Исследование параметров и расчет бюджета радиолинии в наземной системе ближней навигации на основе псевдоспутников

Важной частью проектирования систем ближней навигации на основе псевдоспутников является анализ бюджета канала распространения навигационных сигналов между передатчиком и приемником сигнала. В настоящее время все больше проявляется интерес потребителей высокоточной навигационной информации и производителей аппаратуры к системам ближней навигации, являющихся дополнением к существующим спутниковым радионавигационным системам (СРНС), позволяющим увеличить их точность и помехоустойчивость. Для повышения данных показателей и требуемой безопасности на ответственных участках навигации подвижных объектов всех классов предлагается использовать распределенную радиотехническую систему (РРС) на основе «псевдоспутников» наземного базирования, ис-

пользующей аналогичные сигналы навигационных космических аппаратов (НКА).

В таких радиотехнических системах ближней навигации на основе псевдоспутников (ПС) в настоящее время предполагается интеграция приема сигналов ПС с существующими навигационными сигналами СРНС, и по своей функциональной структуре приемная аппаратура потребителей (антенная система, аналоговый и цифровой тракты) должна обеспечивать надежный прием как сигналов СРНС, так и навигационных сигналов ПС. Данная интеграция не приведет к кардинальным изменениям навигационной аппаратуры потребителей (НАП), а только лишь дополнится цифровой обработкой сигналов ПС.

Исходя из границ динамического диапазона НАП и геометрической зоны навигации объектов, а также возможностей формирования требуемых диаграмм направленностей передатчиков ПС (например, в местности со сложным рельефом), требуется сконфигурировать расположение ПС в РРС ближней навигации таким образом, чтобы зону навигации охватывали все ПС и их резуль-

2618-7957

ОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ И технологии имина

Том 3

тирующая диаграмма направленности перекрывала зону навигации с требуемым уровнем мощности навигационных сигналов от –165 дБВт до – 140 дБВт. Мощность навигационных сигналов в пределах зоны навигации РРС не должна иметь больших колебаний, поскольку сигналы ПС на близкой дистанции действуют как источники помех, а на большой дистанции имеют недостаточную мощность для их эффективного использования. Следовательно, при конфигурировании искусственного навигационного поля РРС на основе ПС распределение энергетики радиолинии в зоне ¹⁰² навигации потребителей определяется исходя из размеров зоны навигации потребителей, уменьшения погрешностей измерения радионавигационных параметров сигналов, а также исключения перегрузки приемных трактов потребителей мощными полезными сигналами.

примерно до 90 % задержки, соответствующей

преимущественно гидростатическому компоненту, однако остальные 10 % (в основном из-за влажного компонента) будут серьезно влиять при высокоточ-

ном определении местоположения.

Мощность сигнала P_С , принимаемого антенной с эффективной площадью S _пр, на расстоянии R от источника излучения с изотропной излучающей антенной в безвоздушном пространстве

определяется из выражения:

c

P пер

4π R ^{2  пр} ,

где P _пер – мощность передающего устройства, Вт;

S _пр – эффективная площадь приемной антенны, м².

Для ПС, антенна которого обладает усилением G _пер в направлении R,

1. Бюджет радиолинии в радионавигационной системе на основе псевдоспутников наземного базирования

Проанализируем зависимость мощности навигационного сигнала, принимаемого НАП, от угла места ПС, коэффициента усиления передающей антенны, затухания сигнала в свободном пространстве и затухания, вносимого тропосферой. Затухание амплитуды навигационных сигналов связано с их рассеянием, главным образом, кислородом, парами воды и так называемыми гидрометеорами. Зависимости поглощения от температуры, давления, влажности и частоты получены Ван Флеком в разработанной им теории поглощения электромагнитных волн [1].

Тропосфера является недиспергирующей средой вплоть до частот 15 ГГц, поэтому величина задержки одинакова для наблюдений на частотах 1–2 ГГц как для измерений псевдодальностей, так и для фазы несущей. При моделировании принято выделять две составляющие тропосферы – сухую (гидростатическую) и влажную.

Значение сухой составляющей для зенитного направления ПС, находящегося на высоте 5000 метров, составляет около метра и зависит только от давления и температуры, а величина влажной составляющей может колебаться до нескольких сантиметров и зависит, главным образом, от влажности. При переходе от зенитного направления к наклонным направлениям задержка увеличивается примерно пропорционально секансу угла места, достигая вблизи горизонта (при удалении от ПС на 50–60 км) до 5 м. Тропосферную задержку можно вычислить, используя значения температуры, давления и влажности, которые являются входными данными для одной из многих моделей атмосферной рефракции. Такие модели могут учитывать

^P c ⁼

пер пер

4π R ^{2   пр} .

Эффективная площадь антенны является параметром, характеризующим качество антенн. Чтобы перейти от площади антенны к коэффициенту усиления G _пр, можно воспользоваться формулой:

S пр = ^{G пр} λ ² , 4π

где λ – длина волны излучаемого сигнала, м.

c

В этом случае с учетом (3) и того, что λ =   , где f –несущая частота излучаемого сигнала, а с – скорость света (c = 299 792 458 м/с), формула (1)

запишется в следующем виде:

PGG пер пер пр cL

.         ( fл2

где L = (4л) ² R ² I     I

V c )

бодном пространстве.

– затухание сигнала в сво-

Трасса распространения сигнала от ПС до НАП включает в себя тропосферу, которая вносит затухание B _тр. Учитывая это затухание, перепишем формулу (4):

пер пер пр LB тр

или, в логарифмической форме:

10lg( P_c ) = 10lg( Р пер ) + 10lg( G nep ) + .

+ 10lg( G np ) - (10lg( L ) + 10lg( B _T)) ■

Тропосфера простирается до высот 8–10 км в полярных широтах, до 10–12 км – в умеренных широтах и до 16–18 км – в тропиках.

Для рассматриваемой длины волны λ ≈ 18,7 и 24 см затухание радиоволн в тропосфере незна-

чительно и его можно не учитывать при наблюдении ПС при больших углах места, где величина проходимого расстояния в тропосфере незначительна. На малых же углах места ПС доля тропосферы на трассе распространения сигнала резко увеличивается и ее влиянием пренебрегать уже нельзя.

Поглощение и рассеяние волн в тропосфере ведет к снижению плотности потока мощности радиоволн с расстоянием по экспоненциальному закону. Коэффициент поглощения в тропосфере B _тр зависит от коэффициента затухания α_з, измеряемого в дБ/км, и расстояния R _тр, проходимого радиоволнами в тропосфере:

B тр = exp(0,23a ^ тр ) . (7)

Коэффициент α зависит, прежде всего, от длины волны (рис. 1) и погодных условий. На волны длиннее 10 см метеорологические условия существенного влияния не оказывают, поэтому будем считать, что коэффициент αз вдоль всей трассы постоянен.

По различным источникам [2; 3] значение коэффициента поглощения в тропосфере колеблется от 0,008 до 0,01 дБ/км. Согласно [1], значение коэффициента αз для длины волны λ ≈ 18,7 см приблизительно равно 0,007 дБ/км, для длины волны λ ≈ 24 см – 0,005 дБ/κм.

Рис. 1. Зависимость коэффициента поглощения в тропосфере от длины волны

Необходимо отметить также, что за счет возможности формирования группировкой «псевдоспутников» выделенной зоны повышенной мощности приема навигационных сигналов, можно повысить надежность навигационных определений в условиях воздействия помех и уменьшить среднеквадратическое отклонение шумовой погрешности типовой некогерентной схемы слежения за огибающей, которая определяется следующим выражением [3]:

О = ^Т э

к^ , к 2 П ссз П пч .P c / N 0    ( P c / N о )²

где τ_э – длительность элемента кода ПС; k ₁, k ₂ – постоянные коэффициенты, зависящие от выбранной схемы слежения; П_ссз, П_пч – односторонняя ширина полосы замкнутой схемы слежения и тракта промежуточной частоты соответственно; q cn⁼ P c / N 0 — энергетический потенциал радиолинии (отношение мощности сигнала к спектральной плотности мощности внутреннего шума приемника).

• 2.    Моделирование энергетических характеристик радиолинии системы ближней навигации на основе псевдоспутников при различных конфигурациях их расположения

• 2.1    Конфигурация 1

Проведем расчет радиолинии для различных конфигураций расположения ПС на плоскости с использованием математического моделирования и языка программирования С++.

Диаграмма распределения мощности навигационного сигнала одиночного ПС в естественной радиотрассе при P _пер = 1,15·10^–4 Вт представлена на рис. 2. Уровень мощности навигационного сигнала –165 дБВт соответствует внешней полусфере радиусом 70 км, а –140 дБВт соответствует внутренней полусфере радиусом ≈ 4 км.

В первой конфигурации расположим восемь ПС по периметру прямоугольника со сторонами 100x200 км, при этом они условно находятся на поверхности Земли на одной высоте. Такая конфигурация расположения ПС может использоваться для обеспечения навигации надводных объектов в морских портах, проливах, узостях рек, а также наземных объектов. На рис. 3 приведена результирующая диаграмма распределения мощности системы псевдоспутников.

Рис. 2. Диаграмма распределения мощности навигационного сигнала одиночного ПС

Том 3

Рис. 3. Конфигурация 1: восемь ПС расположены

по периметру прямоугольника

Рис. 4. Конфигурация 2: восемь ПС располагаются по окружности

Рис. 5. Конфигурация 3: четыре ПС находятся в углах квадрата, пятый ПС поднят на высоту

• 2.2    Конфигурация 2

• 2.3    Конфигурация 3

Рассмотрим вторую конфигурацию расположения ПС на местности: восемь ПС располагаются на высоте 0 м на окружности радиусом 100 км. (рис. 4). Данная конфигурация расположения ПС может использоваться для обеспечения навигации воздушных объектов в районах аэродромов.

Рассмотрим третью конфигурацию расположения ПС – четыре ПС находятся в углах квадрата (расстояние между ними составляет 70 км), а один ПС условно поднят на высоту 65 км (рис. 5). В данном случае несколько ПС, размещенных равномерно по периметру зоны обслуживания, и 1–2 ПС, размещенных на разных высотах, обе- спечивают повышение точности измерения вертикальной координаты объектов за счет уменьшения геометрического фактора.

Заключение

Возможность создания области навигации с требуемыми характеристиками при помощи распределенной радиотехнической системы на базе псевдоспутников на ответственных участках навигации подвижных объектов всех классов ведет к улучшению таких показателей, как автономность навигации, точность измерения координат и пространственной ориентации, помехоустойчивость и безопасность движения объектов в целом.

Разработанная программа моделирования характеристик радиолиний системы ближней навигации на основе псевдоспутников позволяет быстро оценивать не только ее энергетические характеристики, но и реализует наглядную визуализацию результирующей диаграммы направленности системы псевдоспутников в соответствии с конфигурируемой зоной навигации потребителей и требуемым уровнем мощности навигационных сигналов в условиях естественных радиотрасс.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект №16-1910089).