www.chms.ru - вывоз мусора в Балашихе |
Динамо-машины Радионавигационные системы, спутниковая радионавигация
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 [ 12 ] 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67
Для вывода энергетических соотношений для ретрансляционной радиолинии воспользуется формулой (5.2): для участка П, - НИСЗ
для участка НИСЗ - НЦН
(5.3)
(5.4)
Рассмотрим более подробно работу ретранслятора НИСЗ. На его вход поступает смесь Шв.х р полезных сигналов от п наблюдаемых П и шумов Пвх 1 со спектральной плотностью jVobxi:
,хр= 2 Si cosij), (О-f Пвхь
(5.5)
где Si - амплитуды сигналов от каждого из п потребителей; гз; - фаза сигнала г-го П; % - независимые равномерно распределенные в [ - я, л] случайные величины, так как все П излучают сигналы несинхронно, времена распространения сигналов от П до ретранслятора случайны и коды идентификации П также различны.
Средняя мощность суммарного сигнала (5.5), выделяемая на единичном сопротивлении, оценивается по формуле Pv bxi(0 = = Швх р- которая с учетом независимости всех слагаемых [22], входящих в правую часть (5.5), после известных преобразований может быть приведена к виду
PsBxi (О = 0,5пР,вх1 + /VoBxi F.
Если средняя мощность на выходе передатчика ретранслятора Рр, то коэффициент усиления ретранслятора (по мощности)
к; = Рр/Рхвх. (О = Рр/( Ловх, + 0,5пРв ).
(5.6)
Шумы, переизлучаемые ретранслятором, имеют спектральную плотность iVoBxi/(p, а в месте приема сигналов на НЦН ~-Ло Bxi/(pa2.
Кроме шумов, вносимых ретранслятором, в приемнике наземного центра имеются также шумы собственные и внешние (космические, галактические, шумы антенны) с суммарной спектральной плотностью iVoBx2. Суммарная мощность шумов P,i,2 в полосе Af с учетом соотношения (5.6) может быть записана в виде
Рш2 =
0 laquo;х1 2
iVo,, AF + 0,5пЯ
0вх2
Подставив это выражение в (5.4) и учтя очевидные соотношения между мощностями полезных сигналов, излучаемых П, поступающих на вход ретранслятора и излучаемых ретранслятором, можно получить следующее общее энергетическое уравнение радиолинии с ретрансляцией:
, Л0.х2-
Pnepi2 -
Ло.х, Яр
-Vo ,Af + 0,5na, Я
AF(/Bxi2-
(5.7)
Решив совместно уравнения (5.3) и (5.7), найдем связь отношений сигнал-шум в различных участках радиолинии:
l/qli2=l/qln +(l/Bxi2), (5.8)
где (1/(/вх.2) = Ловх2/Ровх2 - отношение шум-сигнал в месте приема переизлученных сигналов, учитывающее шумы в месте приема, за исключением ретранслированных шумов.
Следует отметить, что хотя формула (5.8) по виду и совпадает с известным [56] энергетическим соотношением для линии с активной ретрансляцией без генерации сигнала на борту НИСЗ, однако мощность полезного сигнала в месте приема на НЦН вычисляется другим способом. В этом случае считается, что переизлучаемый ретранслятором сигнал содержит как полезную, так и шумовую составляющие и, кроме того, суммарная полезная составляющая рассчитывается с учетом случайной фазировки сигналов от п потребителей, причем п достаточно велико (n gt;10). При малом п и при п=1 усреднения фаз приходящих на ретранслятор сигналов не происходит и множитель 0,5 должен быть опущен.
5.3. УЧЕТ УСЛОВИЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН В СРНС
Рекомеидуемые диапазоны частот. Все связи между приземными потребителями и НИСЗ осуществляются через атмосферу Земли, включая тропосферу и ионосферу. Атмосфера имеет ярко выраженную частотную избирательность [44, 45, 12], вследствие чего не все частоты могут свободно проходить через нее. Из всего спектра электромагнитных колебаний свободно проходят через атмосферу колебания, занимающие диапазон между ионосферными критическими частотами и частотами, поглощаемыми дождем и атмосферными газами (10 МГц... 20 ГГц), а также диапазон видимых и инфракрасных лучей (1...1000 ТГц). Атмосфера частично прозрачна в диапазоне частот ниже 300 кГц. Однако в этом диапазоне невозможно получить полосу необходимой ширины, поэтому для СРНС он не используется. Наиболее освоенным является первый частотный диапазон, называемый laquo;радиоокном raquo;, поэтому в существующих
и проектируемых СРНС используются радиотехнические принципы передачи и выделения навигационной информации.
Для спутниковой радионавигации выделены следующие диапазоны частот [44, 45, 19]: узкие полосы вблизи 150 и 400 МГц для доплеровских РНС; полосы частот 960...1215, 1535...1660, 4200...4400, 5000...5250 и 15400...15700 МГц. Они резервируются на всемирной основе для использования и развития электронных средств для воздушной навигации и любого непосредственно связанного с ними наземного и космического оборудования; диапазон частот вблизи 10 ГГц. Узкие полосы вблизи 150 и 400 МГц отведены для доплеровских РНС, полосы вблизи 10 и 15 МГц - для систем, основанных на принципе направленности (угломерных РНС), а остальные (с достаточно широкими отведенными полосами) могут быть использованы для систем с шумоподобными широкополосными сигналами [44].
Рассмотрим особенности распространения радиоволн перечисленных диапазонов, влияющие на выбор проектных параметров СРНС. При распространении радионавигационных сигналов от НИСЗ к определяющемуся объекту влияние трассы проявляется в ослаблении сигнала, изменении скорости распространения его и отклонении траектории распространения от прямолинейной.
Расчет ослабления радиосигналов в атмосфере [56, 54, 44, 45]. Суммарное ослабление энергии сигнала Ls состоит из ослабления сигналов в свободном пространстве Lo и дополнительных потерь Lnon в атмосфере Земли. Ослабление Lo зависит от длины волны X и расстояния г между передающей и приемной антеннами Lo=\6nr/X. Дополнительные потери обусловлены поглощением радиоволн в тропосфере и ионосфере, отражением и рассеянием энергии на неоднородностях атмосферы, изменением формы и плоскости поляризации радиоволн.
При распространении в атмосфере радиоволны поглощаются в кислороде, водяных парах, дожде и облаках. Резонансное поглощение в водяных парах происходит на частоте 22,23 ГГц, а в кислороде - на частотах 60 и 120 ГГц. Полное поглощение энергии радиоволн в кислороде и водяных парах. La, дБ, при прохождении через атмосферу можно рассчитать по формуле
1а = УооГ10-\-УшоГ1т, (5.9)
где Г/о и г/ш - эффективные протяженности трассы через атмосферу; Уоо и ушо - поглощения в кислороде и в водяных парах, дБ/км.
Поглощение радиоволн дождем и взвешенными частицами воды становится значительным на частотах выше 3 ГГц. Полное поглощение Lr, дБ, за счет выпадания дождя на участке пути длиной Го на частотах выше 2 ГГц составит
Lr=5 yr{r)dr, где Уг - удельное поглощение дождем.
В облаках энергия радиоволн испытывает заметное поглощение только на частотах выше 10 ГГц. Рассеяние энергии радиоволн рассматриваемого диапазона в атмосфере при малых углах места потребителя у вызывает затухание и искажение радиосигналов, однако оно, как правило, пренебрежимо мало [45].
Потери вследствие вращения плоскости поляризации L при прохождении ионосферы в предположении, что передающая и приемная антенны линейно поляризованы и ориентированы одинаково, можно оценить в децибелах по формуле [78] Ln~ 20 Ig cosy. Наиболее сильный гюворот плоскости поляризации наблюдается в метровом диапазоне радиоволн при малых углах места.
Таким образом, дополнительное ослабление энергии радиоволн (в децибелах) в атмосфере Земли можно определить по формуле
доп La -f- Lr -f- Ln.
Расчет шумов на входе приемного устройства [54, 56, 109]. Мощность шума на входе приемного устройства Р , = кТАР, где 1,38-10 Вт/(Гц-К) - постоянная Больцмана; - суммарная шумовая температура всей приемной системы; AF - эквивалентная полоса шумов приемника.
Суммарная шумовая температура всей приемной системы определяется интенсивностью как собственных тепловых шумов приемника Г р, так и шумов различных источников и цепей, внешних по отношению к входу приемника, таких как радиоизлучение атмосферы, тепловые шумы Земли и антенны, космические радиоизлучения, радиоизлучения Солнца, Луны, планет, а также тепловые шумы, создаваемые различными цепями, подключенными к входу приемника (Тех), фидерами, фильтрами и т. д.
Методика расчета составляющих суммарной шумовой температуры дана, например, в [54 , 56, 109].
Оценка рефракционных ошибок. Неоднородное по высоте распределение диэлектрической проницаемости вызывает искривление траектории распространения радиоволн -- рефракцию. Из-за этого время распространения радиосигналов между передатчиком и приемником отличается от времени прямолинейного распространения со скоростью света с. Это требует введения поправок при определении дальности до НИСЗ.
Тропосферная рефракционная погрешность измерения квазидальности согласно [166] определяется следующим соотношением:
N(h) dh
Il (5.10)
cos у
где /?з - радиус Земли, у - угол места П,
Л/(/г) = И/г)-1]10*
(5.1
- приведенный показатель преломления воздуха (индекс рефракции), n{h)-коэффициент преломления воздуха на высоте h над поверхностью Земли.
Для расчета рефракционной погрешности (5.10) используются различные аппроксимации реальных высотных профилей коэффициента преломления N{h). Анализ возможных аппроксимаций [6.3] показал, что при расчетах различные варианты профилей не имеют сушественных преимуществ один перед другим. На практике наиболее часто применяется экспоненциальная модель нейтральной атмосферы (тропосферы и стратосферы), задаваемая соотношениями [46, 63, 118]
;V,exp[-(5,(/г-Ь й,-Я,)], h gt;H,-h
(5.12)
где Ят = 9 км- высота тропосферы; hs- высота над уровнем моря поверхности Земли в месте расположения П; ;Vj - приземное значение N\ Л/т=105 - значение N на высоте
р=1п(Л,/Л)/(Я,-Л,). р, = 0,1424 . 10- м-. (5.13)
Ионосферную погрешность Дг , см, измерения квазидальности от П до НИСЗ оценивают по формуле [46]
Лг = 4,04 . 107-2 \ Nds,
(5.14)
где f [Гц] - рабочая частота, s [см] - групповой путь, вдоль которого распространяется радиосигнал, принятый прямолинейным, Л [см] - распределение электронной концентрации вдоль трассы распространения сигнала.
Ионосферную погрешность Лг измерения скорости можно определить дифференцированием погрешности Дг :
4,04 10
(5.15)
где ti и (2 - достаточно близкие моменты времени.
Таким образом, оба алгоритма (5.14) и (5.15) сводятся к вычислению интегральной электронной концентрации Л; =S Nds вдоль линии визирования. . (si
Распределение электронной концентрации Л имеет сложную структуру и изменяется в течение суток, от месяца к месяцу, с изменением солнечной активности. При глобальных расчетах ионосферных погрешностей используют ионосферную модель [90, 100], дополненную моделью плазмосферы [163]. Модель [90, 1оО] представляет собой набор аналитических формул с эмпирически подобранными значениями констант. При ее создании использовались данные 58 ионосферных станций, 8 арктических и 8 антарктических станций за длительный период наблюдения. В основе модели лежит предположение о том, что значение электронной концентрации в любой точке пространства в произвольный момент времени для всех значений солнечной активности есть сумма вкладов от трех слоев , F] и Fi:
N = Z N,.
(5.16)
Концентрация в каждом слое Ni определяется амплитудным параметром, профильной функцией и пиковым значением плотности электронов в слое.
Модель [90, 100] используется для расчета электронной концентрации до высот около 500 км. Для расчета концентрации заряженных частиц в интервале высот 500...20 ООО км применяется модель плазмосферы [163], основанная на расчетах диффузионно-равновесного распределения концентрации ионов водорода.
Входными параметрами для расчета ионосферных погрешностей измерения РНП с использованием моделей ионосферы - плазмосферы [90, 100, 163] являются: частота j, широта, долгота, высота потребителя (ф , к , Н ) и спутника (фс, Яс, Не), местное время П t, номер месяца ti в году, среднемесячное число солнечных пятен w (число Вольфа) и индекс магнитной активности Кр:
Arf gt; = Дл [f; ф , А , H , lt;f K.M,;tJ w;K,). (5.17)
Алгоритм (5.17) включает большой объем вычислений как при расчетах электронной концентрации N, так и при численном интегрировании вдоль пути (s). Поэтому на практике иногда пользуются упрощенной, двумерной моделью ионосферы [46], в основе которой лежит предположение о сферически-слоистом характере распределения электронной концентрации в ионосфере; при этом учитывается также, что основная часть интегральной концентрации содержится в окрестности максимума слоя Г2, а его высота принимается /г laquo;300 км. При указанных предположениях вычисление интеграла N вдоль наклонной трассы (s) сводится к интегралу вдоль вертикали (/), а зависимость от угла места записывается в явном виде
4,04 10 Л/,
(5.18)
fVl - O.gicosv
N, = \ Ndh.
Символ (2) в формуле (5.18) отражает тот факт, что погрешность рассчитывается по двумерной модели ионосферы в отличие от погрешности, рассчитываемой по формуле (5.17), где использована трехмерная ионосферная модель. Дальнейшее упрощение расчетов связано с усреднением величины N, по гелио-геофизическим условиям. В [46] принято iV, = 3-10 эл/см1 Тогда вместо (5.18) будет
Ar- = -ia=i2L. (5.19)
fVl - 0,91cosv
Исходными данными при расчете по (5.19) при фиксированной частоте f является угол места потребителя. При f=l,6 ГГц Лг? изменяется от 5 до 15,2 м при изменении угла места П от 90 до 5 deg;. Однако, как показывают экспериментальные данные [160, 178, 182, 184] и расчеты по моделям [90, 100, 163], вариация в течение суток ионосферных погрешностей может составлять до пяти раз, а внутри 11-летнего цикла солнечной активности - до трех раз; зависимость ионосферной погрешности от азимута из П на спутник наиболее ярко проявляется в средних широтах и неучет этой зависимости также может вызвать изменение погрешности в два раза. Тем не менее величина Али отражает картину в среднем.
Моделирование ионосферных погрешностей измерения квазидальностей, проведенное для сравнения дву- и трехмерной моделей ионосферы, показало, что для системы типа laquo;Навстар raquo; при рабочих углах места П 7 gt;10 deg;, равновероятном расположении П по поверхности Земли и случайном времени из интервала повторяемости конфигурации системы средние значения рассчитан-
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 [ 12 ] 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 |