Система дистанционного зондирования трансионосферного распространения радиоволн для метеорной радиосвязи

Авторы патента:

Толмачев Сергей Владимирович (RU)

Рябов Игорь Владимирович (RU)

Стрельников Игорь Витальевич (RU)

Дегтярев Николай Васильевич (RU)

G01S19/14 - Радиопеленгация; радионавигация; измерение расстояния или скорости с использованием радиоволн; определение местоположения или обнаружение объектов с использованием отражения или переизлучения радиоволн; аналогичные системы с использованием других видов волн (обнаружение масс или объектов способами, не использующими отражение или переизлучение радиоволн, звуковых или других волн G01V)

Владельцы патента RU 2650196:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Поволжский государственный технологический университет" (RU)

Изобретение относится к радиотехнике и радиоэлектронике и может быть использовано в радиолокации, навигации и адаптивных системах связи. Технический результат состоит в возможности высокоскоростной передачи информации на основе получения амплитудно-частотных и дистанционно-частотных характеристик (АЧХ и ДЧХ) радиолиний на трассах различной протяженности и ориентации. Для этого система для дистанционного зондирования ионосферы Земли трансионосферного распространения радиоволн содержит приемо-передающую части и состоит из 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 устройство 20; блока входных фильтров 19; аналого-цифрового преобразователя (двухканальный АЦП) 18; второго и третьего смесителей 22, 23. Перечисленные блоки соединены между собой в общую приемо-передающую структурную схему. На каждом конце линии связи организована такая структура. 1 ил.

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).

Система дистанционного зондирования трансионосферного распространения радиоволн для метеорной радиосвязи, состоящая 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), отличающаяся тем, 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.

Изобретение относится к области навигации по сигналам космических аппаратов (КА) глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Достигаемый технический результат – повышение точности определения навигационных измерений и параметров.

Система точной навигации подвижных объектов с использованием данных наземной инфраструктуры глонасс // 2649628

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для навигации подвижных объектов в режиме реального времени. Система точной навигации подвижных объектов с использованием данных наземной инфраструктуры ГЛОНАСС включает спутники глобальных навигационных систем (ГЛОНАСС, GPS, GALILEO), диспетчерскую станцию, содержащую геоинформационную систему, базовую станцию, подвижные объекты, оснащенные телеметрическими терминалами, на которых установлено телекоммуникационное оборудование, обеспечивающее соединение базовой станции с подвижными объектами посредством широкополосного радиодоступа, блок обработки совместной информации, поступающей с базовой станции и подвижного объекта.

Комплексный способ навигации летательных аппаратов // 2646957

Изобретение относится к области навигации летательных аппаратов (ЛА) с использованием комплексного способа навигации, а также относится к области навигационных приборов для контроля и управления летательными аппаратами.

Способ обзора пространства радиолокационными станциями с фазированными антенными решетками // 2646847

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано при обзоре пространства в радиолокационных станциях (РЛС) с фазированными антенными решетками (ФАР).

Способ формирования сигнала спутниковой навигационной системы // 2646315

Изобретение относится к области радионавигации. Технический результат заключается в расширении арсенала средств для формирования сигналов спутниковой навигационной системы.

Способ управления авиационным воздушно-реактивным двигателем летательного аппарата // 2646020

Изобретение относится к авиационной и ракетной технике. Способ управления авиационным воздушно-реактивным двигателем (ВРД) летательного аппарата (ЛА) включает измерение давления и температуры воздуха на входе в ВРД, преобразование информации с датчиков давлений и температуры и передачу преобразованной информации по каналу (4) обмена информацией к вычислителю (8), обработку полученной информации в вычислителе (8) по заранее установленным алгоритмам поддержания скорости летательного аппарата на различных высотах движения аппарата, выдачу управляющих сигналов на агрегаты ВРД.

Способ определения целостности высокоточных навигационных определений в реальном времени // 2644450

Изобретение относится к области спутниковой навигации и может быть использовано в качестве оценки достоверности высокоточного навигационного определения в реальном времени.

Способ бесспутниковой навигации // 2642507

Изобретение относится к области радионавигации и может быть использовано в системах определения местоположения и слежения за траекторией перемещающихся в надземном пространстве объектов по сигналам навигационных бесспутниковых систем, использующих RFID-технологию.

Способ определения местоположения земной станции спутниковой связи // 2640395

Изобретение относится к области спутникового радиоконтроля и может быть использовано при поиске и локализации позиций земных станций (ЗС) спутниковой связи - источников помех стволам с прямой ретрансляцией спутников-ретрансляторов (СР) на геостационарной орбите.

Способ идентификации параметров навигационных спутников с компенсацией погрешностей навигационного приемника // 2638411

Изобретение относится к способам навигации по спутниковым радионавигационным системам (СРНС) и может быть использовано для определения параметров навигационных спутников и повышения точности определения координат навигационного приемника.

Способ определения параметров орбиты искусственного спутника земли // 2652603

Изобретение относится к области космонавтики, а именно к технике выполнения траекторных измерений и определения параметров орбиты искусственного спутника Земли (ИСЗ), и может быть использовано на наземных и бортовых комплексах управления полетом ИСЗ для точного определения текущих параметров движения ИСЗ. Достигаемый технический результат - высокое быстродействие. Указанный результат достигается за счет использования наземной радиотехнической станции (НРТС), размещенной на позиции с известными координатами xK, yK, zK, и N≥2 излучающих опорных реперных станций (ИОРС), размещенных на позициях с известными координатами где n=1…N - номер ИОРС, при этом способ основан на излучении тестовых радиосигналов НРТС на средней частоте ƒ0 и N ИОРС на средних частотах ƒn в момент времени t0 и последующего приема этих тестовых радиосигналов после ретрансляции ИЗС с помощью НРТС в моменты времени и на средних частотах и соответственно, а также основан на измерении наклонных дальностей от ИСЗ до НРСТ RSK и до каждой из N ИОРС , на вычислении координат ИСЗ х0, у0, z0 по известным координатам НРСТ, известным координатам N ИОРС и измеренным наклонным дальностям Rsk, и , вычислении ортогональных составляющих вектора скорости ИСЗ по известным координатам НРСТ, известным координатам N ИОРС, вычисленным координатам ИСЗ х0, y0, z0, запомненным номиналам средних частот переданных ƒ0, ƒn и принятых тестовых радиосигналов, предварительно заданной частоте сдвига ƒG рабочей частоты ИСЗ, причем в качестве параметров орбиты ИСЗ принимают совокупность координат ИСЗ х0, у0, z0 и ортогональных составляющих вектора его скорости в момент времени t0. 10 ил., 5 приложений.