Исследование методов калибровки приемников

 

Истинная псевдо дальность в данном эксперименте составляет 300м.

К минусам данного метода:

1) не все литеры можно откалибровать. Согласно ИКД ГЛОНАСС в системе подразумевается использование литер с -7 по 12. На орбите летают указанные в таблице 2 литеры;

2) нужно много времени, около суток. Требуется пролет спутников с используемыми литерами, а затем спутников антиподов для проверки полученных результатов. [15]

3.4 Стабилизация частоты

В настоящее время при разработке радиоэлектронной аппаратуры уделяется огромное внимание стабильности ее характеристик. Основным условием достижения стабильных характеристик узлов радиоэлектронной аппаратуры является стабильность частоты задающего генератора.

В составе любой радиоэлектронной аппаратуры, в том числе приемников, передатчиков, микроконтроллеров обычно присутствует большое количество генераторов. Первоначально приходилось применять усилия для обеспечения стабильности частоты всех генераторов. С развитием цифровой техники люди научились формировать колебание любой частоты из одной исходной частоты. В результате появилась возможность выделить дополнительные средства для повышения стабильности частоты одного генератора и тем самым получить целый ряд частот с очень высокой стабильностью. Такой генератор частот получил название опорный генератор. Ниже мы рассмотрим приемы стабилизации опорных генераторов и синхронизацию приемника.

3.4.1 Стабилизация частоты генератора

Первоначально для получения стабильных колебаний LC генераторов применялись особые конструктивные методы:

1) изменение индуктивности за счет расширения металла проволоки компенсировали выбором материала сердечника, влияние которого было обратным по отношению к влиянию проводников индуктивности;

2) осуществляли вжигание металла в керамический сердечник с малым температурным коэффициентом расширения;

3) в контур включались конденсаторы с различным температурным коэффициентом емкости (ТКЕ).

Таким образом удавалось достигнуть стабильности частоты опорного генератора 10–4 (на частоте 10 МГц уход частоты составлял 1 кГц)

Одновременно велись работы по применению совершенно других методов получения стабильных колебаний. Были разработаны струнные, камертонные, магнитострикционные генераторы. Их стабильность достигала весьма высоких значений, но при этом габариты, сложность и цена препятствовали их широкому распространению. Революционным прорывом оказалась разработка генераторов с применением кварцевых резонаторов. Одна из наиболее распространенных схем кварцевых генераторов, выполненная на биполярном транзисторе, приведена на рисунке 20.

 
Рисунок 20 - Схема кварцевого генератора на биполярном транзисторе

В этой схеме опорного генератора баланс амплитуд обеспечивается транзистором VT1 а баланс фаз — контуром Z1, C1, C2. Генератор собран по стандартной схеме Колпитца. Отличием является то, что вместо катушки индуктивности применяется кварцевый резонатор Z1. Следует заметить, что в данной схеме не обязательно для обеспечения стабильной работы схемы применять эмиттерную стабилизацию. Часто оказывается вполне достаточно и коллекторной стабилизации режима работы транзистора. Подобная схема приведена на рисунке 21.

 
Рисунок 21 - Схема кварцевого генератора с коллекторной стабилизацией режима

Схемы кварцевых генераторов, приведенных на рисунках 16 и 17, позволяют получить стабильность частоты опорного колебания порядка 10–5. На кратковременную стабильность колебаний опорного генератора наибольшее влияние оказывает нагрузка. В результате кварцевый генератор будет производить колебания с частотой помех. Для того, чтобы это явление не проявлялось в опорном генераторе на его выходе обычно ставят усилитель, основное назначение которого не пропустить внешние колебания в кварцевый генератор. Подобная схема приведена на рисунке 22.

 
Рисунок 22 - Схема кварцевого генератора с развязкой частотозадающих цепей от выхода схемы

Не менее важным параметром, во многом определяющим фазовые шумы генератора (для цифровых схем — джиттер сигнала синхронизации), является напряжение питания, поэтому опорные кварцевые генераторы обычно запитывают от высокостабильного малошумящего источника напряжения и осуществляют фильтрацию питания RC или LC цепочками.

Наибольший вклад в нестабильность частоты кварцевого генератора вносит температурная зависимость резонансной частоты кварцевого резонатора. При изготовлении резонаторов кварцевых опорных генераторов обычно применяются AT-срезы, обеспечивающие наилучшую стабильность частоты в зависимости от температуры. Она составляет 1*10–5 (100 миллионных или 100 ). Пример зависимости частоты кварцевых резонаторов с AT-срезом от температуры приведен на рисунке 23.

 
Рисунок 23 - Зависимость частоты кварцевых резонаторов с AT-срезом от температуры

Нестабильности частоты 1*10–5 достаточно для большинства радиоэлектронных устройств, поэтому опорные генераторы без специальных мер по повышению стабильности частоты применяются очень широко. Опорные генераторы с кварцевой стабилизацией без дополнительных мер по стабилизации частоты называются XO.

Как это видно из рисунка 23, зависимость частоты настройки кварцевого резонатора с AT-срезом от температуры хорошо известна. Более того, эту зависимость можно снять экспериментально для каждого конкретного экземплята кварцевого резонатора. Поэтому, если постоянно измерять температуру кварцевого кристалла (или температуру внутри кварцевого опорного генератора), то частоту генерации опорного генератора можно сместить к номинальному значению увеличивая или уменьшая дополнительную емкость, подключенную к кварцевому резонатору.

В зависимости от схемы управления частотой такие опорные генераторы называются TCXO (кварцевые генераторы с термокомпенсацией) либо MCXO (кварцевые генераторы с микроконтроллерным управлением). Стабильность частоты таких кварцевых опорных генераторов может достигать 0.5*10–6 . В ряде случаев в опорных генераторах предусмотрена возможность подстройки номинальной частоты генерации в небольших пределах. Подстройка частоты осуществляется напряжением, подаваемым на варикап, подключенный к кварцевому резонатору. Диапазон подстройки частоты генератора не превышает долей процента. Такой генератор называется VCXO. Часть схемы опорного генератора (без схемы термокомпенсации) приведена на рисунке 24.

 
Рисунок 24 - Кварцевый генератор с подстройкой частоты внешним напряжением (VCXO)

В настоящее время многие фирмы выпускают опорные генераторы со стабильностью частоты до 0,5*10–6 в малогабаритных корпусах. Пример чертежа подобного опорного генератора приведен на рисунке 25. [5]

 
Рисунок 25 - Внешний вид опорного кварцевого генератора с температурной компенсацией

 

3.4.2 Применение эталоных источников опорной частоты

При необходимости получения более высокой стабильности частоты в приемник подключаются внешние генераторы (водородный стандарт, рубидиевй стандарт, квантовый стандарт, цезиевый стандарт). Водородные, цезиевые и рубидиевые стандарты и кварцевые генераторы находят применение в военной связи, спутниковых наземных станциях, а также применяются для испытания и измерения в различных лабораторных приложениях. Принцип работы стандартов частот основан на квантовых переходах частиц из одного энергетическое состояния в другое. Различают активные (стандарты радиодиапазона) и пассивные (оптические) стандарты.

Рубидиевые стандарты частоты российского производства имеют массу 1...2 кг, достаточно компактны и применяются на летательных аппаратах и в составе аппаратуры космических станций.

Серийно выпускаются вторичные стандарты частоты, имеющие массу 0,6...90 кг, с кратковременной (за 1 с) относительной нестабильностью частоты 2•10-13...1•10-10, с долговременной (за 1 сут) относительной нестабильностью частоты до 2•10-15, с ТКЧ 5•10-16... 3 • 10-10 на 1 °С, с продолжительностью выхода на установившийся режим от 5 мин до 1 ч. Специализированные для работы с определенной системой связи или радионавигации стандарты частоты имеют выходы колебаний с частотами, стандартизованными в такой системе. [5]

Квантовые стандарты частоты характеризуются достаточно низким уровнем фазового шума при очень малых отстройках от несущей частоты Низкий уровень фазовых шумов вблизи несущей обусловлен использованной в таких стандартах многоступенчатой фазовой синхронизацией колебаний: по сигналу водородного мазера синхронизируются колебания цезиевого подстраиваемого источника, а по ним прецизионного управляемого кварцевого генератора.

Цезиевый стандарт Times Cesium отличается наименьшим уровнем «белого» фазового шума в выходном сигнале и имеет входы для кодовой коррекции текущей фазы колебаний по первичному эталону. Отечественное изделие RFS-2002 выполнено на основе рубидиевого дискриминатора и благодаря низкой нестабильности частоты и сравнительно небольшой массе может быть встроено в аппаратуру связи или навигации.

Прецизионный кварцевый генератор типа 253 при миниатюрном исполнении имеет сравнимую с квантовыми источниками кратковременную нестабильность частоты, но за длительный отрезок времени изготовители не гарантируют сохранение номинала частоты. В это изделие также встроена схема кодовой коррекции эффекта старения кварцевого резонатора.

Водородные мазеры обеспечивают наибольшую долговременную стабильность частоты до 1•10-15/год. Можно отметить, что среди конкурентоспособных в мире моделей квантовых стандартов частоты и времени имеются изделия, разработанные и выпускаемые в России. Источник колебаний типа Ч1-75А, Ч1-1006 выполненные на основе водородного мазера, имеет наибольшую стабильность, повторяемость и погрешность установки частоты, поэтому может использоваться в качестве вторичного стандарта частоты и времени.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.5 Cинхронизация приемника

Не малую роль в измерении псевдо дальности играет частотно временная синхронизация. При наблюдениях космических радиоисточников в интерферометрическом режиме на сверхдлинных базах необходимо решение проблем когерентности частотного преобразования и одновременности регистрации сигналов на удаленных пунктах. Для решения проблемы когерентности требуется обеспечение высокой стабильности частоты гетеродинов и фазовой стабильности приемо-преобразующих трактов. Все частотные преобразования приемного тракта на радиотелескопах привязываются к опорному водородному стандарту частоты, обеспечение фазовой стабильности достигается с помощью введения во входной тракт приемной системы импульсов пикосекундной длительности и контроля задержек их гармонических составляющих, выделяемых на выходе радиотракта. Шкала времени пунктов ведется также от водородного стандарта. Для обеспечения одновременности регистрации сигналов необходима предварительная синхронизация шкал времени с точностью до долей микросекунд, что достигается использованием для привязки местной шкалы времени сигналов спутниковых навигационных систем GPS и ГЛОНАСС.

Решение этих задач СЧВС обеспечивается средствами, решающие частные частотно-временные задачи и объединенных по системному принципу в три основные функциональные группы:

1) хранитель времени и частоты;

2) средства контроля фазовых характеристик приемопреобразующего тракта;

3) средства временной привязки (тайминга) РСДБ наблюдений.

Хранитель времени и частоты обеспечивает формирование высокостабильных опорных сигналов времени и частоты, необходимых для синхронизации работы комплекса радиотехнических средств и, прежде всего, СВЧ гетеродинов, устройств регистрации и передачи информации.

Аппаратурный комплекс хранителя времени и частоты состоит из следующих основных подсистем:

1) водородные стандарты частоты;

2) аппаратура внутренних и внешних сличений;

3) средства обеспечения хранителя времени и частоты;

4) распределение сигналов времени и частоты;

5) средства формирования шкалы времени. [6]

В группе водородных стандартов хранителя времени и частоты на основе внутренних измерений выбирается стандарт, обладающий лучшими характеристиками. Этот стандарт назначается основным (ведущим) и высокостабильный сигнал частотой 5 МГц с этого стандарта является опорным для всей системы частотно-временной синхронизации.

В устройстве формирования местной шкалы времени (ШВ) происходит деление опорной частоты 5 МГц до 1 Гц и осуществятся счет, и цифровая индикация текущего времени в секундах, минутах, часах. Также реализуются выдача сигналов ШВ потребителям в виде импульсов 1 pps и последовательного кода времени (КВ). Синхронизация местной шкалы времени с UTC(SU) осуществляется с помощью GPS/ГЛОНАСС приемника.

Система распределения сигналов размножает и доводит опорный сигнал 5 МГц и сигналы времени, где они используются для синхронизации частотно-временных преобразований.

Средства временной привязки (тайминга) предназначены для фиксации момента регистрации принимаемого сигнала в шкале всемирного координированного времени UTC (Universal Time Coordinated).

В состав средств контроля фазовых характеристик входят:

1) генератор пикосекундных импульсов (ГПИ);

2) аппаратура контроля электрической длинны кабеля.

Генератор пикосекундных импульсов (ГПИ), формирует сигнал фазовой калибровки, представляющий собой серию калибровочных спектральных линий с шагом 1 МГц с фазой привязанной к фазе опорного сигнала 5 МГц. Такой сигнал фазовой калибровки замешивается в полезный сигнал на входе приёмного устройства сразу после рупора антенны, и проходит через весь приемно-регистрирующий тракт и осуществляет контроль фазовой стабильности тракта. Термостат ГПИ поддерживает рабочую температуру в пределах 0.1 С, тем самым, обеспечивая фазовую стабильность выходных импульсов ГПИ. Блок контроля и управления реализует функцию контроля и управления ГПИ от центрального компьютера радиотелескопа