Навигационные комплексы Гланасс и Новстар

Таким образом каждый НИСЗ после выполнения аналогичных операций определяет уход собственной шкалы относительно шкалы другого НИСЗ. Взаимные измерения могут проводиться либо всеми НИСЗ по одному «ведущему» спутнику, либо между всеми спутниками созвездия взаимно. В первом случае все НИСЗ определяют уход собственной шкалы относительно ШВ «ведущего» КА, и тогда эта ШВ может быть принята за системную, во втором - каждый НИСЗ определяет уход своей шкалы путем усреднения результатов, полученных по взаимным измерениям до всех остальных спутников созвездия, и на этой основе корректирует свою ШВ, так что разброс ШВ всех НИСЗ оказывается минимальным.
Полученную в результате взаимного обмена информацию можно использовать и для определения расстояний между спутниками

[pic] (1.15)

Найденные значения дальностей позволяют уточнить эфемериды НИСЗ. С помощью такого метода эфемеридно-временного обеспечения НИСЗ можно не только увеличить время автономной работы системы, но и повысить точностные характеристики системы.
При таком методе синхронизации временных шкал сети НИСЗ для организации взаимных измерений и обмена результатами измерений необходимо установить на борту НИСЗ соответствующие радиотехнические средства и дополнительно использовать не менее 1% вычислительных ресурсов бортовой ЭВМ. Основным недостатком данного метода является возможность ухудшения точности эфемеридно-временного обеспечения НИСЗ системы при нарушении функционирования одного из НИСЗ.
Сочетание неавтономного и автономного методов синхронизации ШВ позволит устранить недостатки, присущие каждому из них в отдельности.

1.9. СПОСОБЫ УЧЁТА В НАВИГАЦИОННОМ СЕАНСЕ СМЕЩЕНИЙ ВРЕМЕННЫХ ШКАЛ НИСЗ

В СРНС, управляемых с ограниченной территории, коррекция временных шкал путем непосредственного изменения (сведения) фаз генераторов НИСЗ может производиться лишь периодически.В интервалах времени между сведениями БХВ работают автономно, что приводит к снижению точности синхронизации из-за погрешностей сведения и хранения шкал. Погрешности хранения шкал времени определяются главным образом нестабильностью генератора БХВ и релятивистскими эффектами. Точность синхронизации можно повысить алгоритмическим способом путем учета систематических смещений шкал времени.
При алгоритмической коррекции на время автономной работы БХВ задается модель ухода его шкалы, параметры модели определяются в пункте сверки и передаются потребителю вместе с эфемеридной информацией.
Нестабильность генератора вносит в измерения погрешности как случайного, так и систематического характера. Вид и размер возмущений определяются физическими принципами построения и конструктивными особенностями генератора. Так, возмущения частоты цезиевого стандарта представляют собой бодай шум; частоты кварцевых и рубидиевых стандартов кроме случайных возмущений имеют и систематические дрейфы. При разработке алгоритма ввода поправок систематические дрейфы могут аппроксимироваться, например, полиномиальными функциями времени; степень полинома определяется интервалом аппроксимации и требуемой точностью представления. Если модель ухода достаточно хорошо описывает реальные процессы, то после учета смещений временной шкалы НИСЗ путем ввода поправок остаточная погрешность синхронизации БХВ определяется двумя факторами: погрешностью знания параметров модели и случайными, непрогнозируемыми возмущениями. Так, математическая модель ухода шкалы БХВ, использующего цезиевый стандарт частоты, может быть представлена на интервале времени менее одних суток в виде

[pic] (1.16)

где:

[pic]; [pic]; [pic]

( tr(t), ( fr(t) - смещение шкалы времени и частоты БХВ;

N0 /2 -спектральная плотность эквивалентного белого шума;

((t) - белый шум с единичной спектральной плотностью.

Поправка на смещение цезиевого БХВ рассчитывается при этом в соответствии с выражением [pic], где [pic],.[pic] Погрешность вычисления поправки
[pic]оценивается по формуле

[pic] (1.17) где:

( a0r(t0), ( a1r(t0), r – корреляции погрешностей знания коэффициентов a0r, a1r на момент времени t0.

Слагаемое (N0/2)(t-t0) характеризует влияние случайных возмущений частоты генератора на погрешность синхронизации БХВ. Для других типов хранителей модель ухода шкалы времени может представляться полиномом более высокой степени, например второй.
Релятивистские эффекты приводят к дополнительному смещению шкалы БХВ за счет изменения гравитационного потенциала и переменной скорости полета
НИСЗ. Смещение, обусловленное этими явлениями, определяется выражением.

[pic] (1.18)

где: k = – 4,443 x 10–10 с(м–1/2; е - эксцентриситет;

Е(t) - эксцентрическая аномалия; аэ - полуось орбиты.

Для упрощения алгоритма П временную поправку ( tp(t) можно представить, как и поправку на дрейф ( tr(t), в виде полинома. Это позволяет использовать обобщенную полиномиальную модель ухода шкалы времени, учитывающую как дрейф ( tr(t) БХВ, так и релятивистское смещение.
Для орбит с эксцентриситетом менее 0,3 уравнение аппроксимируется выражением

[pic] (1.19)

где: a0p = 6,869 x 10–8 sin E(t0), a1p = 1,002 x 10–10 cos E(t0), a2p = – 7,307 x 10–16 sin E(t0).

Ограничившись полиномом 2-й степени, можно вычислить поправку ( tp(t) с погрешностью не более 1 нc на интервале времени 0,65 ч.
Рассмотренный способ учета смещения шкалы БХВ НИСЗ используется в сетевой
СРНС «Навстар», где модель ухода шкалы времени НИСЗ описывается полиномом 2- й степени с помощью трех коэффициентов a0, а1, а2 и времени t0, на которое вычислены коэффициенты.
Скорректированное значение времени t = tS – ( t, где ( t = a0 + a1(tS – t0) +

a2(tS – t0)2, tS -время, передаваемое НИСЗ.

Для (t – t0) ( 1ч такая аппроксимация обеспечивает коррекцию смещения шкалы времени из-за нестабильности БХВ и релятивистских эффектов с погрешностью не более 1 нc.

Параметры ухода шкалы БХВ передаются на спутник ежесуточно в виде 24 комплектов данных, каждый комплект используется для учёта смещений на интервале времени 1 ч.

1.10. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ТИПОВОЙ АП ССРНС

1.10.1. Состав АП потребителя

Аппаратура потребителей (АП) предназначена для определения пространственных координат и параметров движения объекта навигации по результатам измерений при использовании информации, содержащейся в кадре принимаемых от НИСЗ радиосигналов. При этом под параметрами движения понимаются три составляющие вектора скорости в частном случае составляющие вектора ускорения, а также производные от них параметры, нужные для управления движением объектов. С учетом специфики функционирования спутниковых радионавигационных систем к определяемым АП параметрам относят также поправки к шкалам времени и частоты местного собственного хранителя времени и опорного генератора.

Для решения своей основной задачи АП принимает излучаемые каждым НИСЗ радиосигналы, производит синхронизацию по всем компонентам модуляции радиосигналов, измеряет радионавигационные параметры этих радиосигналов, выделяет навигационное сообщение от каждого из НИСЗ и обрабатывает полученную информацию, преобразуя ее в оценки координат и параметров движения. Весь этот процесс называют навигационно-временным определением
(НВО).

Для гражданской АП (морских, воздушных, наземных и космических) НВО предназначено для безопасного и наивыгоднейшего вождения объектов, а для военной АП - для обеспечения выполнения боевых задач.

Следует отметить, что высокая точность НВО, обеспечиваемая сетевыми
СРНС, значительно расширила круг потенциальных потребителей спутниковых навигационных систем. Аппаратуру потребителей начинают широко использовать для точной топогеодезической привязки объектов, для синхронизации шкал времени (ШВ) хранителей времени, для сверки частоты опорных генераторов и эталонов частоты и для решения иных задач.

В состав обобщенной структурной схемы АП входит антенна, СВЧ усилитель и преобразователь радиосигналов, аналого-цифровой процессор первичной обработки принимаемых сигналов (с блоками поиска, слежения, навигационных измерений и выделения навигационных сообщений), навигационный процессор, интерфейс или блок обмена информацией, опорный генератор (ОГ) и синтезатор частот, источник питания, пульт управления и индикации, блок управления антенной. Штриховыми линиями выделены блоки, наличие (которых в составе АП не является безусловным, а определяется спецификой ее применения. Так как
АП может быть полностью автоматизирована и не нуждается в пульте управления, то наличие пульта управления и индикации относится к тем случаям, когда потребителем выходной информации является непосредственно оператор, как, например, а ранцевом варианте АП. Блок управления антенной используется в тех комплектациях АП, в которых антенна для удовлетворения высоким требованиям помехоустойчивости обладает пространственной селекцией и требует управления. Этот блок позволяет управлять диаграммой направленности антенны, формируя, например, «провалы» диаграммы в направлении на источники помех.

1.10.2. Задачи решаемые блоками АП

Рассмотрим кратко основные задачи, решаемые функциональными блоками АП.

Антенна улавливает электромагнитные колебания, излучаемые НИСЗ, и направляет их на вход СВЧ усилителя и преобразователя. В зависимости от структуры ССРНС, частотного диапазона, назначения АП и вида потребителя, на котором она устанавливается, могут применяться антенны с различными диаграммами направленности - от слабонаправленной с неизменяемой (или изменяемой) конфигурацией направленности до узконаправленной с шириной лучей в единицы градусов и изменяемым в пространстве направлением. Если использование фазированных антенных решеток (ФАР) для слабонаправленных антенн с изменяемой конфигурацией диаграммы направленности в настоящее время до- ведено до опытных образцов в АП системы «Навстар», то применение
ФАР для антенн с узкими управляемыми лучами встретило ряд технических трудностей, которые в настоящее время еще не преодолены.

Поскольку в ССРНС «Глонасс» и «Навстар» используются так называемые
«энергетически скрытые» сигналы (т. е. сигналы с очень малым уровнем мощности излучения), радиочастотные усилители АП должны обладать очень высокой чувствительностью. Достаточно сказать, что шумовая температура современных входных радио усилителей АП диапазона 1,6 ГГц приближается к
300 К. Как правило, радиочастотный преобразователь АП имеет две-три ступени преобразования частоты с усилением до 120...140 дБ, причем в большинстве типов АП независимо от числа ее каналов первый преобразователь частоты всегда один. Число преобразователей второй и третьей ступени зависит от числа каналов АП и ее конкретного схемотехнического решения.

Аналого-цифровой процессор первичной обработки решает задачи: поиска фаз (т. е. задержек) манипулирующих псевдослучайных последовательностей
(ДСП), слежения за задержкой ПСП; слежения за фазой и частотой несущих принимаемых радиосигналов; выделения навигационных сообщений. Число каналов поиска, слежения и выделения сообщений равно числу каналов АП.

Большие научно-технические достижения в области создания микропроцессоров, БИС памяти и сверхбольших интегральных микросхем на базовых матричных кристаллах позволяют в настоящее время решать эти задачи, широко используя цифровые методы обработки радиосигналов, в специализированных встраиваемых в АП цифровых процессорах.

К задачам, решаемым навигационным процессором, относятся: выбор рабочего созвездия НИСЗ из числа видимых, расчет данных целеуказания по частоте несущей и задержке манипулирующей ДСП; декодирование навигационных сообщений, в том числе альманаха и эфемеридной информации; сглаживание или фильтрация измеряемых навигационных параметров; решение навигационно- временной задачи с выдачей координат и параметров движения объекта; фильтрация координат; комплексирование с данными автономных навигационных систем объекта; организация обмена информацией как внутри АП, так и с другими системами объекта; контроль работоспособности блоков и АП в целом.

Следует отметить, что в зависимости от типа АП навигационный процессор, реализуемый на микропроцессорах и микро- ЭВМ, может быть построен как по однопроцессорной, так и по многопроцессорной структуре и выполнять также часть задач первичной обработки.

Кроме перечисленных задач, решение которых обеспечивает основную функцию АП, на навигационный процессор может быть возложено выполнение и ряда сервисных задач потреби- теля, таких как расчет отклонения от траектории заданного движения, выработка информации о прохождении поворотных пунктов маршрута (ППМ), решение прямой и обратной геодезических задач, преобразование координат из одной системы координат в другую.

Организацию последовательности вычислений и обмен информацией между функциональными блоками АП выполняют управляющие программы-диспетчеры, построенные с использованием иерархии сигналов прерываний, вырабатываемых в
АП. При разработке этих программ, как и всего математического обеспечения в целом, учитываются требования к точности и надежности навигационно- временных определений, а также возможности используемых вычислительных средств.

Для выбора рабочего созвездия НИСЗ и расчёта априорных данных о навигационных параметрах, вводимых в устройства поиска и слежения, необходимо располагать текущими или априорными значениями параметров движения объекта, текущим временем и данными о параметрах движения НИСЗ.
Последние представляют собой содержание альманаха. Данные альманаха извлекаются из репрограммируемой памяти навигационного процессора, где они хранятся после первоначального ввода вручную оператором с пульта управления и индикации. Другой путь ввода данных альманаха состоит в приеме альманаха первоначально от какого-либо первого НИСЗ, сигнал которого находится вслепую без целеуказаний. В этом случае на поиск сигнала первого НИСЗ и на прием альманаха могут потребоваться десятки минут. Имеющийся в АП альманах обновляется автоматически при приеме сигналов по достижении им определенного «возраста», порядка нескольких дней, но, как правило, не более одного месяца.

Априорные данные о координатах объекта и текущем времени вводятся либо оператором с пульта управления и индикации, либо автоматически от автономных средств навигации объекта. Причем применение в АП гостированных каналов цифрового обмена позволяет использовать данные практически от всей номенклатуры автономных средств, устанавливаемых в настоящее время на подвижных объектах, включая инерциальные навигационные системы, измерители скорости, датчики крена, барометрические высотомеры, системы воздушных сигналов, датчики пройденного пути, лаги и т. п.

Важными элементами АП являются опорный генератор и синтезатор частот, к которым предъявляются достаточно высокие требования стабильности частоты
(10-7 долговременная и 10-10...10-11 кратковременная) и чистоты спектров синтезируемых сигналов.

2. Выбор и обоснование принятого варианта устройства коррекции шкал времени удалённых пунктов

2.1. Выбор и обоснование метода сверки и коррекции шкал времени

В предыдущей главе было описано несколько методов решения задачи сверки и коррекции шкал времени удалённых пунктов. Задачей данного дипломного проекта является создание устройства коррекции ШВ по сигналам СРНС
“Глонасс” на основе выбранного метода.
Наиболее подходящим для решения поставленной задачи яляется способ синхронизации который заключается в независимой работе синхронизируемых пунктов по НИСЗ ССРНС. При этом каждый из синхронизируемых пунктов независимо сверяет свою ШВ С ШВ сети НИСЗ определяет поправку и корректирует свою ШВ на размер этой поправки. Очевидно что, после проведения сеансов сверки в пунктах ШВ каждого из них оказываются привязанными к шкале времени НИСЗ. Типичным примером подобного способа синхронизации сети пунктов является использование для этого аппаратуры потребителей ССРНС.
При необходимости сеть удалённых пунктов можно легко привязать к другим
ШВ (СЕВ, UTC) т. к. расхождение между ними и системной шкалой времени
«Глонасс» известны заранее и передаются в кадре навигационного сигнала.
По результатам сверки можно установить закономерность ухода шкалы времени
БХВ и прогнозировать его на определенные интервалы времени.

Коррекция может выражаться в совмещении временных интервалов бортовой и наземной шкал. Такая операция носит название фазирования ЭЧ.
Управление наземной шкалой времени синхронизируемого пункта при фазировании осуществляется двумя способами: установкой в нулевое состояние блока делителей и сдвигом шкалы времени на значение, необходимое для совмещения с бортовой шкалой.
В первом случае шкала времени БХВ устанавливается в нулевое состояние независимо от того, какое значение времени было до фазирования. Обычно шкала переводится в нулевое состояние после включения резервных блоков ЭЧ или грубых сбоев в отсчете времени.
При фазировании сдвигом шкалы бортового времени команда изменяет коэффициент деления в блоке делителей ЭЧ.
Сочетание обоих способов фазирования позволяет оперативно и рационально управлять шкалой времени НП и добиваться высокой точности совмещения временных интервалов со шкалой НИСЗ.
Отличительной особенностью сверки ШВ пунктов с известными координатами является возможность работы лишь по одному НИСЗ. Однако в таком случае нужна другая АП работающая по одному спутнику. Но это приносит и свои негативные стороны (необходима специфическая аппаратура потребителей).
Поэтому кратко рассмотрим аппаратуру принятия ШВ с НИСЗ.

2.2. Выбор и обоснование аппаратуры приёма шкалы времени

2.2.1Одноканальная АП

Одноканальная АП используется на объектах с низкой динамикой, таких как танки, средства топопривязки, носители ранцев, самолеты гражданской авиации, морские суда, неподвижные объекты геодезии, картографии.
Характерной особенностью одноканальной АП является последовательный по времени прием сигналов НИСЗ.

В зависимости от продолжительности времени приема сигналов от НИСЗ различают одноканальную АП последовательного приема, когда продолжительность приема сигналов каждого НИСЗ составляет 0,2...2 с, и мультиплексную АП, где продолжительность приема сигнала каждого НИСЗ не превышает единиц миллисекунд. В последнем случае продолжительность приема значительно меньше постоянной времени следящих измерителей АП, что позволяет организовать фактически непрерывное слежение за несколькими НИСЗ и одновременное измерение их радионавигационных параметров. Благодаря цифровой обработке сигналов и программной реализации следящих измерителей увеличение аппаратурных затрат в мультиплексной АП оказывается незначительным по сравнению с одноканальной АП последовательного приема.
Следует отметить, что вследствие мультиплексирования средний энергетический потенциал радиолинии АП — НИСЗ снижается (при слежении за сигналами четырех
НИСЗ минимум на 6 дБ), что приводит к снижению помехоустойчивости мультиплексной АП.

Анализ структурных схем одноканальной аппаратуры различных потребителей показывает почти полную их идентичность. Различие заключается в конструктивном исполнении, в применении элементной базы той или иной степени интеграции.

Аппаратура принимает сигналы последовательно во времени.
Продолжительность приема сигнала каждого НИСЗ переменная в зависимости от режима работы, но не более 2 с. Перед началом работы оператор вводит априорные координаты места и текущее время. При погрешности ввода координат до 25 км и времени до 30 с и при наличии действующего альманаха в ЗУ сменных констант поиск сигнала требуется произвести максимум на двух элементах неопределенности по частоте. Общее время поиска не более 30 с.
После установления синхронизации с сигналом первого НИСЗ производится установка своего хранителя времени с точностью 0,1 мс относительно системного времени.

Иллюстрируя возможности построения АП системы «Глонасс», кратко опишем одноканальную АП «АСН-37» для гражданских самолетов.

Аппаратура «АСН-37» предназначена для автоматической работы в беспультовом варианте (без участия оператора) с комплексом цифрового пилотажно-навигационного оборудования самолета и использует весь объем данных о движении самолета от инерциальных систем, вырабатывая, в свою очередь, оценки плановых координат, высоты и составляющих вектора скорости для комплексной обработки и коррекции инерциальных систем.
Специфическим отличием радиосигналов системы ”Глонасс” от радиосигналов системы “Навстар” является наличие литерных частот несущей радиосигнала каждого НИСЗ, что обеспечивает частотное разделение сигналов в АП. Для приема радиосигналов с литерными частотами в АП системы “Глонасс” используется синтезатор литерных частот (СЛЧ), управляемый навигационным процессором в гетеродинах радиочастотного преобразователя. Конструктивно
СЛЧ находится в радиочастотном преобразователе.
В АП “АСН–37” литерные частоты синтезируются с шагом 0,125 МГц на частоте 356 МГц. Сигнал первого гетеродина формируется умножением литерных частот на 4, сигнал второго гетеродина – делением на 2. При этом первое преобразование частот принимаемого сигнала компенсирует 8/9 литерного разноса частот сигналов каждого НИСЗ, а второе преобразование – оставшуюся
1/9 литерного разноса частот. Выбор рассмотренного частотного плана радиочастотного преобразователя позволил минимизировать аппаратурные затраты для одноканальной АП, используя один синтезатор частот для двух гетеродинов. Однако применение подобного частотного плана преобразует спектр демодулированного ФМ сигнала на нулевую вторую промежуточную частоту. Для стабилизации и повышения устойчивости работы выходных каскадов радиочастотного преобразователя введена дополнительная модуляция ПСП суммированием по модулю 2 с меандром частоты 0,125 МГц, являющийся поднесущей для демодулированного сигнала.
Навигационный процессор состоит из: микропроцессора серии 1806 ВМ2; оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) объем которого 8К байт; постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) объемом 64К байт и преобразователя интерфейса, который измеренные данные в виде последовательного кода передает в тракт дальнейшей обработки сигнала.
Производительность микроЭВМ 300 00 коротких операций в секунду.

Технические характеристики «АСН-37» следующие: погрешности определения широты, долготы 45 м, высоты 65 м путевой скорости 0,25 м/с; текущего времени 1 мкс; масса 13 кг;
Отметим, что предыдущая модификация АП «АСН-37», именуемая «АСН-16» (также разработка РИРВ), прошла успешные испытания на самолете «Боинг-747», которые проводились по плану совместных работ с американскими фирмами
«Ханнивелл» и «Нортвест эйрлайнз». На испытаниях был подтвержден одинаковый уровень точности АП «АСН-16» и аналогичной американской АП, работавшей по сигналам системы «Навстар».
Дальнейшее развитие АП типа «АСН-16» — «АСН-37» направлено на создание многоканальной интегрированной АП, работающей одновременно по сигналам систем «Глонасс» и «Навстар» и удовлетворяющей требованиям международного стандарта.
Морские суда оснащаются навигационной АП «Шкипер», работающей по сигналам системы «Глонасс». Эта аппаратура научно-исследовательского института космического приборостроения (Москва) определяет географические координаты и путевую скорость судна, расстояние, пройденное с момента включения аппаратуры или от заданной точки; расстояние между заданными точками маршрута; рекомендованный курс следования в заданную точку с сигнализацией о достижении заданной точки или об отклонении от маршрута; время прибытия в точку назначения с заданной скоростью; маршрутные координаты; коммерческие задачи.

2.2.2Многоканальная АП

Многоканальная аппаратура предназначена для высокоточных определений координат, составляющих вектора скорости и поправки шкалы времени высокодинамичных потребителей в условиях организованных помех. К разработке многоканальной АП, обладающей уникальными возможностями навигационно- временного обеспечения, постоянно приковано внимание специалистов ведущих фирм мира. Применение современной технологии, позволяющей резко повышать плотность компоновки полупроводниковых приборов и расширять возможности реализации цифровых способов обработки сигналов, приводит к постоянному совершенствованию архитектуры АП. В сочетании с модульным принципом конструирования созданы образцы четырех- и пятиканальной аппаратуры объемом
15 дм2 и массой 12 кг. Ставится задача дальнейшего их уменьшения хотя бы на порядок.
Число каналов многоканальной АП в первую очередь определяются динамическими характеристиками потребителя. Так, АП высокодинамиеских потребителей, штурмовиков и некоторых видов ракет содержит пять каналов приема радиосигналов, при этом четыре канала используются для непрерывного слежения за несущей и задержкой радиосигналов четырех НИСЗ, обеспечивая тем самым непрерывное решение навигационной задачи, а пятый канал используется для поиска, синхронизации и приема информации от новых НИСЗ, обеспечивая непрерывную смену рабочих созвездий. Следует отметить, что пятиканальная аппаратура применяется также на таком малодинамичном объекте, как подводная лодка, но это обусловлено требованием малого времени до первого определения координат.
Четырехканальная АП находит применение на ракетах разного класса.
Необходимость в пятом канале здесь отпадает, так как ввиду относительно малого времени полета смена рабочих созвездий НИСЗ не производится.
Двухканальная АП применяется на объектах со средней динамикой, таких как транспортные самолеты, некоторые ракеты, отдельные классы кораблей, самолеты гражданской авиации. Один канал АП этого типа используется для последовательного во времени приема и обработки радиосигналов четырех НИСЗ рабочего созвездия, а второй канал также, как и пятый канал в пятиканальной
АП, – для обновления рабочего созвездия.

Многоканальная аппаратура различных разработок, как правило, имеет следующие основные технические характеристики: чувствительность приемника не хуже 166 дБВт; погрешность измерения квазидальности не хуже 1,5 м , квазискорости не хуже 1,5 см/с при отношении с/ш, равном 30 дБГц, и при следующей динамике движения потребителя: максимальная скорость до 1100 м/с и выше, ускорение до 10g, рывок до 5g/с; помехоустойчивость при поиске 24 дБ (кодС/А), при слежении 40 дБ (код Р), при удержании сигнала 47 дБ (код Р), погрешность определения плановых координат не хуже 10 м; время до первого определения координат не более 2,5 мин.

Как видно из изложенного для решения задачи поставленной в дипломном проекте достаточно одноканальной аппаратуры потребителей. Наиболее предпочтительным вариантом является аппаратура «АСН-37».

2.3.Выбор и обоснование структурной схемы аппаратуры сверки и коррекции ШВ

Для вычисления поправки к ШВ ЭЧ как наиболее удовлетворяющий современным тенденциям области проектирования устройств цифровой обработки информации будем использовать микропроцессорный элемент. Тем самым мы обеспечим гибкость разработанного вычислителя по отношению к изменениям в его структуре (например, изменение алгоритма вычисления), уменьшится количество применяемых элементов, снизится стоимость разработки на этапе проектирования и внедрения, повысятся характеристики по точности и быстродействию. Таким образом, очевидно, основным элементом вычислительного- корректирующего устройства является микропроцессор.

Упрощенно структура микропроцессорного ядра включает в себя микропроцессор, микросхему постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) для хранения управляющей программы, микросхему ОЗУ для хранения оперативной информации и микросхему электрически стираемого ПЗУ, а так же микросхему интерфейса для связи с внешними устройствами. В ЭППЗУ можно хранить установки режимов работы, ряд констант, поправки к ШВ UTC, СЕВ и прочую информацию, которая не является постоянной, но не меняется на протяжении длительного промежутка времени.

Т. к. в качестве АПШВ нами принята система «АСН-37», не имеющая собственных органов управления необходимо предусмотреть пульт управления и индикаторное устройство.

Для нормального функционирования процессора в условиях некачественного питания, следует дополнить разрабатываемое устройство рядом функциональных узлов, которые позволили бы исключить такие опасные явления, как работа в неопределенном режиме, а также генерирование неопределенных состояний портов при неполноценном сбросе. Работа вычислительного узла в неопределенном режиме опасна, поскольку в данном случае процессор может выполнять действия, не предусмотренные программой. Процессор может войти в этот режим при медленных изменениях напряжения питания (например, при включении и выключении), когда сигнал сброс не функционален. Если напряжение питания упадет ниже критического значения, а затем восстановится
(либо будет медленно снижаться), а сигнал сброса в этот момент не поступит, то произойдет описанный эффект. Для борьбы с этим явлением требуется специальная схема, назначение которой – подавать сброс на процессор в те моменты, когда напряжение питания находится ниже допустимого уровня.

Структурная схема такого устройства изображена на листе 2 графического материала и в Приложении. Она является базой для дальнейшего построения на её основе функциональной и принципиальной схем.

2.4. Выбор и обоснование функциональной схемы устройства сверки и коррекции
ШВ

Как уже говорилось выше основной частью устройства сверки и коррекции
ШВ является микропроцессорное ядро.

2.4.1. Выбор микропроцессора

Основой микропроцессорного ядра является собственно микропроцессор.
Поэтому от его выбора в основном и зависит выбор остальных составляющих.
При его выборе зададимся следующими параметрами:

5. быстродействие;

6. точность;

7. трудоемкость вычислений.

Существует большое количество микропроцессоров и микроЭВМ, выпускаемых различными фирмами в различных странах. Отметим отечественные микропроцессорные комплект серий 580 и 1820. Первый из них известен достаточно давно и широко используется при обучении, однако для наших целей он не годится т. к. имеет ряд существенных недостатков (малая скорость вычислений, несколько напряжений питания, большое число внешних элементов).
Достоинством второго процессора является невысокая стоимость и легкодоступность. Но для наших целей он не годится и прежде всего, потому что является 4–х разрядным, что ограничивает его вычислительные возможности. Более производительными являются процессоры серии 1835 отечественного объединения "Интеграл". Центральным процессорным элементом является микросхема К1835ВЕ51.
Достоинством данного процессора является:
8. невысокая потребляемая мощность;
9. одно напряжение питания;
10. сравнительно высокое быстродействие;
11. большое адресное пространство;
12. легкодоступность.
В процессоре имеется возможность последовательного ввода/вывода данных, что позволит сократить количество линий связи и упростить схему ввода/вывода. В процессоре предусмотрено подключение внешней памяти данных и команд, при этом адресное пространство может быть увеличено до величины
64К для ПЗУ и 64К для ОЗУ.

Выбранный микропроцессор обладает следующими характеристиками:
Разрядность адреса . . . . . 16
Разрядность данных . . . . . 8
Количество регистров общего назначения . . . 32
Разрядность регистров общего назначения . . . 8
Количество каналов обмена . . . 4
Формат команд . . . . . 1,2,3 байта
Объем адресуемой памяти команд . . . 64 кБайт;
Объем внутренней памяти команд . . . 4 кБайт;
Количество (базовых) команд . . . . 111
Время выполнения команд: сложения регистр–регистр . . . 1.0 мкс; сложения регистр–память . . . 2.0 мкс; умножения/деления . . . . 4.0 мкс;
Объем адресуемой памяти данных . . . 64 кБайт;
Объем внутренней памяти данных . . . 128 Байт;
Скорость обмена данных в последовательном канале вв./выв. – 375000 бит/с

2.4.2. Выбор ОЗУ

Внутреннее ОЗУ процессора недостаточно велико, и поэтому прибегаем к применению внешнего ОЗУ. В качестве ОЗУ применим микросхему К537РУ10. Серия
537 построена на основе КМДП – логики. Функциональный ряд серии включает более 20 типономиналов микросхем, отличающихся информационной емкостью (от
1024 до 65 536 бит), организацией (одноразрядная и словарная), быстродействием и потребляемой мощностью. Самой удобной для нас является микросхема со словарной организацией и асинхронным управлением, поскольку при этом не требуется дополнительных средств сопряжения ИС ОЗУ с МП
(внутренняя аппаратная поддержка МП настроена на такой тип микросхем ОЗУ).
Разрядность данных должна быть равной 8. Выбираем ИС К537РУ10 – микросхему
8–ми разрядного статического ОЗУ, так же выпускаемую отечественным объединением "Интеграл".

Микросхема имеет следующие технические характеристики:

Время выборки . . 20 нс;

Емкость бит . . . 2Кх8;

Потребляемая мощность . 28 мВт;

Диапазон рабочих температур – 10…+ 70(С

Совместимость по входу и выходу с TTL и КМОП схемами.

Как уже отмечалось в микропроцессорный узел необходимо включить электрически репрограммируемое ПЗУ. При выборе ИС EEPROM будем руководствоваться прежде всего простотой сопряжения последней с МП. Это относится как к согласованию сигналов (требуется уровень КМОП), так и к организации передачи данных. Удобным является применение последовательного интерфейса, поскольку при этом минимизируется количество используемых выводов процессора. Выберем микросхему EEPROM КР1568РР1. Она имеет объем, равный 256 байт. Микросхему выпускает завод "Интеграл".
Характеристики этой микросхемы таковы:
Напряжение питания . . . . . 5В;
Емкость бит . . . . . . 256х8;
Потребляемая мощность . . . . . 1 мВт;
Сохранность информации при отсутствии питания . 10 лет
Кол-во циклов записи в одну ячейку . . . ( 10000
Достоинством выбранной микросхемы является применение интерфейса по протоколу I2C, что позволяет сократить число линий связи до двух. Однако в этом случае необходимо программно обеспечить поддержку протокола I2C, что приводит к некоторому усложнению рабочей программы.

2.4.3. Выбор ПЗУ

В микропроцессорное ядро должно входить внешнее ПЗУ, где будет храниться рабочая программа.

В качестве ПЗУ можно взять микросхему К573РФ7 отечественного производства либо микросхему 27С256 фирмы Microchip. Указанные микросхемы удовлетворяют по требованиям к быстродействию. Потребляемая мощность м/сх
24С256 составляет 125 мВт, а у К573РФ7 – 600 мВт.
Основные параметры:
Время хранения информации при включенных источниках питания > 25000 ч.; при выключенных источниках питания > 100000 ч.;
Число циклов программирования > 25;
Напряжение питания + 5 В;
Напряжение программирования 21,5 В.
При подключении ПЗУ к МП следует учитывать особенности организации обращения и передачи данных с внешнего ПЗУ у данного процессора. Для передачи данных и для передачи младших разрядов адреса используется одна и та же шина, поэтому требуется аппаратное разделение данных и адресов.

2.4.5. Выбор устройства ввода-вывода

В качестве порта ввода-вывода для обслуживания индикатора и пульта управления выберем м/сх КР580ВВ55А.
Микросхема КР580ВВ55А – программируемое устройство ввода-вывода параллельной информации, позволяющее сопрягать различные типы устройств с шиной данных. Таким образом БИС обеспечивает возможность построения современных систем цифровой обработки.
Основные параметры:
Напряжение питания микросхемы 5 В
Диапазон рабочих температур – 10…+ 70(С
Ток потребления 120 мА

2.5. Алгоритм работы устройства СКШВ

Рассмотрим алгоритм вычисления поправки по введенному текущиму времени
ЭЧ и временем полученным с НИСЗ. Данный алгоритм представляет собой часть программы обслуживания устройства.

Вначале производится настройка процессора на требуемые режимы работы с внешними устройствами и обмена данными с ними, устанавливаются биты, отвечающие за различные режимы работы процессора. Затем устанавливаются начальные значения необходимых переменных, инициализируются служебные константы, необходимые для работы программы.

Далее осуществляется загрузка текущего врмени ЭЧ, далее – текущего времени с НИСЗ. Для компенсации временной задержки между вводом ШВ ЭЧ и
НИСЗ, от последней вычитается время необходимое на её загрузку.

Производится расчёт расхождения между шкалами времени, определяется его знак и выдаётся сигнал на коррекцию ЭЧ.

Производится выдача времени на иникатор в требуемом формате и опрос состояния кнопок ПУ.

Затем цикл повторяется. до тех пор пока длится работа микропроцессорного узла.

Рабочий алгоритм приведён на листе 4 графическрго материала.

2.6. Синтез принципиальной схемы устройства СКШВ

Электрическая принципиальная схема вычислителя представлена на листе 5.

Как уже отмечалось в качестве центрального микропроцессора выберем микросхему К1835ВЕ51.

При подключении ПЗУ к МП следует учитывать особенности организации обращения и передачи данных с внешнего ПЗУ у данного процессора. Для передачи данных и для передачи младших разрядов адреса используется одна и та же шина (порт AD процессора), поэтому требуется аппаратное разделение данных и адресов. С этой целью применим регистр параллельного сдвига, в качестве которого с учетом требований к быстродействию и разрядности применим 8–разрядный регистр К1554ИР23.Выходы порта AD МП и входы Х0...Х7
ИР23 соединим непосредственно, а так же подключим эту шину на выходы
D0...D7 ПЗУ. Вывод OE ИР23 следует подключить к нулю, при этом будет разрешен вывод информации на выходы Y0...Y7 ИР23. Сигнал ALE МП подключим к выводу CS ИР23. Наконец, выводы А8...А14 МП подключим к выводам А8...А14
ПЗУ. По этой шине передаются старшие биты адреса считываемой информации.
Процесс передачи очередного командного слова в процессор протекает следующим образом. МП выставляет на шину AD0...AD7 и А8...А14 15–ти разрядный адрес считываемого слова. По сигналу ALE ИР23 передает и защелкивает на своем выходе, а значит, на входе ПЗУ, младшие биты адреса, тогда как старшие биты уже там присутствуют. Затем МП подает команду РМЕ, по которой ПЗУ выставляет считываемое слово на шину AD, по которой оно и попадает в процессор.
Порт ввода-вывода осуществляет обмен информацией с микропроцессором по

8-и разрядной двунаправленной шине данных. Для связи с переферийными устройствами используются линии ввода-вывода, сгрупированные в три 8-и разрядных канала A, B, C, направление передачи информации через канал определяются программным способом. Выбор соответствующего канала и направление передачи информации через канал определяются сигналами A0, A1,

[pic], [pic], [pic].
Организация подключения микросхемы ОЗУ в целом аналогична тому, как это произведено при подключении ПЗУ. Для разделения младших разрядов адреса и данных так же применим регистр на микросхеме ИР23. Управляющими сигналами здесь являются WR и RD МП. По сигналу WR происходит запись информации в
ОЗУ, тогда как сигнал RD сопутствует считыванию информации.
Узел индикации и опроса кнопок пульта управления состоит из регистра сегмента индикатора, дешифратора разряда индикатора, собственно индикатора, клавиатурного поля 3 х 4.
В качестве индикатора выберем светодиодный индикатор АЛ318А красного свечения. В качестве регистра используем м/сх К555ИР27, а дешифратора
К555ИД4.

К555ИД4 – восьмиразрядный дешифратор:
Напряжение питания 5 В;
Потребляемая мощность 10 мА

К555ИР27 – 8-ми разрядный регистр
Напряжение питания 5 В;
Потребляемая мощность 20 мА

Рассмотрим подключение электрически репрограммируемого ПЗУ 1568РР1.

К выходу RST микросхемы присоединим RC–цепочку, которая служит для нормальной работы внутреннего генератора напряжения записи. Параметры цепочки, рекомендуемые справочной литературой :

R14=22К, С7=22нФ.

Необходимо так же оценить тактовую частоту процессора. При требуемой скорости обработки информации необходимо обеспечить производительность процессора порядка 2 млн. оп/с. Такой производительностью микропроцессор будет обладать при использовании тактовой частоты 30 МГц. Таким образом частота кварцевого резонатора определена и равна 30 МГц. Схема внутреннего генератора требует также подключения двух внешних емкостей C3 и C4 по 20 пФ. Такие значения являются типовыми и рекомендуются в литературе, поэтому их расчёт не производится.
В качестве устройства гарантированного сброса и контроля питания

используем стандартную микросхему выполняющую эти функции. Такой элемент изготавливается многими фирмами-производителями.

3. Электрический расчёт

3.1. Краткие сведения о вторичных источниках питания

Современные устройства требуют бесперебойного, наёдежного электроснабжения. Для преобразования электрической энергии, получаемой от источников электроснабжения, её регулирования, стабилизации, резервирования, распределения и защиты на практике оборудуются электропитающие установки. Электропитающие установки вырабатывают электрическую энергию постоянного тока с номинальными напряжениями 60 и 24
В.

Снижение массы и габаритов вторичных источников электропитания в настоящее время является одной из наиболее важных проблем при разработке современных радиотехнических устройств. Основными направлениями улучшения массогабаритных и технико-экономических показателей устройств электропитания являются: использование новейших электротехнических материалов и перспективной элементной базы с применением интегрально-гибридной технологии; поиски новых эффективных схемотехнических решений; повышение частоты преобразования электрической энергии.

Повышение надежности, улучшение технико-экономических показателей, снижение стоимости аппаратуры в значительной степени зависят от правильного выбора и проектирования вторичных источников и систем электропитания в целом.

Широкое применение в современной радиоэлектронной аппаратуре получили вторичные источники электропитания с импульсным регулированием. Это объясняется, в первую очередь высокими энергетическими и объёмно-массовыми показателями. Коэффициент полезного действия таких источников может достигать 70-75% при входном напряжении 5В, при этом их удельная мощность составит 120…250 Вт/дм3 . Они строятся в основном на базе однотактных и двухтактных транзисторных преобразователях напряжения. Транзисторы в преобразователях работают в режиме переключения: это и объясняет высокие энергетические показатели источников с импульсным регулированием.

Применение современной базы позволяет осуществлять преобразование энергии на частотах до нескольких сотен килогерц, а в ряде случаев и выше.

Работа устройств на повышенных частотах позволяет уменьшить объём и массу электромагнитных элементов и ёмкость конденсаторов, и тем самым повысить удельные объёмно-массовые показатели.

В импульсных источниках применяются три способа регулирования:
16. широтно-импульсный (ШИМ), при котором период коммутации постоянен, а время нахождения транзистора в области насыщения (отсечки) изменяется;
17. частотно-импульсный (ЧИМ), при котором период коммутации непостоянен, а время нахождения транзистора в области насыщения (отсечки)постоянно;
18. двухпозиционный (релейный), при котором и период, и относительное время отсечки, когда транзистор находится в области насыщения (отсечки), изменяются.

Однотактные и двухтактные преобразователи подразделяются на регулируемые и нерегулируемые.

В зависимости от типа преобразователя вход и выход его могут быть гальванически связаны или развязаны через трансформатор.

Однотактные преобразователи с гальванической связью входа и выхода находят широкое применение в качестве импульсных стабилизаторов или регуляторов напряжения и тока.

Однотактные и двухтактные регулируемые преобразователи с трансформаторным выходом применяются как самостоятельные источники вторичного электропитания.

Поэтому рассчитаем источник вторичного питания для питания разрабатываемого устройства.

3.2. Расчёт силовой части импульсного преобразователя

Выберем в качестве расчёта преобразователя однотактный регулируемый преобразователь с трансформаторным разделением входной и выходной цепей.

Однотактные регулируемые преобразователи находят широкое применение в источниках электропитания аппаратуры на выходные мощности от единиц до нескольких сотен ватт. Их широкое применение обусловлено такими достоинствами, как отсутствие схем симметрирования работы трансформатора, малое число силовых ключей, простота схемы управления. На рис. 5 изображена схема однотактного преобразователя с прямым включением диода VD2 и размагничивающей обмоткой.

[pic]

Рисунок 5 Схема однотактного преобразователя с прямым включением диода и размагничивающей обмоткой

3.2.1. Принцип действия преобразователя

Когда транзистор VT1 открыт, напряжение Uвх оказывается приложенным к первичной обмотке трансформатора (1. Диод VD2—открыт и энергия источника питания передается в нагрузку и запасается дросселем L. В интервале закрытого состояния транзистора энергия, накопленная дросселем, передается в нагрузку, а энергия, запасенная трансформатором через размагничивающую обмотку (р и диод VDP, отдается в источник питания. Поскольку в установившемся режиме работы энергия, запасённая трансформатором на интервале открытого состояния транзистора, должна быть полностью рекуперирована в источник питания, то максимальное значение (max зависит от соотношения чисел витков обмоток (1 и (р . Чем шире пределы регулирования, тем больше значение (max и тем меньше число витков размагничивающей обмотки. Уменьшение числа витков размагничивающей обмотки приводит к увеличению напряжения на закрытом транзисторе преобразователя

[pic] (3.1)

Так, при (max = 0,5 напряжение на закрытом транзисторе превышает входное напряжение в 2 раза, а при (max = 0,9 — в 10 раз. Регулировочная характеристика преобразователя имеет линейный характер:

[pic] (3.2) где:

(21 = (2/(1 — коэффициент трансформации.

Это выражение справедливо при условии безразрывности тока дросселя, которое имеет место при L >Lкр, где

[pic] (3.3) fП – частота преобразования.

3.2.2. Расчёт преобразователя

Исходные данные: номинальное значение входного напряжения UВХ В; 24 относительные отклонения входного напряжения в сторону повышения и понижения аmax, аmiп, 0,1 номинальное значение выходного напряжения, UВЫХ В; 5 амплитуда пульсации выходного напряжения UВЫХ m В; 0,01 максимальное значения тока нагрузки Iн max, А; 1 минимальное значения тока нагрузки Iн min, А; 0,5 частота преобразования, fП , Гц; 20 х
103 максимальная температура окружающей среды ТС mах (C; 50

1. Определяем максимальное и минимальное значения входного напряжения.

[pic]

Принимаем (min = 0,2. Тогда

[pic]

Округляем его значение до целого числа [pic];

[pic]

2. Определяем LКР

[pic]

Производим расчёт дросселя или выбираем унифицированный, принимая

L > LКР = 0,5 мГн

Определяем приращение тока дросселя

[pic]

3. Находим значение емкостей [pic] и [pic]. При определении [pic] задаёмся

значением (UВЫБР = 0,1 UВЫХ = 0,5 В

[pic];

[pic]

Ёмкость конденсатора Сн принимаем равной максимальному значению [pic] или [pic]. Выбираем конденсатор типа К50-35 на номинальную ёмкость 220 мкФ и номинальное напряжение 25 В. Сн = 220 мкФ.

4. Определяем:

[pic]

Определяем максимальное напряжение на закрытом транзисторе

[pic]

Максимальный ток

[pic]

Выбираем транзистор КТ903А, имеющий следующие параметры:

[pic]; [pic]; [pic];

[pic]; [pic] [pic]

[pic]

Принимаем коэффициент насыщения транзистора [pic]

Определяем мощность, рассеиваемую на транзисторе, и решаем вопрос о необходимости установки транзистора на радиатор.

[pic]

5. Определяем значения токов и напряжений диодов VD1, VD2, VDp.

[pic]

По напряжению, току и частоте преобразования fП выбираем из справочников тип соответствующего диода. Выбираем диод КД213В, максимальное обратное напряжение – 100 В, максимальный постоянный прямой ток – 3 А при
ТК = + 125(С, UПР = 1 В.

Определяем мощности, рассеиваемые на нём

[pic]

Определяем максимальное напряжение на рекуперационном диоде

[pic];

[pic].

Максимальное значение тока рекуперационного диода VDp определяется после расчета трансформатора, в результате которого находится максимальное значение намагничивающего тока IVD1 max.

6. Определяем токи первичной и вторичной обмоток трансформатора Т1

[pic]

7. Определяем коэффициент передачи схемы управления по заданному значению коэффициента стабилизации:

[pic]

Таким образом произведён расчёт силовой части импульсного преобразователя напряжения.

4. Конструктивный расчёт

Страницы: 1, 2, 3