная частота полосы обзора 1600 МГц при работе с сигналами диапазона L1 и 1245 МГц для диапазона L2, ширина полосы анализа П 30 МГц, ширина полосы фильтра промежуточной частоты не более 51 кГц, количество точек в полосе обзора N не менее 1001, число усреднений трассы - не менее 100. Таким образом спектральные составляющие сигнала должны быть измерены на частотах f_k в полосе П, где k=1, 2 … N. Мощность анализируемого сигнала в полосе П должна превышать мощность собственных шумов измерительной аппаратуры более чем на 20 дБ. Результаты измерений огибающей спектральной плотности мощности в (дБ исх. 1 мВт)/Гц каждого из сигналов сохранить в цифровом виде. Рассчитать огибающие парциальных спектральных плотностей мощности в дБ/Гц по формуле:

Результаты вычислений для каждого сигнала сохранить в цифровом виде.

Непосредственно на этапе измерений выполняются наблюдения НКА: крупноапертурная антенная система наводится по координатам космического аппарата на небосводе, принимаются навигационные сигналы в диапазоне частот L1 или L2. Измерительная аппаратура регистрирует огибающую суммарной спектральной плотности мощности S_Σ в полосе анализа П и измеряет суммарную мощность сигналов P_Σ в той же полосе. Настройки измерительной аппаратуры должны быть такими же, как во время записи парциальных S_j. Мощность сигнала на входе измерительной аппаратуры должна быть не менее чем на 20 дБ больше, чем мощность шумов измерительной аппаратуры и тракта антенной системы в полосе П. Аналогичным образом измеряются параметры сигналов от аппаратуры имитации навигационных сигналов, когда одновременно воспроизводится несколько сигналов с частотным и кодовым разделением. При этом сигнал от аппаратуры имитации подается на вход анализатора через МШУ с известным коэффициентом усиления.

На следующем этапе осуществляется математическая обработка полученных результатов измерений. Суммарная спектральная плотность мощности S_Σ раскладывается на S_j с весовыми коэффициентами ху Процедура разложения представляет собой реализацию метода наименьших квадратов, описанного, например, Kariya Т.; Kurata Н. Generalized Least Squares. Hoboken: Wiley, 2004. ISBN 978-0-470-86697-9. При решении задачи разложения составляется квадратная матрица коэффициентов А, элементы которой рассчитываются по формуле (1):

и вектор D, элементы которого рассчитываются по формуле (2):

Затем по формуле (3) рассчитывается вектор весовых коэффициентов X:

На заключительном этапе рассчитываются мощности навигационных сигналов по формуле (4):

Ниже приведены результаты апробации метода. В результате серии экспериментов были получены оценки погрешности измерений предложенным методом в диапазоне частот Ы(см. Таблицу 1). Эксперименты проводились для всех сочетаний несущих частот сигналов с частотным разделением (на всех литерных частотах ГНСС ГЛОНАСС) и сигналов с кодовым разделением.

Способ измерения мощности навигационных сигналов, заключающийся в приеме навигационных сигналов и измерении суммарной мощности P_Σ навигационных сигналов в полосе частот с использованием направленной антенной системы, отличающийся тем, что регистрируют огибающую суммарной спектральной плотности принятых навигационных сигналов с частотным и кодовым разделением в полосе частот анализа, а измерение суммарной мощности P_Σ принятых навигационных сигналов осуществляют в той же полосе частот, осуществляют разложение измеренной спектральной плотности мощности на парциальные спектральные плотности мощности навигационных сигналов, сохраняют в цифровом виде и измеряют огибающие спектральных плотностей мощности каждого навигационного сигнала по отдельности, вычисляют весовые коэффициенты при разложении и определении парциальных мощностей навигационных сигналов P_j по формуле

где x_j - весовые коэффициенты разложения.