Результат интеллектуальной деятельности: Система дистанционного зондирования трансионосферного распространения радиоволн для метеорной радиосвязи

Изобретение относится к радиотехнике и радиоэлектронике, предназначено для дистанционного зондирования ионосферы Земли и может быть использовано в радиолокации, навигации и адаптивных системах связи.

Известен ионозонд-пеленгатор, содержащий два радиоприемных устройства (РПУ) с общим гетеродином, которым является ЛЧМ генератор, GPS-приемник с антенной, блок временной синхронизации, разветвитель, антенный коммутатор, опорный генератор, первое РПУ, второе РПУ, двухканальный АЦП, многопоточный вычислитель [1].

Известна базовая станция дистанционного зондирования атмосферы (прототип), состоит из передающей и приемной частей. Передающая часть содержит двухсистемный приемник навигационных сигналов ГЛОНАСС/GPS; синхронометр; цифровой вычислительный синтезатор; широкополосный усилитель мощности; антенно-фидерное устройство. Приемная часть содержит антенно-фидерное устройство; усилитель высокой частоты; аналого-цифровой преобразователь (двухканальный АЦП); цифровой гетеродин DDC; цифровой вычислительный синтезатор; синхронометр; двухсистемный приемник навигационных сигналов ГЛОНАСС/GPS 12; ЭВМ; монитор [2].

При всех достоинствах известной базовой станции дистанционного зондирования атмосферы она не позволяет передавать информацию с высокой скоростью на трансионосферных трассах.

Положительный технический результат - возможность высокоскоростной передачи информации на основе получения амплитудно-частотных и дистанционно-частотных характеристик (АЧХ и ДЧХ) радиолиний на трассах различной протяженности и ориентации - достигается за счет того, что в системе дистанционного зондирования трансионосферного распространения радиоволн для метеорной радиосвязи, состоящую из двух приемо-передающих частей, одна приемо-передающая часть содержит двухсистемный приемник навигационных сигналов ГЛОНАСС/GPS с антенной; два цифровых вычислительных синтезатора; широкополосный усилитель мощности, соединенный с передающим антенно-фидерным устройством; приемное антенно-фидерное устройство; аналого-цифровой преобразователь (двухканальный АЦП), причем новым является то, что введены последовательно соединенные вычислительное устройство, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), фильтр нижних частот (ФНЧ), термостабилизированный кварцевый генератор (10 МГц), сравнитель частот с цифровым интерфейсом TDC; последовательно соединенные усилитель-формирователь и делитель частоты; блок управления; последовательно соединенные первый накопитель, первый блок обработки сигналов и первый смеситель; последовательно соединенные второй смеситель, второй блок обработки сигналов, второй накопитель; третий смеситель; приемное антенно-фидерное устройство, соединенное через входные фильтры с аналого-цифровым преобразователем (АЦП); выходы АЦП подключены к первым входам второго и третьего смесителей; ко второму входу второго и третьего смесителей подключены выходы второго ЦВС, а выходы второго и третьего смесителей подсоединены к второму блоку обработки сигналов; выход первого ЦВС подключен ко второму входу первого смесителя, а к его первому входу подключен выход первого блока обработки сигналов; выход первого смесителя подключен к входу широкополосного усилителя мощности; выход вычислительного устройства подключен к входу блока управления, а выходы блока управления подсоединены к входам первого и второго накопителя и входам первого и второго цифровых вычислительных синтезаторов (ЦВС); связи между блоком управления и первым и вторым блоками обработки сигналов двунаправленные; выход навигационного приемника ГЛОНАСС/GPS соединен с вычислительным устройством и сравнителем частот TDC; выходы делителя частоты соединены с входами первого и второго блоков обработки сигналов.

Система дистанционного зондирования трансионосферного распространения радиоволн (фиг. 1) содержит две приемо-передающие части и одна приемо-передающая часть состоит термостатированного кварцевого генератора 1, фильтра нижних частот (ФНЧ) 2, двухсистемного приемника навигационных сигналов ГЛОНАСС/GPS 3, цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 4; делителя с переменным коэффициентом деления 5, сравнителя частот с цифровым интерфейсом (TDC) 6, вычислительного устройства 7, усилителя-формирователя 8, первого и второго накопителя 9, 11; блока управления 10, первого и второго блока обработки сигналов 12, 13; первого и второго цифровых вычислительных синтезаторов (ЦВС) 14, 15; первого смесителя 16, широкополосного усилителя мощности 17; передающего антенно-фидерного устройства 21, приемного антенно-фидерного устройства 20; блока входных фильтров 19; аналого-цифрового преобразователя (двухканального АЦП) 18; второго и третьего смесителей 22, 23. Перечисленные блоки соединены между собой в общую приемо-передающую структурную схему (фиг. 1). На каждом конце радиолинии должна быть одна приемо-передающая структура.

Система дистанционного зондирования трансионосферного распространения радиоволн содержит последовательно соединенные двухсистемный приемник навигационных сигналов ГЛОНАСС/GPS с антенной 3, сравнитель частот с цифровым интерфейсом 6, вычислительное устройство 7, ЦАП 4, ФНЧ 2, термостабилизированный кварцевый генератор 1; выход термостабилизированного кварцевого генератора 1 подключен к сравнителю частот 6; выход вычислительного устройства 7 подключен к входу блока управления 10; выходы последнего подключены к входам первого и второго накопителей 9, 11 и входам управления первого и второго ЦВС 14, 15; введены двунаправленные связи между блоком управления 10 и первым и вторым блоками обработки сигналов 12, 13. Выход первого блока обработки сигналов 12 соединен с первым входом первого смесителя 16, на второй вход которого подается сигнал с выхода первого ЦВС 14; выход первого смесителя 16 подключен к входу широкополосного усилителя мощности 17, далее усиленный сигнал поступает на передающий антенно-фидерный тракт 21 и излучается в атмосферу.

Принятый сигнал поступает на антенно-фидерное устройство 20 и через блок входных фильтров 19 поступает на вход двухканального АЦП 18. Выходы АЦП 18 подключены к первым входам второго и третьего смесителей 22, 23, а на второй вход этих смесителей подаются квадратурные сигналы I и Q со второго ЦВС 15. Выходы второго и третьего смесителей подключены на входы второго блока обработки сигналов 13; выход первого накопителя подключен к входу первого блока обработки сигналов 12, а выход второго блока обработки сигналов 13 подключен к входу второго накопителя 11. Сигнал тактовой частоты с вычислительного устройства 7 поступает на усилитель-формирователь 8, далее на делитель частоты 5, где формируется сетка частот; выходы делителя частоты 5 подключены к входам первого и второго блоков обработки сигналов 12, 13.

Система дистанционного зондирования трансионосферного распространения радиоволн работает следующим образом.

Термостабилизированный кварцевый генератор 1 вырабатывает синусоидальный сигнал опорной частоты ƒ_оп=10 МГц, который поступает на первый вход сравнителя частот TDC 6, а на второй его вход подается сигнал с выхода приемника навигационных сигналов ГЛОНАСС/GPS 3; разностный сигнал с выхода сравнителя частот TDC 6 поступает на вычислительное устройство 7. Одновременно с выхода приемника навигационных сигналов ГЛОНАСС/GPS 3 сигнал секундной метки также поступает на вычислительное устройство 7. Введена обратная связь для подстройки частоты кварцевого генератора 1 через ЦАП 4 и ФНЧ 2, обеспечивающая относительную нестабильность опорной частоты не хуже 10^-11 за счет использования навигационных сигналов ГЛОНАСС/GPS.

В вычислительном устройстве 7 частота опорного генератора умножается в N количество раз и через блок управления 10 подается на тактовые входы первого и второго ЦВС 14, 15; сигнал секундной метки также с вычислительного устройства 7 через блок управления 10 подается на входы установки ЦВС 14, 15. На выходе первого ЦВС 14 формируется зондирующий частотно-модулированный (ЧМ) сигнал, который через первый смеситель 16 подается на широкополосный усилитель мощности 17 и через передающее антенно-фидерное устройство 21 излучается в атмосферу.

Отраженный от метеорного следа ЧМ-сигнал принимается приемным антенно-фидерным трактом 20 и через блок входных фильтров 19 поступает на вход двухканального АЦП 18, где происходит преобразование его в цифровую форму; сигналы с выходов АЦП 18 поступают на первые входы смесителей 22, 23, на второй вход которых подаются квадратурные сигналы I и Q со второго ЦВС 15.

Эти квадратурные сигналы с выхода второго и третьего смесителей подаются на входы второго блока обработки сигналов 13, где происходит первичная обработка информации и строятся амплитудно-частотные и дистанционно-частотные характеристики (АЧХ и ДЧХ) радиолинии.

По данным дистанционного зондирования выбирается режим работы ЦВС 14, 15 по следующим критериям: максимум отношения сигнал-шум, минимум многолучевости, минимальное влияние передатчиков, частоты которых находятся в непосредственной близости от несущей частоты.

Система обеспечивает двухстороннюю связь (в одном направлении используется частота ƒ₁ а в другом направлении - частота ƒ₂). Все антенны ориентированы в одну точку пространства при условии, чтобы метеорный след находился в области ширины диаграммы направленности передающих и приемных антенн.

В режиме ожидания передатчики излучают немодулированные сигналы на несущих частотах ƒ₁ и ƒ₂. В накопители 9 передатчиков поступает информация, предназначенная для передачи. Отраженные сигналы от метеорного следа с частотами ƒ₁ и ƒ₂ поступают на соответствующие приемники. Устройства управления 10 закрывают цепи передачи информации в передающих накопителях 9, а также входные цепи накопителей приемников 11. При возникновении благоприятных условий для связи (появлении метеорного следа) сигналы частот ƒ₁ и ƒ₂ на входе приемников превысят установленный пороговый уровень. Срабатывают устройства управления 10 и с накопителей 9 считываются синхронизирующие сигналы, прием которых будет свидетельствовать о готовности аппаратуры к передаче основной информации.

В режиме передачи с накопителей передатчиков 9 с максимально высокой скоростью поступает ранее записанная информация для модуляции передатчиков. На приемной стороне производится запись принятой информации через блоки обработки сигналов 13 в накопители приемников 11, а также постоянно производится анализ качества связи. Если уровень принимаемых сигналов упадет ниже пороговых значений (метеорный след пропадает), то передача информации прекращается, и система переходит в режим ожидания.

Усилитель-формирователь 8 формирует сигнал формы «меандр», который подается на делитель частоты 5, служащий для формирования пользовательского профиля частот, когерентных частоте кварцевого генератора 1. Выходы делителя частоты 5 соединены с входами блоков обработки сигналов 12, 13.

TDC (time-to-digital). Сравнитель частот с разрешением <50 пс и цифровым интерфейсом.

Вычислительное устройство обслуживает данные, которые приходят после сравнения частот, формирует цифровой код для управления кварцевым генератором. Выполняет связь с персональной станцией по USB и выдает обработанные навигационные данные по UART.

ЦАП - получает ошибку формирования частоты во времени в цифровой форме и преобразует ее на своем выходе в напряжение для управления кварцевым генератором.

Литература

1. Патент №2399062 Российской Федерации. МПК G01S 1/08. Ионосферный зонд-пеленгатор / Вертоградов Г.Г., Урядов В.П., Вертоградов В.Г., Курбатко С.В. Заявл. 15.07.2009. Опубл. 10.09.2010. Бюл. №25. - 16 с.

2. Патент №2611587 Российской Федерации. МПК G01S 19/14, G01S 13/95. Базовая станция дистанционного зондирования атмосферы / Рябов И.В., Толмачев С.В., Чернов Д.А., Юрьев П.М., Стрельников И.В., Клюжев Е.С. Заявл. 23.12.2015. Опубл. 28.02.2017. Бюл. №7 - 7 с. (прототип).