Результат интеллектуальной деятельности: МОДЕМ СИГНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ВРЕМЕНИ ПО ДУПЛЕКСНОМУ КАНАЛУ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ

Предлагаемый модем относится к технике связи и может быть использован в радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ), в службе единого времени и частоты, для обмена информацией между наземными пунктами, разнесенные на большие расстояния, с использованием геостационарного ИСЗ-ретранслятора.

Известны модемы и устройства синхронизации часов и сличения шкал времени (авт. свид. СССР №№591799, 614416, 920300, 1120835, 1244637, 1278800, 1840365, 1840516; патенты РФ №№2001423, 2403157, 2040035, 2177167, 2292574, 2386159, 2426167, 2528405, 2535653; патенты США №№5666330, 7327699, 8145247; патент Германии №3278943; патент Великобритании №1526467; патент ЕР №0564220 и другие).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является «Устройство синхронизации часов» (патент РФ №2001423, G04С 11/02, 1992), которое и выбрано в качестве базового объекта.

Указанное устройство обеспечивает сличение шкал времени, разнесенных на большие расстояния, и основано на использовании дуплексного метода связи через геостационарный ИСЗ-ретранслятор. Основное достоинство дуплексного метода связи состоит в том, что исключается длина трассы прохождения сигнала. Поэтому его точность в основном зависит от параметров ретранслятора, типа используемого сигнала и техники измерения временных интервалов.

В приемнике известного модема, построенного по супергетеродинной схеме, одно и то же значение первой промежуточной частоты ω_пр1 может быть получено в результате приема сигналов на двух частотах ω₂ и ω_з1, т.е.

ω_пр1=ω_г1-ω₂ и ω_пр1=ω_з1-ω_г1.

Следовательно, если частоту настройки со₂ принять за основной канал приема, то наряду с ним будет иметь место первый зеркальный канал прием, частота ω_з1 которого отличается от частоты ω₂ на 2ω_пр1 и расположена симметрично (зеркально) относительно частоты ω_г1 первого гетеродина 2 (фиг. 5).

Преобразование по первому зеркальному каналу приема происходит с тем же коэффициентом преобразования К_пр, что и по основному каналу приема на частоте ω₂. Поэтому он наиболее существенно влияет на избирательность и помехоустойчивость приемника.

Кроме зеркального существуют и другие дополнительные (комбинационные) каналы приема. В общем виде любой комбинационный канал приема имеет место при выполнении условия

где ω_кi - частота i-го комбинационного канала приема.

Наиболее вредными комбинационными каналами приема являются каналы, образующиеся при взаимодействии первой гармоники частоты сигнала с гармониками частоты первого гетеродина малого порядка (второй, третий), так как чувствительность приемника по этим каналам близки к чувствительности основного канала приема. Так, двум комбинационным каналам при n=1 и n=2 соответствуют частоты:

ω_к1=2ω_г1-ω_пр1, ω_к2=2ω_г1+ω_пр1,

где 2ω_г1 - вторая гармоника частоты первого гетеродина,

Наличие ложных сигналов (помех), принимаемых по первому зеркальному каналу на частоте ω_з1, по первому ω_к1 и второму ω_к2 комбинационным каналам, приводят к снижению помехоустойчивости и достоверности передачи времени по дуплексному каналу спутниковой связи.

Кроме того, положение геостационарного ИСЗ-ретранслятора на орбите не является постоянным, он периодически совершает определенные движения и контроль его положения на орбите также оказывает влияние на помехоустойчивость и достоверность передачи времени по дуплексному каналу спутниковой связи.

Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости и достоверности передачи времени по дуплексному каналу спутниковой связи путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам, и автоматического измерения наклонной дальности до геостационарного ИСЗ-ретранслятора с целью контроля его положения на орбите.

Поставленная задача решается тем, что модем сигналов передачи времени по дуплексному каналу спутниковой связи, содержащий, в соответствии с ближайшим аналогом, геостационарный ИСЗ-ретранслятор, первый и второй наземные пункты, каждый из которых содержит последовательно включенных эталон времени и частоты, второй гетеродин, второй смеситель, второй вход которого через переключатель соединен с первым входом выходом генератора псевдошумового сигнала, усилитель второй промежуточной частоты, второй усилитель мощности, первый дуплексер, вход-выход которого связан с первой приемопередающей антенной, первый усилитель мощности, первый смеситель, второй вход которого через первый гетеродин соединен с первым выходом эталона времени и частоты, и усилитель первой промежуточной частоты, последовательно подключенные к второму выходу эталона времени и частоты генератор псевдошумового сигнала, второй клиппер, второй вход которого соединен с третьим выходом эталона времени и частоты, второй блок памяти и первый коррелятор, выход которого является сигнальным выходом модема, последовательно подсоединены к третьему выходу эталона времени и частоты первый клиппер и первый блок памяти, выход которого соединен с вторым входом первого коррелятора, при этом частоты ω_г1 и ω_г2 первого и второго гетеродинов разнесены на значение первой промежуточной частоты ω_г1-ω_г2=ω_пр1, отличается от ближайшего аналога тем, что он снабжен селектором частоты, узкополосным фильтром, первым амплитудным детектором, пороговым блоком, первым ключом, перемножителем, блоком регулируемой задержки, фильтром нижних частот, экстремальным регулятором и индикатором дальности, причем к выходу первого усилителя мощности последовательно подключены селектор частоты, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, узкополосный фильтр, первый амплитудный детектор, пороговый блок и первый ключ, второй вход которого соединен с выходом усилителя первой промежуточной частоты, а выход подключен к второму входу первого клиппера, к выходу первого блока последовательно подключены перемножитель, второй вход которого через последовательно включенные переключатель и блок регулируемой задержки соединен с первым выходом генератора псевдошумового сигнала, фильтр нижних частот и экстремальный регулятор, выход которого соединен с вторым входом блока регулируемой задержки, к второму выходу которого подключен индикатор дальности, геостационарный ИСЗ-ретранслятор выполнен в виде последовательно включенных четвертого усилителя мощности, второго дуплексера, вход-выход которого связан с второй приемопередающей антенной, третьего усилителя мощности, третьего смесителя, второй вход которого соединен с выходом третьего гетеродина, усилителя суммарной частоты, второго амплитудного детектора и второго ключа, второй вход которого через усилитель третьей промежуточной частоты соединен с выходом третьего смесителя, а выход подключен к входу четвертого усилителя мощности, модем излучает псевдошумовые сигналы на частоте ω₁=ω_г1=ω_пр2, а принимаемый - частоте ω₂=ω_г2=ω_пр2, где ω_пр2 и ω_пр3 - вторая и третья промежуточные частоты, соответственно, а геостационарный ИСЗ-ретранслятор, наоборот, излучает псевдошумовые сигналы на частоте ω₂, а принимает - на частоте ω₁.

Структурная схема модема представлена на фиг. 1. Структурная схема геостационарного ИСЗ-ретранслятора представлена на фиг. 2. Геометрическая схема расположения геостационарного ИСЗ-ретранслятора S и двух наземных пунктов А и В показана на фиг. 3. Временная диаграмма дуплексного метода сличения часов изображена на фиг. 4. Частотная диаграмма, поясняющая процесс преобразования сигналов, показана на фиг. 5.

Модем сигналов передачи времени по дуплексному каналу спутниковой связи содержит геостационарный ИСЗ-ретранслятор 30, первый А и второй В наземные пункты, каждый из которых содержит последовательно включенные эталон 1 времени и частоты, второй гетеродин 3, второй смеситель 14, второй вход которого через переключатель 13 соединен с первым выходом генератора 12 псевдошумового сигнала, усилитель 15 второй промежуточной частоты, второй усилитель 16 мощности, первый дуплексер 5, вход-выход которого связан с первой приемопередающей антенной 4, первый усилитель 6 мощности, первый смеситель 7, второй вход которого через первый гетеродин 2 соединен с первым входом эталона 1 времени и частоты, усилитель 8 первой промежуточной частоты, первый ключ 23, первый клипер 9, второй вход которого соединен с третьим выходом эталона 1 времени и частоты, первый блок 10 памяти и первый коррелятор 11, выход которого является сигнальным выходом модема. К второму выходу генератора 12 псевдошумового сигнала последовательно подключены второй клипер 17, второй вход которого соединен с третьим выходом эталона 1 времени и частоты, и второй блок 18 памяти, выход которого соединен с вторым входом первого коррелятора 11. К выходу первого усилителя 6 мощности последовательно подключены селектор 19 частоты, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 3, узкополосный фильтр 20, первый амплитудный детектор21 и пороговый блок 22, выход которого соединен с вторым входом первого ключа 23. К выходу ключа 23 последовательно подключены перемножитель 26, второй вход которого через последовательно подключенные перемножитель 13 и блок 25 регулируемой задержки соединен с первым выходом генератора 12 псевдошумового сигнала,, фильтр 27 нижних частот и экстремальный регулятор 28, выход которого соединен с вторым входом блока 26 регулируемой задержки, к второму выходу которого подключен индикатор 29 дальности.

Блок 25 регулируемой задержки, перемножитель 26, фильтр 27 нижних частот и экстремальный регулятор 28 образуют второй коррелятор 24.

Геостационарный ИС3-ретранслятор 30 содержит последовательно включенные четвертый усилитель 40 мощности, второй дуплексер 32, вход-выход которого связан со второй приемопередающей антенной 31, третий усилитель 33 мощности, третий смеситель 35, второй вход которого соединен с выходом третьего гетеродина 34, усилитель 37 суммарной частоты, второй амплитудный детектор 38 и второй ключ 39, второй вход которого через усилитель 36 третьей промежуточной частоты соединен с выходом третьего смесителя 35, а выход подключен к входу четвертого усилителя 40 мощности.

Модем сигналов передачи времени по дуплексному каналу спутниковой связи работает следующим образом.

На пункт А с помощью генератора 12 формируется на первом шаге единичных измерений псевдошумовой СВЧ сигнал αi

u_c(t)=U_ccos[ω_ct+ϕ_k(t)+λϕ_c], 0≤t≤Т_с,

где U_c, ω_с, ϕ_с, Т_с - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность псевдошумового сигнала:

ϕ_k(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с псевдослучайной последовательностью (ПСП), причем ϕ_k(t)=const при kτ_э<t<(k+1)τ_э и может изменяться скачком при t=kτ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (k-1, …, N);

τ_э, N - длительность и количество элементарных посылок из которых составлен псевдошумовой сигнал длительностью T_c(T_c=Nτ_э).

Этот сигнал с выхода генератора 12 псевдошумового сигнала через замкнутый переключатель 13 поступает на первый вход второго смесителя 14, на второй вход которого подается напряжение второго гетеродина 3, стабилизированного эталоном 1 времени и частоты

u_г2(t)=U_г2 cos(ω_г2e+ϕ_г2).

На выходе второго смесителя 14 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 15 выделяется напряжение второй промежуточной (суммарной) частоты

u_пр2(t)=U_пр2 cos[ω_пр2 t+ϕ_k(t)+ϕ_пр2(t), 0≤t≤т_с,

где ;

ω_пр2=ω_с+ω_г2 - вторая промежуточная (суммарная) частота;

ϕ_пр2=ϕ_с-ϕ_г2,

которое усиливается в усилителе 16 мощности и через дуплексер 5 поступает в приемопередающую антенну 4 и излучается в направлении геостационарного ИСЗ-ретранслятора на частоте ω₁=ω_пр2.

Вместе с тем, этот же сигнал клиппируется во втором клиппере 17 и записывается в буферный блок 18 памяти. Работа клиппера 17 синхронизируется эталоном 1 времени и частоты.

Принятый антенной 31 псевдошумовой сигнал u_пр2(t) через дуплексер 32 и усилитель 33 мощности поступает на первый вход третьего смесителя 35, на второй вход которого подается напряжение третьего гетеродина 34

u_г3(t)=U_г3cos[ω_г3t+ϕ_г3].

На выходе третьего смесителя 35 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 36 и 37 выделяются напряжения третьей промежуточной и суммарной соответственно частоты

u_пр3(t)=U_пр3cos[ω_пр3t+ϕ_k(t)+ϕ_пр3],

u_Σ(t)=U_пр3cos[ω_Σt+ϕ_k(t)+ϕ_Σ], 0≤t≤T_c,

где ;

ω_пр3=ω₁-ω₃ - третья промежуточная частота;

ω_Σ=ω₁+ω_г3 - суммарная частота;

ϕ_пр3=ϕ_пр3-ф_г3; ϕ_Σ=ϕ_пр2+ϕ_г3;

Частота настройки ω_н1 усилителя 37 суммарной частоты выбраны равной суммарной частоте ω_н1=ω_Σ=ω_пр2=ω_Г3. Напряжение суммарной частоты u_Σ(t) с выхода усилителя 37 суммарной частоты поступает на вход второго амплитудного детектора 38, где выделяется его огибающая. Продетектированное напряжение поступает на управляющий вход второго ключа 39, открывая его. В исходном состоянии ключ 39 всегда закрыт. При этом, напряжение u_пр3(t) третьей промежуточной частоты с выхода усилителя 36 через открытый ключ 39 поступает на вход усилителя 40 мощности, а затем через дуплексер 32 в приемопередающую антенну 31 и излучается ею обратно на наземный пункт А и В на частоте ω₂=ω_пр3 с сохранением фазовых соотношений. Диаграмма направленности бортовой приемопередающей антенны 31 ИСЗ-ретранслятора 30 выбирается так, чтобы этот сигнал мог быть принят в обоих наземных пунктах А и В.

Принятый в наземном пункте А приемопередающей антенной 4 ретранслированный ИСЗ сигнал (сигнал α₁) через дуплексер 5 и усилитель 6 мощности поступает на первый вход первого смесителя 7 и селектора 19 частоты. На второй вход первого смесителя 7 подается напряжение первого гетеродина 2, стабилизированного эталоном 1 времени и частоты

u_г1(t)=U_гl cos(ω_г1t+ϕ_г1).

На выходе первого смесителя 7 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 8 выделяется напряжение первой промежуточной частоты

u_пр1(t)=U_пр1 cos[ω_пр1t+ϕ_k(t)+_пр1], 0≤t≤Т_с,

где ;

ω_пр1=ω_г1-ω_пр3 - первая промежуточная частота;

ϕ_пр1=ϕ_г1-ϕ_пр3.

На второй вход селектора 19 частоты подается напряжение u_г1(t) второго гетеродина 3

В качестве селектора 19 частоты может использоваться колебательная система, частота настройки α_н2 которой выбирается равной частоте α_г2 второго гетеродина 3 (ω_н2=ω_г2). Выходное напряжение селектора 19 частоты выделяется узкополосным фильтром 20, детектируется амплитудным детектором 21 (U) и поступает на вход порогового блока 22, где сравнивается с пороговым напряжением U_пор. При резонансе, который наступает при ω₂=ω_г2, выходное напряжение селектора 19 частоты достигает максимального значения, выходное напряжение амплитудного детектора 21 достигает максимального значения U_max и превышает пороговый уровень U_пор в пороговом блоке 22 (U_max>U_пор). И только при превышении порогового уровня U_пор (это случается только при наступлении явления резонанса) в пороговом блоке 22 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 23 и открывает его. В исходном состоянии ключ 23 всегда закрыт.

При этом напряжение u_пр1(t) с выхода усилителя 8 первой промежуточной частоты через открытый ключ 23 поступает на вход первого клиппера 9 и перемножителя 26. Работа клиппера 9 синхронизируется эталоном 1 времени и частоты.

На второй вход перемножителя 26 через замкнутый переключатель 13 и блок 25 регулируемой задержки подается псевдошумовой сигнал u_c(t) с первого выхода гетеродина 12. Полученные на выходе перемножителя 26 напряжения пропускаются через фильтр 27 нижних частот, на выходе которого формируется корреляционная функция R(τ), где τ - текущая временная задержка. Экстремальный регулятор 28, предназначенный для поддержания максимума корреляционной функции R(τ) и подключенный к выходу фильтра 27 нижних частот, воздействует на управляющий вход блока 25 регулируемой задержки и поддерживает вводимую им задержку τ, равной τ₃, что соответствует максимальному значению корреляционной функции R(τ).

Шкала блока 25 регулируемой задержки связана с индикатором 29 дальности, который позволяет непосредственно считывать измеряемое значение наклонной дальности до геостационарного ИСЗ-ретранслятора.

где с - скорость распространения электромагнитных волн.

Аналогичные операции осуществляются на пункте В. На втором шаге измерений (при передаче сигнала из пункта В), спустя какое-то время Θ после окончания регистрации сигнала, переключатель 13 на пункте А размыкается, а на В замыкается. В момент времени t₃^В=t₂^B+Θ в генератор 12 начинает формировать новый СВЧ-сигнал (сигнал β), который после соответствующего преобразования фиксируется на пункте В и излучается в направлении геостационарного ИСЗ-ретранслятора на частоте ω_1. Принимаемый бортовым приемником ИСЗ-ретранслятора сигнал переизлучается обратно на пункты А и В на частоте ω₂ с сохранением фазовых соотношений во всей полосе частот сигнала. Ретранслированный сигнал принимается в обоих пунктах, преобразуется в напряжения низкой частоты и ретранслируется в моменты времени t₄^A и t₄^B соответственно (сигналы α₄ и β₄). На этом заканчивается единичное измерение дуплексного метода. Затем в перерыве между актами измерений пары сигналов α₁, α₂ и α₃, α₄ (β₁, β₂ и β₃, β₄) подвергаются корреляционной обработке в корреляторе 11. Корреляционной обработке двух пар зарегистрированных сигналов в перерыве между двумя измерениями в корреляторе определяют следующие временные задержки.

и соответствующие им частоты интерференции F_i(i=1, 2, 3, 4), которые определяют производные этих задержек:

где ;

a_j, b_l (j=1, 2, 3) - время распространения сигнала между ИСЗ и пунктами А и В соответственно (фиг. 1);

, - задержки сигналов в излучающей аппаратуре обоих пунктов;

, - задержки сигналов в приеморегистрирующей аппаратуре;

Δs - задержка сигналов в бортовом ретрансляторе ИСЗ;

Δt=t_B-t_А - искомая разность показаний часов в один и том же физический момент;

Полагая a_j и b_j линейными функциями с производными , , получаем:

где

где

- задержки сигнала в атмосфере на частотах ω₁ и ω₂ соответственно;

ν - релятивистская поправка (эффект Саньяка);

ω - угловая скорость вращения Земли;

с - скорость света;

D - площадь четырехугольника OA'S'B', образуемого в экваториальной плоскости центром масс Земли, проекциями пунктов А, В и ИСЗ-ретранслятора S.

Поправки у на подвижность ИСЗ-ретранслятора во время единичного измерения проще всего свести к нулю соответствующим выбором свободного параметра Θ:

который следует в начале измерений рассчитывать по приближенным эфемеридным данным, а затем уточнить по результатам текущих измерений.

Что касается поправки δ на аппаратурные задержки, то ее можно найти путем калибровки по методу «нулевой базы».

Атмосферная поправка ε также учитывается.

В пунктах А и В аппаратура работает одинаково, только порядок шагов в них обратный. Для вычисления разности показания часов Δt достаточно обменяться между пунктами полученными цифровыми данными, что можно делать по каналам служебной связи через тот же геостационарный ИСЗ-ретранслятор, как это было показано выше, или телеграфным каналам связи.

Описанная выше работа модема соответствует случаю приема псевдошумовых сигналов по основным каналам на частотах ω₁ и ω₂.

Если ложный сигнал (помеха)

u_зl(t)=U_з1 cos(ω_з1t+ϕ_з1), 0≤t≤Т_з1,

поступает на вход приемопередающей антенны 4, то он через дуплексер 5 и усилитель 6 мощности поступает на первые входы смесителя 7 и селектора 19 частоты. Усилителем 8 выделяется напряжение первой промежуточной частоты

u_пр4(t)=U_пр4cos(ω_пр1t+ϕ_пр4), 0≤t≤Т_з1,

где ;

ω_пр1=ω_з1-ω_г1 - первая промежуточная частота;

ϕ_пр1=ϕ_з1-ϕ_г1.

Частота настройки ω_н2 селектора 19 частоты выбирается равной частоте ω_г2 второго гетеродина 3 (ω_н2=ω_г2).

Частоты ω_г2 и ω_з1 разнесены на удвоенное значение первой промежуточной частоты ω_з1-ω_г2=2ω_пр1. Поэтому в селекторе 19 частоты является резонанса не поступает, выходное напряжение U амплитудного детектора 21 не превышает порогового уровня U_пор в пороговом блоке 22 (U<U_пор). Ключ 23 не открывается и ложный сигнал (помеха), принимаемой по первому зеркальному каналу на частоте ω_з1, подавляется. Для этого используются резонансные свойства селектора 19 частоты, выполненного в виде колебательного контура с частотой настойкой ω_н2=ω_г2.

По аналогичной причине подавляются и ложные сигналы (помехи), принимаемые по другим дополнительными (первому ω_к1 второму ω_к2) комбинационным каналам.

Если ложный сигнал (помеха)

u_з2(t)=U_з2 cos(ω_з2t+ϕ_з2), 0≤t≤T_з2,

на частоте ω_з2 и любой другой ложный сигнал (помеха) поступает на выходы приемопередающей антенны 31 через дуплексор 32 и усилитель 33 мощности на первый вход третьего смесителя 35, на второй вход которого подается напряжение третьего гетеродина 34

u_г3(t)=U_г3cos(ϕ_г3t+ϕ_г3).

На выходе смесителя 35 в этом случае образуются напряжения, которые не попадают в полосы пропускания усилителей 36 и 37 третьей промежуточной и суммарной частоты.

Ключ 39 не открывается и ложный сигнал (помеха), принимаемый по второму зеркальному каналу на частоте ω_з2, подавляется.

По аналогичной причине подавляются и ложные сигналы (помехи), принимаемые по другим дополнительным комбинационным каналам.

Таким образом, предлагаемый модем по сравнению с базовым объектом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение помехоустойчивости и достоверности передачи времени по дуплексному каналу спутниковой связи. Это достигается путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам, и за счет автоматического измерения наклонной дальности геостационарного ИСЗ-ретранслятора с целью контроля его положения на орбите.

Причем для подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам, используются метод, основанный на использовании резонансных свойств колебательных систем, и метод суммарной частоты.

Следует отметить, что явление резонанса является основополагающим принципом, работы многих систем и устройств радиоэлектроники, в том числе и предлагаемого модема.

При преобразовании сигналов по частоте с помощью смесителя, работающего на линейном участке вольт-амперной характеристике, образуются напряжения разностной (промежуточной) и суммарной частоты. Как правило, используют только напряжение разностной (промежуточной) частоты. В предлагаемом техническом решении используется и напряжение суммарной частоты для подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам.

Для автоматического измерения дальности догеостационарного ИСЗ-ретранслятора используется коррелятор, обеспечивающий точное измерение и автоматическое сопровождение геостационарного ИСЗ-ретранслятора при его перемещении поорбите. При этом используется корреляционная функция псевдошумовых сигналов, которая обладает замечательным свойством - она имеет один значительный главный лепесток и сравнительно низкий уровень боковых лепестков.

\Все блоки предлагаемого технического решения являются классическими, их техническая реализация не представляет технических затруднений.

Для проверки эффективности предлагаемого модема были разработаны макеты устройств системы передачи данных и модема для дуплексных сличений шкал времени по спутниковому каналу, проведены экспериментальные исследования и получены характеристики созданной аппаратуры. В частности, показана экспериментальная возможность сличения шкал времени через отечественный геостационарный ИСЗ «Ямал-200» с погрешностью меньше 10 нс.