Транспортные информационно-управляющие радиоэлектронные системы: Методические указания к выполнению лабораторных работ

1

Министерство образования Российской Федерации ___________________________________________________________ СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра радиотехники

ТРАНСПОРТНЫЕ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ

Методические указания к выполнению лабораторных работ

Ф а к у л ь т е т - радиоэлектроники Н а п р а в л е н и е и специальность подготовки дипломированных специалистов : 654200 - Радиотехника 200700 - Радиотехника

Санкт-Петербург 2001

2

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 621.396.6.001.63 Транспортные информационно-управляющие радиоэлектронные системы.: Методические указания к выполнению лабораторных работ / Составитель Г.И.Худяков. - СПб. : СЗТУ , 2001 . - 29 с. Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине “Транспортные информационно-управляющие радиоэлектронные системы“ предназначены для студентов VI курса и составлены согласно рабочей программе дисциплины, разработанной в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению и специальности подготовки дипломированных специалис тов : 654200 – Радиотехника, 200700 – Радиотехника. Рассматриваются основные теоретические положения и методика проведения лабораторных работ по исследованию элементов радиосистем сухопутной навигации, диспетчерского управления движением и мониторинга наземного транспорта : приемоизмеритель РНС , радионавигационное поле ИФРНС , требования к точности координатного обеспечения радиосистем дистанционного управления. Рассмотрено на заседании кафедры радиотехники 5 декабря 2000 г. , протокол N 4 . Одобрено методической комиссией факультета радиоэлектроники 22 января 2001 г. , протокол N 4. Рецензенты : кафедра радиотехники СЗТУ ( ст. преподаватель А.Б.Войцеховский, канд. техн.наук) ; Д.В.Тигин, д-р техн. наук, профессор кафедры Физических и теоретических основ радиоэлектроники факультета Радиотехники, электроники и связи Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения. Составитель : Г.И. Худяков , д - р техн. наук , проф.. © Северо-Западный государственный заочный технический университет,2001 © Худяков Г.И. , 2001

3

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ Перед лабораторными занятиями каждый студент должен изучить соответствующий раздел конспектов курса лекций по радиоэлектронным системам диспетчеризации наземного транспорта. При выполнении лабораторной работы каждая бригада студентов проводит исследования на конкретной лабораторной установке. Работа считается законченной после предъявления преподавателю результатов исследований. После проведения исследований студенты обязаны привести в порядок свои рабочие места. Перед зачетом студент должен оформить отчет по лабораторным работам и сдать его на проверку преподавателю. Меры безопасности при выполнении лабораторных работ: 1. К работе с приемоизмерителем (ПИ) "Балтика" допускаются лица, прошедшие инструктаж по технике безопасности по второй квалификационной группе работ с электроустановками напряжением до 1000 В. 2. Основную опасность при работе с ПИ "Балтика" представляет сетевой блок питания. Используемые в ПИ "Балтика" напряжения не превышают 30 В. 3. Собирать электроустановку для проведения лабораторной работы следует без подключения сетевого блока питания к электросети 220 В, 50 Гц. 4. На собранной электроустановке проверить выключение всех тумблеров и качество всех заземлений. 5. Перед подключением электроустановки к сети 220 В, 50 Гц представить установку на проверку преподавателю. ЛИТЕРАТУРА Основная : 1. Радиотехнические системы. / Под ред. Ю.М. Казаринова.- М. : Высшая школа, 1990. 2. Приемоизмеритель "Балтика". Техническое описание и инструкция по эксплуатации.- Л.: РИРВ, 1991. 3. Смирнов Д.А., Худяков Г.И., Шипилов М.М. Телекоммуникационные сети и информационно-управляющие системы : Словарь-справочник .- Спб.: СПбГУТ, 2001. Дополнительная : 4. Кожухов В.П., Григорьев В.В., Лукин С.М. Математические основы судовождения .- М.: Транспорт, 1980. 5. Никитенко Ю.И., Быков В.И., Устинов Ю.М. Судовые радионавигационные системы.- М.: Транспорт, 1992.

4

6. Сайбель А.Г. Основы теории точности радиотехнических методов местоопределения. - М.: Оборонгиз, 1958. Работа 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИЕМОИЗМЕРИТЕЛЯ ИФРНС 1. Цель работы Изучение принципа действия длинноволновых (ДВ) импульснофазовых (ИФ) радионавигационных систем (РНС) типа "Loran-C" и исследование технических характеристик приемоизмерителя (ПИ) ИФРНС как радионавигационного датчика местоположения (РДМП) объекта в радиосистемах дистанционного управления (РСДУ), использующих радиосигналы европейской цепи российской ИФРНС "Чайка". 2. Основные теоретические положения Одним из основных элементов современных радиосистем дистанционного управления (РСДУ) движением (диспетчеризации) и мониторинга ( дистанционного централизованного контроля состояния) наземных транспортных средств (НТС) является радионавигационный датчик местоположения (РДМП) объекта. В качестве такового чаще всего используется либо приемоизмеритель (ПИ) спутниковых РНС ( американская СРНС "Navstar-GPS", российская ГЛОНАСС), либо ПИ длинноволновых (с наземным базированием передающих опорных станций) ИФРНС (американская система "Loran-C", российская ИФРНС "Чайка"), либо комплексированные приемоизмерители: СРНС/ИФРНС, СРНС/инерциальные системы, ИФРНС или СРНС/датчики счисления пройденного пути и т.п. Указанные РНС с помощью опорных станций (ОС) наземного или космического базирования (с точно известными геодезическими или геоцентрическими координатами) синхронно излучают периодически повторяющиеся импульсные или непрерывные псевдошумовые радиосигналы. Эти радиосигналы распространяются в околоземном пространстве и образуют (когерентное) радионавигационное поле, с помощью которого неограниченное число НТС могут определять свои текущие геодезические, геоцентрические или иные "абсолютные" координаты. Для местоопределения НТС бортовой ПИ принимает сигналы выбранной РНС, обрабатывает их и определяет текущие значения радионавигационных параметров (РНП) - временное положение принятых радиосигналов относительно шкалы бортового устройства хранения времени и (или) их разность. С помощью значений РНП на борту НТС или на диспетчерском пункте (ДП) РСДУ вычисляются (с определенной точностью) координаты НТС.

5

Отечественная ДВ ИФРНС "Чайка" состоит из четырех цепей: европейская (ведущая опорная станция ВЩ-О "Карачев"), северо-западная (ВЩ-О "Инта"), северная (ВЩ-О "Норильск") и восточная (ВЩ-О "АлександровскСахалинский"). В настоящей работе используются радиосигналы европейской цепи ИФРНС "Чайка", состоящей из пяти опорных станций (КарачевПетрозаводск-Слоним-Симферополь-Сызрань) и имеющей период повторения радиосигналов Т 4п 0=80000 мкс. Сигналы ИФРНС "Чайка" представляют собой радиоимпульсы с колоколообразной огибающей и высокочастотным заполнением на частоте 100 кГц. Опорные станции периодически излучают пачки из восьми радиоимпульсов, интервал между которыми составляет 1000 мкс. Излучение ведомых (ВМ) опорных станций строго синхронизировано с излучением ведущей станции (ВЩ). Для временного разделения радиоимпульсов в рабочей зоне ИФРНС на ведомых станциях вводится кодовая задержка излучения Ткд относительно ведущей. Для поиска сигналов ведущей опорной станции данной цепи начальные фазы высокочастотного заполнения радиоимпульсов в каждой пач- ке имеют бинарное фазоманипулированное кодирование, отличающееся от кодирования сигналов ведомых ОС. Стандартный фазовый код ИФРНС "Чайка" имеет следующий вид: ВЩ-О нечетный период повторения ++--+-+четный ------- " -------- +--+++++ ВМ-1,2,3,4 нечетный ----- " -------- +++++--+ четный ------- " -------- +-+-++-где "+" - радиоимпульс с начальной фазой заполнения 00 ; "-" - радиоимпульс с начальной фазой 1800 . На рис.1.1 приведены форма (а) и формат (б) излучения сигналов европейской цепи ИФРНС "Чайка". На рис.1.1а приведено также временное положение характерной точки огибающей (ХТО), которая служит для привязки измерительных импульсов ПИ к идентичным нулевым переходам высокочастотного заполнения tп радиоимпульсов, принятых с помощью ПИ от различных опорных станций ИФРНС (разрешение многозначности измерений РНП). В качестве точки временной привязки к радиоимпульсу принят следующий первым за ХТО момент tп пересечения высокочастотным заполнением Е(t) уровня Е(t)=0 снизу вверх (положительный нулевой переход).

6

Рис. 1.1. Форма (а) и формат (б) излучения радиосигналов европейской цепи ИФРНС "Чайка" В [2] (с.69-70, 73) приведены расположение и номера ОС европейской цепи ИФРНС "Чайка", а в Приложении к лабораторной работе 1 - значения геодезических координат, мощностей передатчиков и задержек излучения этих ОС. В качестве РНП в ИФРНС "Чайка" используются величины τ1 = tпвм-1 - tпвщ-0 - tкд-1 , τ11 = tпвм-11 - tпвщ-0 - tкд-11 , где tпвм-1 , tпвм-11 , tпвщ-0 - времена (по бортовой шкале устройства хранения времени) приема идентичных положительных нулевых переходов радиоимпульсов, принятых от пары выбранных в качестве ведомых опорных станций и от ведущей станции цепи; tкд-1 , tкд-11 - кодовые задержки излучения выбранных ведомых опорных станций. В ПИ величины τ1 и τ11 измеряются с некоторыми погрешностями, вызванными как внешними радиопомехами (естественными и искусственными) , так и внутренними помехами, возникающими в радиотехнических цепях ПИ (тепловыми шумами, разрядностью вычислителя и т.п.). При условии правильной калибровки цепей ПИ погрешности измерения по реальным сигналам в

7

рабочей зоне ИФРНС "Чайка" момента времени tп , вызванные тепловыми шумами ПИ и общим фоном промышленных радиопомех, имеют среднеквадратическое значение σtш = 10-20 нс. Отсюда инструментальная среднеквадратическая погрешность ( СКП ) измерения РНП σ t инстр 1, 11 =

σ t ш1 , 11 2 + σ t ш 0 2

= 15 - 30 нс.

3. Описание лабораторной установки Лабораторная установка представляет собой серийный морской приемоизмеритель (ПИ) ИФРНС "Балтика" со входным устройством, имеющим штыревую приемную антенну высотой 1,5 м , и с сетевым блоком электропитания. Структурная схема установки приведена на рис.1.2.

Рис. 1.2. Структурная схема лабораторной установки ПИ "Балтика" имеет следующие органы управления: - наборное поле из 16 клавиш; - тумблер включения электропитания "СЕТЬ" (сбоку); - тумблер включения экрана "ЭКРАН" (сбоку); - аварийная кнопка "ПУСК" (сзади). ПИ "Балтика" содержит два индикатора: -экран матричный газоразрядный с 10 строками по 16 символов, предназначенный для отображения вводной и выводной информации; - светодиод "ОТСЧЕТ" для индикации наличия достоверных отсчетов при отключенном экране.

8

Наборное поле (клавиатура) содержит следующие клавиши: - десять цифровых клавиш ("0"-"9"); - знаковая клавиша ("-"); - клавиша десятичной запятой (","); - клавиша стирания ("С"); - префиксная клавиша (″ ∗ ″) ; - управляющие клавиши "Ввод" (" ← ") и "Вывод" (" → "). Радионавигационные сигналы ИФРНС "Чайка" принимаются штыревой антенной (вертикальный электрический диполь), фильтруются, усиливаются и поступают в предпроцессор. В предпроцессоре сигналы преобразуются в цифровую последовательность, которая запоминается в буферном накопителе. Из последнего дискретные отсчеты считываются вычислительным устройством, которое производит статистическую обработку поступающей цифровой информации (поиск сигналов ОС, нахождение точки привязки к местной шкале времени), вычисление текущих значений радионавигационных параметров и их преобразование в требуемую систему координат, а также решает ряд сервисных задач. Результаты вычислений высвечиваются на экране ПИ. При необходимости информация, выводимая на экран, сопровождается звуковыми сигналами. Обработка принятых радиосигналов обычно производится в несколько этапов (см.рис.1.3): - поиск сигналов станций ИФРНС, - допоиск фронтов сигналов,

9

- фазовое измерение положения сигналов, - разрешение многозначности фазовых отсчетов. При поиске сигналов производится стробирование периода Тп с дискретом τ п , накопление выборок от каждого строба в отдельных ячейках и сравнение результатов накопления с порогом принятия решения в режиме поиска. Если порог во всех ячейках не превышен, то стробы сдвигаются на τ п ( мкс ) и процесс поиска повторяется. В противном случае принимается решение о наличии сигнала в стробе, в котором произошло превышение порога (рис.1.3.б, точка П). Таким образом, поиск является измерением положения сигнала ИФРНС (рис.1.3,а) с точностью ± τ п . Радиосигнал ИФРНС распространяется к НТС по двум путям: непосредственно вдоль Земли (земной сигнал) и после отражения от ионосферы (отраженный сигнал, см. рис.1.3); задержка второго относительно первого около 40 мкс. Поскольку параметры отраженного сигнала нестабильны во времени, то для измерения РНП используется фронт земного сигнала, свободный от отраженного. Задача обнаружения фронта решается на этапе допоиска.

Рис. 1.3. Временные диаграммы обработки радиосигналов ИФРНС При допоиске используется стробирование участка Тп около места обнаружения сигнала в поиске с шагом τ дп