Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Аналитический обзор состояния проблемы
1.1 Страны и разработчики 11
1.2 Классификация методов определения координат ИС 13
1.3 Использование двух ИСЗ 15
1.4 Применение антенных решеток на борту ИСЗ 23
1.5 Использование низкоорбитальных ИСЗ 27
1.6 Борьба с постановщиками помех 30
1.7 Движение ИСЗ на ГСО 37
1.8 Выводы по главе № 1 39
ГЛАВА 2 Определение координат ис на основе фазовых измерений
2.1 Определение координат ИС с антенной решеткой на борту ИСЗ
на ГСО 40
2.2 Определение координат ИС с виртуальной антенной решеткой (ВАР) 47
2.3 Погрешности определения координат ИС 51
2.3.1 Погрешности фазовой методики с антенной решёткой на борту ИСЗ на ГСО 52
2.3.2 Погрешности фазовой методики с ВАР 56
2.4 Результаты расчетов 59
2.5 Статистическое моделирование 67
2.5.1 Равномерная плотность распределения 68
2.5.2 Нормальная плотность распределения 70
2.6 Выводы по главе № 2 72
ГЛАВА 3 Определение координат ис на основе эффекта доплера
3.1 Метод определения координат ИС 74
3.2 Методика, основанная на измерении Fj 75
3.3 Погрешности определения координат ИС 76
3.4 Результаты расчетов 78
3.5 Уменьшение погрешности определения координат ИС 80
3.6 Сравнение Доплеровской и фазовых методик 81
3.7 Выводы по главе №3 81
ГЛАВА 4 Основы технической реализации системы определения координат ис в спутниковой связи
4.1 Способ и устройство определения координат ИС с использованием антенной решётки на борту ИСЗ на ГСО 83
4.2 Способ и устройство определения координат ИС, использующие суточное движение ИСЗ на ГСО 85
4.2.1 Влияние движения геостационарного ИСЗ на измерение сдвига фаз 87
4.2.2 Использование координат известных ИС с целью увеличения размеров рабочей зоны 93
4.3 Выделение несущей частоты сигнала 97
4.4 Состав фазовой компоненты несущей частоты сигнала ИС 102
4.5 Исключение многозначности угломерных измерений .104
4.6 Требования к точности фазовых и частотных измерений 105
4.7 Взаимная относительная нестабильность частот генераторов 108
4.8 Выводы по главе № 4 115
Заключение 116
Список использованной литературы
- Классификация методов определения координат ИС
- Определение координат ИС с виртуальной антенной решеткой (ВАР)
- Погрешности определения координат ИС
- Способ и устройство определения координат ИС, использующие суточное движение ИСЗ на ГСО
Введение к работе
Системы передачи информации с использованием Искусственных Спутников Земли (ИСЗ) получили широкое распространение во многих странах в государственных, гражданских' и пр. приложениях. В основном, в таких системах передается речевой трафик в режиме один канал на несущую с уплотнением или без него. В последнее десятилетие спутниковые коммуникации все в большей степени используются в качестве сегмента компьютерных сетей с использованием IP телефонии для передачи речевых сообщений, либо в виде интегрированной структуры передачи компьютерных данных и речевых сообщений при различных методах распределения ресурса, в частности, по протоколу Frame Relay [13].
В простейшем варианте телекоммуникационная система содержит две или более Земных Станций (ЗС) и активный ретранслятор, расположенный на борту ИСЗ. Наиболее распространены системы связи с использованием геостационарных или низкоорбитальных ИСЗ.
Спутниковые системы связи охватывают значительные по площади территории [67,68]. Например, сигнал ретранслятора, работающего в диапазоне С и размещенного на борту ИСЗ, зафиксированного на геостационарной орбите (ГСО) в точке стояния 103 град. вост. долготы, покрывает территорию от Москвы до Камчатки и от Таймыра до Бомбея, включая всю Юго-Восточную Азию и Японию. Для на-\ глядного примера на рисунке ВЛ схематически приведена зона обслуживания (или радиовидимости) со спутника, зафиксированного на геостационарной орбите в точке стояния около 50 град. вост. долготы [37] в диапазоне частот С и Ки (кривые равных относительных уровней мощности принимаемых сигналов отмаркированы только в диапазоне частот С). Неотмаркированная кривая соответствует диапазону частот Ки при уровне относительной мощности -1 дБ.
При анализе и расчете помехоустойчивости таких систем обычно исходят из условия наличия естественных шумовых составляющих в виде белого широкополосного Гауссова шума с равномерной спектральной плотностью в пределах полосы пропускания радиочастотного тракта [54].
Рисунок В. 1- Зоны радиовидимости.
Проблемы борьбы с умышленными помехами и несанкционированного доступа в системах спутниковой связи в широкодоступной литературе не рассматривается [17].
Аппаратура ЗС и ретранслятора коммуникационных широковещательных ИСЗ не содержит средств борьбы с умышленными помехами. Поэтому представляется очевидной проблема уязвимости систем спутниковой связи. Эта проблема является классической для наземных средств связи [21,22] - как с точки зрения ра-. диоразведки, так и радиопротиводействия. Отработаны методы и технологии, разработаны и выпускаются серийно специальные средства, ведется регулярная работа, создана система подготовки специалистов. Совершенно по иному обстоят дела в спутниковых коммуникациях. Постановщик помехи, которой в данном случае является сигнал нелегитимного пользователя («пирата») [41,60], может располагаться в любой точке участка поверхности Земли, в пределах зоны радиовидимости ИСЗ. Отсюда следует, что проблема определения координат постановщика помех, как самостоятельная часть основной проблемы защиты спутниковых коммуникациях от
постороннего вмешательства является актуальной [9,15]. Развитию этого негативного явления способствуют несколько обстоятельств:
«Прозрачность» борта ИСЗ для любых сигналов, поступающих на его приемную антенну;
Широкая доступность сведений о расположении ИСЗ на геостационарной орбите, а также о диапазоне рабочих частот [69].
Захват ресурсов бортового ретранслятора (БР) происходит, как правило, без учета интересов легитимных пользователей, а чаще всего - в ущерб им. Происходит это следующим образом. Пиратская ЗС излучает в сторону ИСЗ сигнал, значительно превосходящий по мощности и, как правило, значительно более широкополосный, чем сигналы отдельных легитимно работающих в системе станций. Обычно, пират не принимает во внимание занятость несущей частоты, на которой он выставляет свой сигнал. При этом БР входит в режим насыщения, т.е. слабые сигналы от работающих станций становятся еще меньше. Отношение сигнал/шум в тракте легитимного пользователя уменьшается до порогового значения, модем принимающей Земной станции выходит из синхронизма, передача информации становится невозможной. Перегрузка линейного тракта ретранслятора в системах с большим количеством Земных станций встречается достаточно часто, когда оператор одной из станций не выполняет требований регламента. Одной из функций Центра Управления Системой является обеспечение условий поддержания работы ретранслятора в линейном режиме. Если мощность сигнала одной из станций выходит за установленные пределы, что легко определяется по анализатору спектра, то оператор ЦУСа должен выдать дежурному персоналу этой станции соответствующее указание. Единственным практикуемым в настоящее время решением при борьбе с такой помехой является перестройка штатной линии связи (передатчиков и приемников на обеих концах радиолинии), работа которой нарушена пиратом, на свободную частоту. Естественно, это путь нельзя считать перспективным.
Кроме нарушения работы системы связи, свободный и безнаказанный доступ к ресурсам бортового ретранслятора рождает еще одну особенность - пиратское использование ретранслятора для передачи информации. Это приводит к недополуче-
нию значительных средств, во-первых, от деятельности пирата, во вторых - от зарегистрированного пользователя, поскольку он не в состоянии пользоваться системой передачи информации. Наиболее ярким примером подобной деятельности является, несанкционированное вмешательство в работу системы компьютерной связи университетов России RUNNET (ИСЗ "Радуга" в точке стояния 70 град.в.д.). Регулярное вмешательство пирата(ов?) в деятельность RUNNET происходит примерно с 1995-96 г.г. по настоящее время. Попытки выяснить принадлежность источников к силовым министерствам или другим ведомствам результата не дали. Подобные факты известны практически всем операторам спутниковой связи. Можно утверждать, что интенсивность несанкционированного занятия ресурсов ретрансляторов с течением времени неуклонно увеличивается.
В [25] сообщается об официально зарегистрированных около 200 пиратских передач, из которых только одна была идентифицирована, как принадлежащая ЗС, расположенной на территории Марокко.
Борьба с несанкционированным вмешательством состоит в определении координат неизвестного передатчика (НП) для предъявления различного рода санкций, и/или создании условий, обеспечивающих невозможность работы пиратов. Для большей общности научных исследований, в диссертации рассмотрено определение координат источников сигналов (ИС), а не только НП.
Целью диссертации является исследование возможности и путей определе-ния координат ИС в системах связи с ИСЗ, расположенном на геостационарной орбите. В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи:
Разработка основ Доплеровского и фазового метода определения координат ИС с размещением и без размещения на борту ИСЗ на ГСО антенной решетки.
Анализ источников погрешностей, оценка и сопоставление точностных характеристик разработанных методов определения координат ИС в системах спутниковой связи.
Методы исследований. При решении поставленных задач использованы основы общей теории фазовой радиопеленгации, элементы аналитической геометрии,
линейной алгебры, статистической теории погрешностей измерения, основные законы движения ИСЗ.
По результатам диссертационной работы сформулированы положения, представляемые к защите:
Фазовая методика определения координат ИС при размещении антенной решётки на борту ИСЗ на ГСО.
Доплеровская и фазовая методики определения координат ИС, основанные на эволюции положения ИСЗ на ГСО в пределах суточной траектории.
Применение фазовой методики определения координат ИС для существующих поколений коммуникационных ИСЗ на ГСО возможно только с использованием виртуальной антенной решетки (ВАР).
Методические и статистические характеристики погрешностей определения координат ИС зависят от расположения ИС относительно подспутниковой точки
Научная новизна результатов, полученных в процессе выполнения диссертационной работы, заключается в следующем:
Разработаны и обоснованы методы, позволяющие определять координаты ИС с использованием одного ИСЗ на ГСО.
Основы общей теории фазовой радиопеленгации распространены на случай виртуальной антенной решетки.
Предложено и обосновано использование участков траектории с одинаковой скоростью, возмущающего движения ИСЗ на ГСО, но различным направлением движения для увеличения точности определения координат ИС на порядок.
Обосновано исключение влияния медленно меняющейся переменной составляющей фазы сигнала, вызванной движением ИСЗ на ГСО, в пределах измерительного цикла.
Практическая и научная ценность диссертационной работы заключается в следующем:
Разработанная фазовая методика с антенной решёткой на борту ИСЗ на ГСО позволяет определять координаты ИС с высокой точностью, используя один ИСЗ на ГСО.
Разработанные Доплеровская методика и фазовая методика с ВАР позволяют определять координаты ИС без доработки бортовой аппаратуры ИСЗ на ГСО.
Исключение медленно меняющейся переменной составляющей фазовой компоненты сигнала ИС за измерительное время позволяет повысить точность определения координат ИС.
Установленная зависимость погрешностей определения координат ИС от его расположения относительно подспутниковой точки позволяет корректировать результаты измерений для повышения точности определения координат ИС.
Результаты диссертационной работы внедрены на Федеральном государственном унитарном предприятии «Научно-производственное предприятие «Радиосвязь», в Конструкторском бюро «Искра», а так же в учебном процессе на кафедре «Радиосистем» КГТУ, что подтверждено соответствующими актами о внедрении.
По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ.
Разработанные в диссертации методики определения координат ИС не имеют отношения к известным навигационным методам определения местоположения, в которых структура сигнала известна, как это реализовано, например, в системах ' ГЛОНАСС и GPS [86].
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения.
В первой главе рассмотрен аналитический обзор состояния проблемы несанкционированного захвата ресурса БР ИСЗ на ГСО. Разработана классификация методов определения координат ИС.
Во второй главе описываются разработанные методики определения координат ИС с использованием антенной решётки на борту ИСЗ на ГСО и с использованием ВАР. Приводятся расчёты погрешностей определения координат ИС и результаты статистического моделирования.
В третьей главе описывается разработанный метод определения координат ИС на основе эффекта Доплера. Приводятся расчёты погрешностей определения координат ИС, выполнено сравнение Доплеровской методики и фазовых методик.
Четвертая глава посвящена основам технической реализации разработанных методик. Приведены и описаны разработанные структурные схемы устройств реализующих методики. Рассмотрены пути решения проблем связанных с выделением несущей частоты сигнала ИС, с исключением многозначности угломерных измерений и измерения разности начальных фаз двух несинхронизированных генераторов. Предъявлены требования к точности фазовых и частотных измерений
В Заключении обобщены результаты диссертационной работы и сформулированы направления дальнейших исследований.
Классификация методов определения координат ИС
Как видно из классификации (рисунок 1.1) определение координат ИС возможно по двум основным направлениям: с использованием одного ИСЗ или группировки ИСЗ. С использованием одного ИСЗ методы и устройства позволяют определить координаты с антенной решёткой на борту ИСЗ как с извлечением измерительной информации на ИСЗ, так и с извлечением измерительной информации на Мониторинговой Земной Станции (МЗС), а без антенной решетки на борту ИСЗ только с извлечением измерительной информации на МЗС. К извлечённой информации относится: время задержки, Доплеровское смещение частоты, фазовый сдвиг, распределение мощности, интеграл от Доплеровского смещения частоты сигнала и векторы электромагнитного поля. Методы и устройства определения координат ИС с использованием группировки ИСЗ с извлечением измерительной информации только на МЗС также как и в первом направлении позволяют определить координаты ИС. К извлечённой информации относится: время задержки, Доплеровское смещение частоты, фазовый сдвиг, распределение мощности, интеграл от Доплеровского смещение частоты сигнала и векторы электромагнитного поля. Далее более подробно рассмотрены методы и устройства для определения координат ИС.
Одной из первых работ, посвященных определению координат ИС в системе спутниковой связи, является патент США от 1991 г. [26]. В нем содержится научно обоснованное техническое решение задачи. Сущность работы устройства состоит в следующем.
В системе использованы два ИСЗ, близко расположенные на геостационарной орбите (рисунок 1.2); ИСЗ обозначены 4 и 5.
Понятие «близко расположенные» охватывает угловое расстояние между двумя геостационарными ИСЗ порядка 3. Это требование выполняется достаточно редко и, в частности, удовлетворяется для ИСЗ Euitelsat II F4 (7,0 восточной долготы) и Euitelsat II F2 (10,0 вост. долготы). Источник сигнала излучает сигнал по основному лепестку диаграммы направленности в сторону ИСЗ 5, а по боковому - в сторону ИСЗ 4. Поскольку расстояния R1 и R2, а также расстояние между спутниками известны, то разность хода лучей по трассам ИС - ИСЗ 4 - ЗС1 и ИС - ИСЗ 5 - ЗС2 определяется только разностью XI- Х2. Поэтому на поверхности Земли можно построить изолинию постоянных разностей XI - Х2. Эта изолиния в общем слу чае является гиперболой на поверхности Земли. Сигналы с ИСЗ 4 и ИСЗ 5 принимаются на Земных Станциях 1 и 2 со сдвигом по времени: DT = , (1.1) где с - скорость света.
Если ИС находится на равном расстоянии между ИСЗ, то АХ = XI — Х2 = 0 и изолиния сводится к меридиану, значение которого равно разности долготы точек стояния ИСЗ 4 и ИСЗ 5. В одной из точек этой линии находится ИС.
Для определения второй координаты используется Доплеровское смещение частоты принимаемого сигнала, вызванное суточным движением ИСЗ. Это движение подробно рассмотрено ниже в параграфе 1.7.
Доплеровский сдвиг несущей частоты ретранслированного сигнала DF = fovcosms (12) где f0 - несущая частота, v - скорость движения ИСЗ, 4у - угол между вектором скорости ИСЗ и направлением на ИС. На поверхности Земли может быть построена Доплеровская изолиния - линия постоянства значения Доплеровского смещения частоты для каждого ИСЗ [8]. В точке пересечения Доплеровской и дальностной изолиний находится ИС (рисунок 1.3).
В (1.2) скорость v можно заменить на 27iZ/T8, где Tg — период суточного перемещения ИСЗ на орбите по замкнутой кривой, напоминающей цифру «8». Tg = 12 час. Z - амплитудное значение - максимальное отклонение ИСЗ от среднего значения суточной траектории, если принять, что движение происходит по синусоидальному закону с периодом 12 час. и обратным движением в исходную точку за следующие 12 час. также по синусоидальному закону. где R1 - номинальная высота орбиты ИСЗ, расстояние от поверхности Земли до центральной точки суточной орбиты ИСЗ, лежащей на геостационарной орбите, R —
радиус Земли, є - угол между проекцией центральной точки суточной орбиты ИСЗ на экватор и максимальным отклонением суточной орбиты ИСЗ от центральной точки.
Конкретное значение Z индивидуально для каждого ИСЗ, зависит от многих факторов и увеличивается с ростом времени пребывания ИСЗ на орбите. Известны случаи, когда исправный ИСЗ был выведен из эксплуатации именно по причине значительного отклонения суточной орбиты, выходящего за технические пределы следящей системы, обеспечивающей наведения и сопровождения управления антенны ЗС на ИСЗ.
В [29] отмечается, что система определения местоположения по [26] имеет ряд недостатков. Как указано выше, в [26], содержащей два ИСЗ, в качестве источников для определения координат используются два параметра - различие по времени прихода сигналов DT и по Доплеровский сдвиг частоты DF, вызванный движением ИСЗ. Поскольку движение одного ИСЗ относительно другого не синхронизировано, то Доплеровский сдвиг частоты в каждом канале различен. Для обеспечения высокой точности измерений необходимо знать с высокой точностью позицию ИСЗ и его скорость с высокой точностью. При использовании сигнала с шириной полосы частот 50 кГц и менее и наклонением плоскости орбиты ИСЗ относительно плоскости экватора порядка 0,1 эффективность системы невысока для практических целей. Кроме того, требуется весьма высокая фазовая стабильность трактов Земной Станции и высокая стабильность опорных генераторов, как на Земной Станции, так и в транспондере. Последнее требование эквивалентно использованию ИСЗ с высокой точностью удержания на орбите, когда угол наклонения порядка 0.01 и менее, когда Доплеровское смещение частоты весьма мало. Если приемные Земные станции пространственно разнесены, как это указано на рисунке 1.2, то они должны иметь общие временную и частотную шкалы, что также усложняет техническое решение.
Определение координат ИС с виртуальной антенной решеткой (ВАР)
Разработанная методика определения координат ИС с использованием антенной решётки на борту ИСЗ на ГСО требует доработки бортовой аппаратуры, поэтому она не применима для уже действующих ИСЗ на ГСО.
Однако, используя факт перемещения ИСЗ по суточной траектории описанный в параграфе 1.7 диссертации, можно сформировать виртуальную антенную решётку (ВАР) в виде нескольких последовательных по времени позиций ИСЗ, точки A, Ai и А2 на рисунок 2.5. Измеряя разность фаз сигналов ИС в этих позициях при известных (или измеренных) координатах ИСЗ, можно определить его координаты [14,16].
Понятие ВАР схоже с понятием антенны с синтезированной апертурой. С помощью ВАР решается задача радиопеленгации, а не радиолокационная задача, для решения которой широко используется синтезирование апертуры антенны. Поэтому в диссертации был использован термин «виртуальная антенная решетка».
При фиксированном положении ИСЗ линией постоянного значения разности фаз Ді/і-2 на поверхности Земли является замкнутая кривая, образованная пересече нием конуса, вершина которого расположена в точке, принадлежащей базе ВАР (точка А, на рисунке 2.5), и поверхностью Земли.
Для ВАР условие перпендикулярности баз не является обязательным, так как угол прихода для каждой базы определяется независимо. Однако в целях уменьшения погрешности координат ИС данный факт можно использовать. Далее в диссертации будет рассмотрено влияние угла между базами ВАР на погрешность определения координат ИС.
Форма этой кривой зависит от угла % между базой ВАР и вектором, соединяющим центр масс Земли с точкой А на одной из баз ВАР (рисунок 2.5). При % = О эта кривая несколько отличается от окружности, поскольку Земной шар является сфероидом.
При отклонении угла % от нормали кривая постоянного значения разности фаз AVJ/J.2 становится более выраженным эллипсом и в дальнейшем вырождается в гиперболу (рисунок 2.6). В дальнейшем рассмотрении ограничимся случаем % = 0 или 180, когда ИСЗ только удаляется или приближается к Земле.
В центре площади, ограниченной кривой постоянного значения разности фаз Дц/і.2, находится проекция вектора скорости ИСЗ на поверхность Земли. Смещение ИСЗ по причинам, указанным выше, приводит к изменению координат подспутниковой точки и значения Діуі-2 , что соответствует другой замкнутой кривой. В точке пересечения, как минимум, трех замкнутых кривых, координаты центров которых известны и различны, находится ИС (рисунок 2.6).
Кривые постоянного значения разности фаз где j - номер измерения (j = 1,2,3); dj - база антенн в j-ой позиции ВАР, j = VVxsPG+i) xspO) / + UspU+l) ysp0) J + VzspG+i) zsP0)/ xspO+l) yspG+i) zspO+i) xspG) ysp(j) и zsp(j) - координаты ИСЗ, служащие для формирования базы ВАР или координаты ИСЗ в которых производится измерения фазы сигнала; v - длина волны принимаемого сигнала. ) Здесь X,sp(j)- долгота ИСЗ, a (psp(j) - широта ИСЗ. Каноническая форма, задающая плоскость Е в пространстве, которой при надлежит замкнутая кривая, определяется выражением Е = А(Х-х0)+ В{у-у0)+ C(z-z0)= 0 [80], где х0, Уо и z0 - координаты точки, принадлежа щей данной плоскости. В рассматриваемом случае это координаты центра замкну той кривой. (Отметим, что эти координаты являются проекцией подспутниковой точки на плоскость Е.) А, В и С — координаты вектора нормали п (А,В,С) к данной плоскости, где А=(х0-х), В= (у0-у) и C=(z0-z). Начало вектора нормали совпадает с центром геоцентрической системы координат, т.е. x=y=z=0. Поэтому плоскость, в которой лежит замкнутая кривая и которая пересекает поверхность Земли, задается следующим уравнением: .2 , ..2 , _2 xoj + УОІУ + ZOJZ = xoj + Уо] + Zoj (2.22) Здесь x, у, z- координаты ИС. Система из трех уравнений для трех отсчетов разности фаз AVJ/J.2 при использовании (2.19...2.22) равна: хо1х + УоіУ + zolz = Xol + Уоі + zoI Хо2Х + Уо2У + Zo2Z = Хо2 + Уо2 + Zo2 ХоЗХ + УозУ + Zo3Z = ХоЗ + УоЗ + Zo3 (2.23)
Здесь индексы 1, 2 и 3 у переменных обозначают номер измерения. Результатом решения (2.23) являются искомые координаты ИС х, у, z. Пересчет значений х, у и z в географические широту ср и долготу X ИС производится по выражениям: z у Ф = arctg -, X = arctg—. (2.24) /x2+y2 х Таким образом, координаты ИС определены. Погрешности определения координат ИС
При любой степени совершенства и точности измерительной аппаратуры, независимо от тщательности проведения эксперимента, измеренное значение отличается от истинного, так как при измерении неизбежны погрешности [10,23]. Источ никами погрешностей определения координат ИС с антенной решеткой на борту являются: погрешность задания координат ИСЗ AA,sp, Аф5р и ARj; погрешность измерения разности фаз AA\\J].2 И AAVJ/3-4; погрешность ориентации антенной решетки относительно сетки меридианов и параллелей.
Погрешности определения координат ИС с виртуальной антенной решеткой [4]: погрешность задания координат ИСЗ A sp, A(psp и ARj; погрешность измерения разности фаз АДі/і_2. Оценка широты ф и долготы X ИС являются результатом косвенных измерений [23,59]. При этом погрешности определения координат ИС вычисляются путем разложения в ряд Тейлора [57,58] функциональных зависимостей с пренебрежением составляющими порядка выше первого:
Погрешности определения координат ИС
Как отмечалось выше в главе 2, неидеальность геостационарной орбиты приводит не только к колебаниям ИСЗ, как по широте и по долготе, так по дальности [51], но и к возникновению эффекта Доплера. Если передатчик движется относительно приемника со скоростью v под углом 0 к направлению линии связи, то в системе отсчета, связанной с неподвижным объектом (приемником или передатчиком), длина волны излученного сигнала с частотой f0 изменится на доплеровскую частоту Fd [52]: Fd=fo-cos(0) (3.1) с где с — скорость света.
В главе 1 предлагается использовать данный эффект для определения координат ИС, используя два ИСЗ на геостационарной орбите с малым, но известным расстоянием между ними. Неизвестные координаты ИС определяются по разности времени прихода сигналов на Измерительную Земную Станцию и по Доплеровскому смещению частоты.
Ниже рассмотрено определение координат ИС на основе Доплеровских измерений только с одним ИСЗ [1]. Сущность метода близка фазовой методике с ВАР, исследованной в главе 2. Отличие состоит в том, что измеряемым параметром является частота Доплера, а не фазовый сдвиг. Поэтому материал, приведенный в параграфе 2.2., справедлив в рассматриваемом случае с учетом сделанной выше оговорки. где Fdoso) — доплеровский сдвиг частоты на участке ИСЗ - Мониторинговая Земная Станция (МЗС), на которой выполняются все операции по определению координат ИС. Этот параметр может быть легко учтен при использовании специального тестирующего сигнала, проходящего по шлейфу МЗС - ИСЗ - МЗС и позволяющего произвести точное измерение FdGsoU - номер измерения (j = 1,2,3)
Дальнейшие расчеты производятся по формулам (2.20-2.24) как и для фазовой методики с ВАР, приведённой в главе 2. Система из трех уравнений для частоты Доплера Fj в трех точках суточной траектории движения ИСЗ при использовании: Xolx + yolY + Zo x +y +z хо2х + Уо2У + z02Z = х 2 + У2о2 + zo2 хоЗх + УоЗУ + 2о32 = хоЗ+УоЗ+2оЗ Здесь индексы 1, 2 и 3 у переменных обозначают номер точки траектории, в которой производится измерение. Результатом решения (3.3) являются искомые координаты ИС х, у, z.
Пересчет значений х, у и z в географические широту ф и долготу А, ЗП производится по выражениям: Источниками погрешностей определения координат ИС методики основанной на измерении частоты Доплера являются: погрешность задания координат ИСЗ AA,sp, A(psp и ARi; AFd - погрешность измерения частоты Доплера; Af - погрешность, вызванная расстройкой частоты ИС относительно центральной частоты тракта. Результат нахождения широты ф и долготы X ИС является результатом косвенных измерений, как для фазового метода и определяется формулой (2.25) приведённой в параграфе 2.3. Погрешности определения координат ИС в данной методике вычисляются по формулам (2.44 - 2.50) приведённым в главе 2.3.2, за исключением формула 2.44, погрешность угла 0,-, определяющего направление прихода волны равна: AQ =:-AJL.AF ! 2—ARm (3.5) J dAFd(j) d(J) sinOp vrf0 d(j) Таким образом, погрешности определения географической широты ф и долготы А, ИС равна: dy V (2 x 5x + 2 у 5y) (3.6)
Известно [64], что несовпадение частоты принимаемого сигнала с центральной частотой тракта приводит к смещению частоты измеряемого сигнала. Поскольку в рассматриваемом случае измеряемый сигнал подвержен влиянию эффекта Доплера, то смещение частоты должно быть учтено. Это смещение может быть отнесено к разряду погрешностей измерения. Погрешность Af, вызванная расстройкой частоты ИС относительно центральной частоты тракта, равна: -U Af = qє (3.7) где а отношение вторая . 2t-Fd » /. г о (2-тг-АГф) сигнал/шум; q = —- , -р0 = (2t-fJ + - V-PO производная от коэффициента корреляции флуктуации частоты на выходе идеального радиофильтра, Аґф - ширина полосы пропускания фильтра, f0 = 4 ГГц - несущая частота сигнала.
При полосе пропускания фильтра Аґф =100 кГц на частоте f0 = 4 ГГц, при отношении сигнал/шум а = 1 и частоте Доплера Fd = 2 Гц: Af = 3-Ю- Гц. При увеличении отношения сигнал/шум значение Af становится еще меньше. Увеличение частоты Доплера приводит к линейному росту Af.
Таким образом, погрешность, вызванная расстройкой частоты ИС относительно центральной частоты тракта, практически для всех реальных случаев, оказывается значительно меньше погрешности измерения частоты Доплера. Поэтому эта составляющая не оказывает влияния на погрешность определения координат ИС и ей можно пренебречь.
Способ и устройство определения координат ИС, использующие суточное движение ИСЗ на ГСО
По командной радиолинии с МЗС передаются команды на переключатель с определенным периодом, достаточным для передачи сигналов на МЗС и запоминания фазы сигналов ИС. В результате этого сигналы ИС, принятые элементами антенной решетки А1...А4, ретранслируются в обратном направлении по одному и тому же передающему тракту с помощью передающей антенны А7 на МЗС. После приема сигнала, усиления и преобразования частоты в линейном тракте приемника с приемной антенной А8 МЗС сигналы по очереди поступают в запоминающее устройство (ОЗУ) МЗС, в котором производится запоминание фазы сигналов ИС, принятого приемными элементами в соответствии с командами формирователя-передатчика команд. В вычислительно-индикаторном блоке, в состав которого входит фазометр, производится измерение разности фазовых сдвигов AVJ/J_2 между сигналами, принятыми элементами антенной решетки, ось которой лежит в меридиональной плоскости. Измеряется также фазовый сдвиг Avj/3_4 между сигналами, принятыми элементами ось, которой лежит в плоскости экватора. В вычислительно-индикаторном блоке производится вычисление широты ф и долготы X ИС по формулам, приведенным в параграфе 2.1
Таким образом, измерив сдвиг фаз между сигналами, принимаемыми приемными элементами антенной решетки и произведя необходимые вычисления, можно определить направление на ИС относительно ИСЗ. Пересчет в геоцентрическую систему координат затруднений не вызывает. Как показано выше, определение координат с помощью описанного устройства, обеспечивается с наиболее высокой точностью. Важной особенностью устройства является необходимость размещения на ИСЗ дополнительных антенн и узлов, что ограничивает возможности метода на современном этапе. В будущем создание систем определения координат ИС должно развиваться именно этим путем. Как показывает анализ проектов в области спутниковых коммуникаций [37] в конструкции, практически, всех перспективные ИСЗ заложены антенные решетки с целью управления пространственным положе ниєм луча(ей). Однако, это не является препятствием для использования антенных решеток в целях определения координат ИС.
Приемо/передающая антенна служит для передачи и приема трассировочного сигнала, по которому определяется дальность ИСЗ, а также приема сигнала ИС. Измерение дальности ИСЗ производится путем оценки времени запаздывания сигнала, формируемого генератором псевдослучайной последовательности (ПСП), входящего в состав приемо-передающего тракта. ПСП модулирует в модуляторе несущую частоту, формируемую в синтезаторе частот. Модулированный сигнал усиливается в усилителе мощности и через фильтр прием/передача излучается с помощью прие-мо/передающей антенны в сторону ИСЗ. Сигнал ПСП, ретранслированный аппаратурой ИСЗ преобразуется приемо/передающей антенной, проходит фильтр прием/передача и принимается приемником. Синтезатор частот, модулятор, усилитель мощности и фильтр прием/передача входят в состав в приемо-передающего тракта. В блоке измерения дальности производится сравнение по времени излученной и принятой ПСП с помощью коррелятора, что позволяет вычислить задержку по времени принятой ПСП относительно излученной ПСП, и далее измерить дальность ИСЗ. Приемо/передающая антенна работает в режиме слежения на перемещениями ИСЗ. Это производится потому, что угловая ширина диаграммы направленности антенн спутниковой связи, как правило, значительно меньше углового размера траектории суточного перемещения ИСЗ, которая напоминается цифру «8». Слежение приемо/передающей антенны за перемещением ИСЗ осуществляет контроллер антенны, который таким образом обеспечивает измерение азимута и угла места (синоним - угол высоты) ИСЗ относительно МЗС. Данные об азимуте, угле места и дальности исчерпывающим образом описывают положение ИСЗ. Эти данные заносятся в буфер данных (ОЗУ). Сигнал ИС принимается приемником сигнала ИС, входящим в состав приемо-передающего тракта, подвергается коррекции Доплеров-ского смещения частоты. В узле запоминания фазы сигнала (или частоты Доплера в соответствии с Доплеровской методикой), входящим в состав блока измерения фазы, выполняется оценка и запоминание текущей фазы несущей частоты сигнала (или частоты Доплера). В ОЗУ формируется банк кластеров текущих параметров, каждый из которых состоит из 4 параметров: азимут, угол места, дальность ИСЗ и фаза сигнала (частота Доплера). Оценка значений параметров кластера производится для одного момента времени. В ОЗУ производится накопление достаточно большого количества кластеров.
В блоке выбора наилучших кластеров производится выбор, как минимум, 4-х кластеров, сгруппированных в пары. Одна из пар представляет собой одну эквивалентную виртуальную базу, в концах которой фаза сигнала ИС соответствует записанным значениям. Координаты концов виртуальной базы заданы другими пара метрами в выбранных кластерах, а именно азимутом, углом места и дальностью ИСЗ. Зная эти координаты легко вычислить пространственное расположение виртуальной базы относительно экваториально-меридиональной плоскостям и ее длину. Вторая пара из выбранных кластеров таким же путем определяет вторую виртуальную базу. Критерием выбора кластеров из накопленного массива является степень близости угла пересечения виртуальных баз к 90, при котором минимизируется погрешность определения координат ИС. В вычислительно-индикаторном блоке вычисляются координаты ИС по формулам, приведённым в параграфе 2.2.
Для Доплеровской методики в вычислительно-индикаторном блоке вычисляются координаты ИС, как минимум, по трём кластерам по формулам, приведённым в параграфе 3.2. Критерием выбора наилучших кластеров для Доплеровской методики является максимальное значение частоты Доплера.
Таким образом, измерив, азимут, угол места, дальность и фазу сигнала (или частоту Доплера) ИС и произведя необходимые вычисления, можно определить направление на ИС относительно ИСЗ и, как следствие, координаты ИС в геоцентрической системе координат.
