Изобретение относится к области радиоизмерительных систем и, в частности, может быть использовано для проектирования и эксплуатации синхронизаторов (корреляторов) пространственно-временных систем реального времени при обработке сигналов многоэлементных синтезированных антенных решеток.
Системы обработки сигналов корреляционного типа, в дальнейшем просто синхронизаторы, применяются в системах наблюдений космических источников (РСДБ-системы), в радионавигационных системах (GPS, ГЛОНАСС, ЛОРАН-С, «Чайка»), в радиолокационных системах и в системах радиоуправления.
В современных высокоточных пространственно-измерительных системах наземного и космического базирования актуальной является проблема измерения взаимного расположения объектов, перемещающихся относительно друг друга в зоне действия пространственно-временной радиоизмерительной системы. Решение такой задачи требует создания синхронизатора, способного выполнять совмещенную оптимальную корреляционную обработку сигналов различного типа относительно единого опорного пространственно-временного базиса радиоизмерительной системы.
Наиболее общим примером является Пространственно-временная система реального времени Российской Федерации на основе использования самой высокоточной технологии космической геодезии - радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ) (см. Грачев В.Г., Иванкин С.П., Сальников А.И.. Система телекоммуникационного обеспечения радиоинтерферометрического комплекса «КВАЗАР», интегрированная в глобальную сеть Internet. 1995, Сообщения ИПА РАН №79, с.1-33. [1] и опубликованный патент РФ №2024191 [2]).
Известные из уровня техники синхронизаторы для доплеровских и дальномерных схем измерений относительных координат объектов и их производных в системах радиолокации, радионавигации и радиоуправления отличаются от схемы РСДБ-измерений способами формирования сигналов, методами компенсации и диапазоном измерений частоты Доплера и задержки распространения, временем интегрирования единичного отсчета измерений, а также рядом специальных технических требований.
В обобщенной модели РСДБ-системы (см. Грачев В.Г., Ратнер А.Н., Фролов В.Н. Система корреляционной обработки радиоинтерферометрической сети КВАЗАР. 1997. Труды XXVII радиоастрономической конференции «Проблемы современной радиоастрономии», том 2, с.199-200[3]; Грачев В.Г., Купцов Л.А., Ратнер А.Н., Фролов В.Н. S-2 коррелятор для наземно-космических РСДБ-наблюдений. 1997. Труды XXVII радиоастрономической конференции «Проблемы современной радиоастрономии», том 2, с.201-202 [4]) типовой синхронизатор (в ряде работ называемый коррелятором) выполняет следующие функции:
- конфигурирует систему ввода цифровых потоков на основании известной модели измерительной системы;
- формирует каркас главного зеркала для источников в ближней и дальней зоне и обеспечивает пространственное сопровождение радиоисточника, осуществляя таким способом оптимальную фильтрацию угловых и линейных пространственных частот электромагнитного поля источника в точках разнесенного приема в эквивалентной электрической форме с помощью устройств цифрового сопровождения по задержке и фазе интерференции;
- обеспечивает поиск и обнаружение корреляционного отклика;
- осуществляет оптимальную цифровую фильтрацию сигнала в рабочей полосе спектра излучения источника;
- измеряет дисперсию входного сигнала, геометрическую задержку, фазу и их производные в окрестностях максимума многомерной взаимной функции неопределенности;
- выполняет фазовую коррекцию инструментальных задержек приемно-регистрирующих трактов отдельных элементов РСДБ-системы;
- выполняет калибровку амплитуды функции неопределенности;
- выполняет служебные функции.
Синхронизатор, как правило, состоит из следующих функциональных элементов (Фиг.1):
- конфигуратор 1 - формирует пары для корреляционных измерений,
- синхронизатор 2 частоты - компенсирует статическое и динамическое смещение частот ΔfH+fdi+fdj,
- синхронизатор 3 задержки - компенсирует статическое и динамическое изменение задержки Δτi+τgi(t),
- частотный фильтр 4 - выполняет оптимальную частотную фильтрацию сигнала или его спектра мощности Pxy(f) фильтровым,
корреляционным или методом Фурье-преобразования реализации сигнала, являющимися взаимно эквивалентными операциями.
- временной фильтр 5 - выполняет временную фильтрацию или накопление сигнала.
Недостаток такого синхронизатора заключается в том, что он не позволяет выполнять совмещенную обработку сигналов различного типа в режиме реального времени.
Вышеуказанное решение является наиболее близким к предлагаемому изобретению и выбрано в качестве прототипа.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении точности измерений, устраняющих возможные ошибки проектирования, уменьшение габаритов синхронизатора вплоть до размещения его компонентов в одном корпусе, выполненном в настольном варианте, а также в проведении обработки сигналов различного типа в режиме реального времени.
Предлагаемый способ работы синхронизатора пространственно-временной системы, обрабатывающего сигналы в режиме реального времени, заключается в том, что производят измерения значений кросс корреляционных откликов одновременно для множества временных задержек и частот интерферометра в заданном диапазоне ожидаемых ошибок измерений цифровых потоков сигналов РСДБ-станций (радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами), измеряют разности множества истинных и предвычисленных значений корреляционных откликов радиоинтерферометра, по сигналам фазовой калибровки измеряют разности инструментальных и фазовых задержек между каналами системы параллельно-частотного синтеза, измеренные значения разностей истинных и предвычисленных значений корреляционных откликов радиоинтерферометра суммируют с сигналами фазовой калибровки для каждого частотного канала в системе синтеза широкополосного сигнала, полученные суммарные сигналы вводят в режиме реального времени в виде дополнительных поправок в исходный предварительно задержанный по времени цифровой поток сигналов РСДБ-станций, характеризующий поправки к предвычисленным значениям задержек и частот интерференции, осуществляя тем самым коррекцию исходного цифрового потока сигналов РСДБ-станций, аналогичную коррекцию выполняют параллельно для всех независимых интерферометрических баз, суммируют скорректированные цифровые потоки сигналов РСДБ-станций на исходной тактовой частоте, одинаковой для всех цифровых потоков сигналов, осуществляют двухбитовое квантование результатов суммирования скорректированных цифровых потоков сигналов, формируют скорректированный цифровой поток сигналов РСДБ-станций, представляющий линейную сумму сигналов всех РСДБ-станций опорно-пространственной временной системы, просуммированный скорректированный цифровой поток сигналов РСДБ-станций передают по оптическим и радиоканалам связи параллельно для всех РСДБ-станций с антеннами малого диаметра, который является сигналом фазированной антенной решетки.
В качестве корреляционного отклика радиоинтерферометра выбирают амплитуду максимума корреляционной функции, или фазовую, или групповую геометрическую задержку на интервале единичного наблюдения.
Геометрические задержки распространения измеряют относительно плоскости, перпендикулярной к направлению на источник и проходящей через опорную РСДБ-станцию при астрофизических исследованиях.
Задержку по времени цифрового потока сигналов РСДБ-станций устанавливают равной половине интервала единичного наблюдения.
Параметры кросскорреляционных функций (откликов) исследуемых объектов, находящихся в дальней зоне РСДБ-системы, измеряют в дифференциальном режиме, в виде разности угловых координат объектов и координат опорных внегалактических радиоисточников.
Параметры кросскорреляционных функций исследуемых объектов, находящихся в ближней зоне РСДБ-системы, измеряют гиперболическим методом в виде трехмерных координат и их производных с помощью РСДБ-системы, откалиброванной по внегалактическим радиоисточникам, находящимся на близких угловых расстояниях.
Основным функциональным узлом системы, реализующей заявленный способ, является синхронизатор пространственно-временной системы реального времени, включающий селектор потоков, предназначенный для приема входных цифровых потоков сигналов РСДБ-системы в режиме реального времени от системы преобразования сигналов или от системы воспроизведения данных на магнитном носителе, и формирующий параллельные цифровые потоки сигналов, по крайней мере, два РСДБ-контроллера, предназначенных для выполнения коррекции волнового фронта излучения источника путем сопровождения по геометрической задержке и фазе интерференции, поступивших с селектора потоков и формирующих на своих выходах скорректированные цифровые потоки сигналов РСДБ-системы, которые поступают в корреляционные процессоры, предназначенные для подсчетов накапливаемых на заданном интервале времени совпадающих выборок сигналов, несовпадающих выборок сигналов и прокоррелированных выборок параллельно для заданного количества каналов по задержке, накопленные на заданном интервале выборки сигналов с выходов РСДБ-контроллеров поступают для запоминания в буферное запоминающее устройство, с входов-выходов РСДБ-контроллеров через шину данных, контроллер базового модуля коррелятора и контроллер PCI-шины накопленные данные поступают в управляющий компьютер.
На Фиг.1 представлена обобщенная функциональная схема РСДБ-коррелятора. На Фиг.2а изображена функциональная схема аппаратно-программного комплекса (АПК) "ПАРСЕК", реализующего идею синхронизации пространственно-временной системы реального времени, и на Фиг.2б показана детализация одного из основных элементов схемы, а именно функциональная схема одноплатного спецпроцессора. На Фиг.3 представлена функциональная схема синхронизатора пространственно-временной системы реального времени для объяснения принципа действия синхронизатора пространственно-временной системы реального времени. Система (Фиг.2а) АПК «ПАРСЕК» первичной обработки РСДБ-данных (СПОД) радиоинтерферометрического комплекса КВАЗАР (см. В.Г.Грачев, Л.А.Купцов, И.Ф.Суркис. Одноплатный РСДБ-коррелятор «МикроПАРСЕК», Сообщения ИПА РАН, 2003, №162, 24 с.[6] и В.Г.Грачев, Л.А.Купцов. Корреляционный РСДБ-спецпроцессор нового поколения. Аппаратно-программный комплекс. Сообщения ИПА РАН, 2003, №163, 30 с.[7]) включает:
- Систему 6 ввода данных Mk5B на основе сменных магнитных дисков с использованием трех терминалов Mark 5B производства фирмы Conduant corporation (США).
- Аппаратно-программный комплекс 7 спецпроцессорной обработки.
- Системы постпроцессорной обработки данных.
- Системы преобразования форматов и хранения результатов обработки.
Одним из технических требований к АПК является необходимость воспринимать РСДБ-данные, поступающие от любой из имеющихся и перспективных систем ввода данных. С этой целью в АПК «ПАРСЕК» в качестве входного интерфейса предусмотрен международный стандартный РСДБ-интерфейс VSI (VLBI standard interface).
Аппаратно-программный комплекс спецпроцессорной обработки состоит из аппаратной части в составе спецпроцессора 7.1 и управляющего компьютера 7.2, а также из программного обеспечения 8 (ПО) реального времени для управления, контроля и сбора сырых данных, полученных в результате спецпроцессорной обработки.
Система постпроцессорной обработки данных состоит из сервера высокопроизводительных вычислений с установленным на нем программным обеспечением для постпроцессорного анализа и извлечения основных наблюдаемых величин. Для проекта «ПАРСЕК» используется программное обеспечение для постпроцессорной обработки данных РСДБ-наблюдений NewPROUT или его версия PROUT, установленные на отдельном персональном компьютере.
Система преобразования форматов и хранения результатов первичной обработки представляет собой программное обеспечение преобразования данных из выходного рабочего формата системы постпроцессорной обработки данных в международные стандартные форматы данных (NGS, DBN, FITS), которые воспринимаются в качестве входных программными системами вторичной обработки данных (ЭРА, КВАЗАР, OCCAM, GALK/SOLVE, AIPS, CALTECH).
Основным элементом функциональной схемы АПК «ПАРСЕК» является базовый модуль БМК 7.3 синхронизатора (Фиг.2а). Ввод РСДБ-данных производится от любой из штатных систем РСДБ-комплекса. В качестве примера на Фиг.2а приведена система воспроизведения на магнитных дисках, имеющая выходной стандартный интерфейс VSI. Для формирования пар цифровых сигналов, поступающих от системы воспроизведения в формате стандартного международного РСДБ-интерфейса VSI, используется модуль коммутатора 7.4 баз. Выходные сигналы коммутатора через базовые интерфейсные модули 7.5 БИМ в базовые модули 7.3 коррелятора. Выходные данные базовых модулей синхронизатора через магистральную шину данных промышленного крейта CompactPCI поступают в управляющий одноплатный компьютер 7.2 IBM PC Pentium III и буферизируются на магнитном диске 7.7 HDD управляющего компьютера. Выходные массивы корреляционных данных передаются на постпроцессорную обработку и для вторичной обработки через локальную вычислительную сеть Ethernet.
Для обработки астрометрических и астрофизических данных в режиме РСДБ-измерений или радиоастрономических измерений в спецпроцессоре «ПАРСЕК» предусмотрены широкие функциональные возможности в режиме одиночного радиотелескопа. Основу элементной базы спецпроцессора составляют программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС).
В основу построения функциональной схемы спецпроцессора (Фиг.2б) заложен принцип коррелятора запаздываний XF, определяющий базовый алгоритм, состоящий в первоначальном аппаратном вычислении значений взаимной корреляционной функции и последующем Фурье-преобразовании выходного многомерного массива корреляционных данных. Входные цифровые потоки данных, в режиме реального времени поступающие от системы преобразования сигналов или от системы воспроизведения данных на магнитном носителе, вводятся через кабельное соединение в селектор 9 потоков. Селектор 9 формирует структуру параллельных цифровых потоков в соответствии с функциональной схемой РСДБ-системы. РСДБ-контроллеры 10.1 и 10.2 выполняют функции коррекции волнового фронта излучения источника путем сопровождения по геометрической задержке и фазе интерференции. Синхронизованные по времени и скорректированные потоки данных поступают в корреляционные процессоры 11.1, 11.2, в которых подсчитываются и накапливаются на заданном интервале времени суммарное количество совпадающих выборок сигналов, суммарное количество несовпадающих выборок и суммарное количество прокоррелированных выборок (при двухбитовом представлении выборок подсчет количества совпадений и несовпадений производится с учетом весовых коэффициентов), параллельно для заданного количества каналов по задержке. Накопленные на заданном интервале времени значения сохраняются в буферном запоминающем устройстве 13 чипа «корреляционный процессор» и затем через шину данных, контроллер 12 базового модуля коррелятора БМК и контроллер 14 PCI-шины передаются в управляющий компьютер.
Управление работой коррелятора реализуется управляющей программой через контроллер PCI-шины и контроллер БМК. Контроллер БМК поддерживает специализированную систему, состоящую из 18 макрокоманд, поступающих из управляющей программы в виде 32 разрядных двоичных кодов. Каждая макрокоманда в контроллере БМК преобразуется в последовательность микрокоманд, которые по шине команд передаются в устройство, определяемое значением, выставлямым на шине адреса. В адресуемом устройстве каждая микрокоманда, в свою очередь, преобразуется в набор управляющих импульсных сигналов.
Устройства «РСДБ контроллер», «Корреляционный процессор», «Селектор потоков» и «Контроллер БМК» реализованы в чипах программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).
Алгоритм функционирования синхронизатора ПВС РВ (Фиг.3).
Синхронизатор пространственно-временной системы реального времени выполняет измерения в виде следующих этапов.
Первый этап соответствует обработке сигналов внегалактических источников опорной РСДБ-сети высшей точности и предназначен для измерения разности между истинными и предвычисленными наблюдаемыми величинами корреляционного отклика: амплитуды максимума кросскорреляционной функции, групповой, фазовой геометрической задержек и их производных на интервале единичного наблюдения. Решение этой задачи выполняется многоканальным устройством, измеряющим значения кросскорреляционной функции в режиме реального времени.
Измерения выполняются одновременно и параллельно для многих значений временной задержки и частот интерференции в диапазоне ожидаемых ошибок измерений. Одновременно на нескольких частотах наблюдений измерения выполняются между одноименными по частоте параллельными цифровыми потоками Xi, Yi, Zi,... сигналов РСДБ-станций Ns, образующими независимые интерферометрические базы (корреляционные пары сигналов) общим числом Nb=Ns(Ns-1)/2. Для каждой пары сигналов Xi, Yi каждой независимой базы (Фиг.3) каждой независимой базы, с помощью управляемых цифровых линий задержки 15 «X-delay» и 16 «Y-delay», компенсируются задержки распространения сигнала в каждом частотном канале между источником и приемными РСДБ-станциями. Погрешности этого дискретного процесса уменьшаются с помощью дополнительной задержки 17 «Vernier», управляемой устройством 18 «Схема выбора». Разность доплеровских смещений сигналов компенсируется в цифровых смесителях 19 «sin» и 20 «cos» с помощью цифрового сигнала гетеродина 21 «Генератор фазы Доплера». В устройстве 22 «Комплексный коррелятор» вычисляются значения кросскорреляционных функций, скомпенсированных по задержке и доплеровскому смещению сигналов параллельно по нескольким дискретным значениям фиксированной задержки. Комплексные значения корреляционных функций для каждой фиксированной задержки суммируются на заданном интервале времени в устройстве 23 «Цифровые интеграторы». Результаты суммирования хранятся в устройстве 24 «ОЗУ «сырых данных»».
Для устранения инструментальных погрешностей измерения фазы входных сигналов по сигналам фазовой калибровки измеряются разности инструментальных фазовых задержек между частотными каналами приемной системы РСДБ-станции, которые затем вносятся в виде корректирующих поправок к измеренным значениям фазовых задержек распространения сигналов при синтезе многочастотного корреляционного отклика во всей рабочей полосе приемных систем РСДБ-станции. Фазы калибровочных сигналов измеряются в устройствах 25 «Калибратор Фазы X» и 26 «Калибратор Фазы Y».
Результаты измерений поступают в устройство 27 «Сигнальный процессор», который вычисляет, вносит коррекцию за инструментальные погрешности и влияние среды распространения сигналов и анализирует множество значений основных наблюдаемых величин: модуля корреляционной функции A(t), разности групповых задержек Δτ(t), разности фазовых задержек Δϕ(t) и их производных. Выполняет оптимальную частотную и временную фильтрацию сигналов. Результаты измерений этих разностей истинных и предвычисленных наблюдаемых величин для каждого частотного канала суммируются для формирования единой кросскорреляционной функции с целью повышения точности измерений наблюдаемых величин. Процесс формирования единой кросскорреляционной функции также называют синтезом широкой полосы.
Таким образом, основным результатом этого первого этапа являются значения амплитуды кросскорреляционной функции, значения разностей между наблюдаемыми и предвычисленными значениями геометрических групповых и фазовых задержек распространения сигналов между источником и каждой РСДБ-станцией и их производных. Эти результаты имеют самостоятельное значение для классической астрометрии, космической геодезии, астрофизики и геодинамики и могут использоваться в интересах научных исследований в режиме реального времени.
На втором этапе корреляционной обработки эти суммарные результаты вводятся в реальном времени в виде дополнительных поправок в исходный, специально задержанный по времени в устройстве 28 «FIFO данных» цифровой поток данных, в виде поправок к предвычисленным значениям задержки и частоты интерференции. Поправки вводятся с помощью устройств 29 «X-delay correct» и 30 цифрового смесителя. Величина задержки цифрового потока данных по времени устанавливается равной половине интервала единичного наблюдения.
В результате такой корректировки, аналогично выполненной для всех частотных каналов РСДБ-станций, задержанные исходные цифровые потоки приобретают минимальные величины разности истинных (наблюдаемых) и предвычисленных величин задержек и их производных, то есть синхронизируются.
Эта синхронизация (коррекция) выполняется параллельно для всех независимых интерферометрических баз.
Синхронизированные цифровые потоки одноименных частотных каналов всех РСДБ-станций суммируются в специальном цифровом сумматоре 31 «Сумматор 2-битовый АЦП», который работает на исходной тактовой частоте дискретизации сигналов, одинаковой для всех цифровых потоков, а результаты суммирования подвергаются повторной дополнительной процедуре 2-битового квантования.
В результате на выходе системы корреляционной обработки в устройстве 32 «Форматор РСДБ-данных ФАР» формируются синхронизированные цифровые 2-битовые потоки данных, представляющие собой линейные суммы сигналов для каждой из частот многоканальных приемных систем всех РСДБ-станций опорной пространственно-временнной системы реального времени.
Выходные данные синхронизатора пространственно-временной системы реального времени сформированы в цифровой многочастотный поток цифровых данных фазированной антенной решетки, состоящей из РСДБ-станций, который передается по оптическим и радиоканалам сетей связи одновременно для неограниченного числа потребителей или пользователей опорной пространственно-временной системы реального времени.
Таким образом, синхронизованная РСДБ-система в эквивалентной форме может быть представлена в виде РСДБ-станции с синтезированной апертурой сверхбольших размеров и эффективной площадью, равной сумме эффективных площадей всех антенн РСДБ-системы. Пользователи опорной пространственно-временной системы реального времени имеют возможность взаимодействовать с ней в режиме компаунд-интеферометра, состоящего из большой РСДБ-системы и малой антенны пользователя. Цифровой сигнал на выходе синхронизатора опорной пространственно-временной системы используется на РСДБ-станции с малой антенной эквивалентно цифровому сигналу Xi синхронизатора для корреляционной обработки с помощью собственного однобазового автономного корреляционного устройства.
Принципиально важным результатом является то, что теперь этот суммарный сигнал является сигналом не корреляционной, а фазированной антенной решетки, образованной опорной сетью РСДБ-станций. Новизна предложенного решения состоит в том, что теперь каждая малая антенна может работать с фазированной опорной РСДБ-сетью в режиме радиоинтерферометра, известного как компаунд-интерферометр, являющегося одной из разновидностей известных классических схем интерферометров.
В такой схеме измерений каждая малая антенна оснащается однобазовым многоканальным синхронизатором. РСДБ-наблюдения теперь проводятся для всех баз, образованных парами «синтезированная фазированная опорная РСДБ-сеть - малая антенна». Корреляционные измерения теперь выполняются не в центральном РСДБ-синхронизаторе а на каждой малой РСДБ-станции. Ее координаты и поправки шкал времени и частоты определяются относительно опорной сети автономно в реальном времени в режиме самоопределения.
Роль синхронизатора в составе пространственно-временной радиоизмерительной системой состоит в следующем. Основополагающий принцип относительных измерений координат и их производных состоит в том, что аналогом дальности R является время запаздывания τg=R/c сигнала между приемником и передатчиком, аналогом радиальной скорости VR - доплеровский сдвиг частот fd принимаемого сигнала, аналогом направляющего косинуса - разность времен запаздывания Δτg=(R1-R2)/c и аналогом производной направляющих косинусов - разность доплеровских частот сигналов Δfd, принимаемых в разнесенных точках приема.
Относительные координаты объектов их производные определяются в точке пересечения поверхностей положения в многомерной измерительной системе.
РСДБ-система по принципу измерения является разностно-дальномерной, поскольку в ней основными измеряемыми параметрами являются геометрическая задержка распространения и ее производные, однозначно связанные с разностью хода лучей от источника до приемных антенн, то есть разностью дальностей.
РСДБ-наблюдения внегалактических источников с известными координатами позволяют измерить параметры РСДБ-баз, их ориентацию относительно опорной небесной системы координат ICRF и измерить разность часов РСДБ-станций. Таким образом, выполняется комплексная калибровка параметров РСДБ-системы. Разности дальностей или геометрические задержки распространения измеряются относительно плоскости, перпендикулярной к направлению на источник и проходящей через опорную РСДБ-станцию при астрофизических исследованиях или проходящую через геоцентр при астрометрических исследованиях.
Положение исследуемых объектов, находящихся в дальней зоне РСДБ-системы, измеряется в дифференциальном режиме в виде разности угловых координат объектов относительно координат опорных внегалактических радиоисточников.
Положение объектов, находящихся в ближней зоне РСДБ-системы, измеряется гиперболическим методом в виде трехмерных координат и их производных с помощью РСДБ-системы, откалиброванной по внегалактическим радиоисточникам, находящимся на близких угловых расстояниях. Разности дальностей или геометрические задержки распространения в этом случае измеряются относительно сферической поверхности, проходящей через опорную РСДБ-станцию и центр которой совпадает с координатами исследуемого объекта.
Важно отметить, что
- при дифференциальных РСДБ-наблюдениях объектов на фоне внегалактических источников знания ПВЗ не требуется,
- влияние атмосферы и ионосферы на измерение положений объектов на фоне внегалактических источников минимизируется, поскольку вносят одинаковый вклад в их положения.
При РСДБ-наблюдениях объектов в абсолютном режиме требуется знание ПВЗ и параметров атмосферы и ионосферы.
Синхронизатор является фазовым центром РСДБ-системы и функционально связан со всеми этапами наблюдений. В нем воспроизводится весь процесс наблюдений на уровне цифровых данных РСДБ-станций, синтезируется выходной сигнал многоэлементной антенной решетки, и измеряются основные наблюдаемые величины: амплитуда, групповая и фазовая задержки и их производные. Применение РСДБ-системы для космических исследований связано с преимуществами высокоточных дифференциальных наблюдений космических источников, объектов радионавигации, радиолокации и радиоуправления на фоне квазаров.
Для оптимального приема радиосигналов КА, ИСЗ и наземных передающих станций требуется фильтрация, возможности которой в существующих стандартных РСДБ-системах отсутствуют или ограничены. Поэтому в синхронизатор введена дополнительная функция оптимальной цифровой фильтрации и разработаны соответствующие режимы управления и методы обработки.
Аппаратно-программный комплекс синхронизатора входит в состав системы первичной обработки данных СПОД и предназначен для корреляционной обработки данных со станций радиоинтерферометрического комплекса.
Кроме того, синхронизатор также может быть использован при решении следующих задач:
- обработка данных наземно-космических РСДБ-наблюдений;
- обработка данных РСДБ-наблюдений космических аппаратов дальнего космоса;
- обработка данных дифференциальных радиолокационных РСДБ-наблюдений;
- обработка РСБД-наблюдений навигационных ИСЗ систем;
- обработка радиоастрономических спектральных наблюдений;
- обработка и анализ цифровых сигналов с амплитудной, фазовой и комбинированной модуляцией в системах фиксированной и подвижной связи;
- обработка доплеровских измерений дальности и скорости в кодовом и бескодовом режимах.
Специфической особенностью реализации синхронизатора, отличающей его от большинства западных аналогов (см. Thomas J.B. Interferometry Theory for the Block II Processor, JPL Publication 87-29, Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, California, October 1987 [7], Whitney A.R. Capabilities and Performance of the upgraded MarkIII Correlator System, IAU, The Earth's Rotation and Reference Frames for Geodesy and Geodynamics, 1988, pp.429-437 [8]), является использование энергозависимых программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), выполненных по технологии статического запоминающего устройства. Конфигурирование таких ПЛИС производится из микросхем энергонезависимой памяти при включении системного питания. Имеется возможность переконфигурирования ПЛИС в системе без выключения питания. Кроме того, решение задачи по созданию малогабаритного мощного РСДБ-процессора становится возможным при использовании современных технологий изготовления многослойных печатных плат, позволяющих производить разводку сверхсложных устройств в ограниченных габаритах.
Одним из технических требований к АПК «ПАРСЕК» является необходимость воспринимать РСДБ-данные, поступающие от любой из имеющихся, создаваемых и перспективных систем ввода данных. С этой целью в АПК «ПАРСЕК» в качестве входного интерфейса предусмотрен международный стандартный РСДБ-интерфейс VSI (VLBI standard interface).
Оперативные данные обработки хранятся с использованием информационно-файловой системы хранения данных, размещаются на удаленном сервере баз данных и доступны пользователям через локальную вычислительную сеть или Интернет и программу связи с СУБД системы вторичной обработки данных и центров анализа.
Ввод РСДБ-данных будет производиться от любой из штатных систем РСДБ-комплекса. В качестве примера на Фиг.2а приведена система воспроизведения на магнитных дисках Mark 5B (США), имеющая в качестве выходного стандартный интерфейс VSI. Для ввода данных от систем, не имеющих интерфейса VSI, потребуется дополнительное переходное устройство преобразования интерфейсов.
Для формирования пар цифровых сигналов, поступающих от системы воспроизведения в формате стандартного международного РСДБ-интерфейса VSI, используется модуль коммутатора баз. Выходные сигналы коммутатора через базовые интерфейсные модули БИМ поступают в базовые модули коррелятора. В корреляторе реализован принцип действия коррелятора запаздываний (XF-коррелятор). Он сможет параллельно обрабатывать одно- или двухбитовые цифровые потоки РСДБ-данных по 16 каналам со скоростью до 32 Мбит/с и для 64-х параллельных задержек в каждом канале одновременно для 6 базовых линий РСДБ-сети, состоящей из 4-антенн. Таким образом, максимальная скорость данных от каждой станции при использовании двухбитового представления выборки составляет 1 Гбит/с.
С помощью модуля коммутатора баз и внутренних коммутаторов в базовых модулях синхронизаторов эти основные возможности спецпроцессора могут быть использованы для программной реконфигурации матричной многомерной систолической структуры: «число баз» × «число каналов» × «число задержек в канале» ≤ «константа». Например, можно увеличить число баз при одновременном уменьшении числа каналов.
Выходные данные базовых корреляционных модулей через магистральную шину данных промышленного крейта CompactPCI поступают в управляющий одноплатный компьютер IBM PC PentiumIII и буферизуются на магнитном диске управляющего компьютера. Выходные массивы корреляционных данных передаются на постпроцессорную обработку и для вторичной обработки через локальную вычислительную сеть Ethernet.
В основу построения функциональной схемы (Фиг.3) спецпроцессора заложен принцип коррелятора запаздываний XF, определяющий базовый алгоритм, состоящий в первоначальном аппаратном вычислении значений взаимной корреляционной функции и последующем программном Фурье преобразовании выходного многомерного массива корреляционных данных.
Специфика обработки данных конкретного типа наблюдений связана с необходимостью выбора оптимальной программы управления синхронизатором, которая обеспечивает:
- коммутацию параллельной системы входных потоков цифровых данных в соответствии с моделью приемно-регистрирующей частью РСДБ-системы в базисе "число приемных и передающих станций - число частотных каналов",
- реализацию модели с расчетной погрешностью сопровождения по геометрической задержке и фазе на основе предвычисленных зависимостей разности дальностей для оптимальной пространственной фильтрации,
- вычисление автокорреляций или кросскорреляций с количеством параллельных каналов по задержке, обеспечивающим оптимальную частотную фильтрацию измеряемого сигнала или его спектральный анализ с необходимым частотным разрешением,
- когерентное накопление для заданного отношения «сигнал/шум»,
- оптимальную обработку с помощью программной системы постпроцессорной обработки.
Предлагаемый синхронизатор в режиме синтеза полосы позволяет повысить точность измерения групповой геометрической задержки и ее производных. Возможны два способа: параллельный, с применением многоканальных систем преобразования, и последовательный, когда единственный канал последовательно перестраивается по частоте в рабочей полосе премнорегистрирующей системы РСДБ-станции, принимая n фиксированных значений, циклически повторяющиеся в течение всего времени наблюдений. При этом перестройка производится синхронно для всех станций РСДБ-сети.
В синхронизаторе РСДБ-сети обработка данных должна соответствовать методу синтеза полосы, использовавшемуся в процессе записи РСДБ-данных. Для последовательного метода корреляционная обработка может производиться с помощью одноканального синхронизатора, в котором значения частоты интерференции перестраиваются в соответствии с законом перестройки частот на РСДБ-станциях.
На основе предложенных методов разработанный одноплатный синхронизатор может быть использован для настройки аппаратуры РСДБ-станций класса Mark4 по единой обобщенной методике корреляционного и спектрального анализа и обеспечить оперативный контроль внутренней когерентности всех частотно-временных преобразований в приемно-регистрирующей аппаратуре РСДБ-станций. Он может найти применение в антеннах, а также в системе для РСДБ-наблюдений навигационных ИСЗ.
Применение описанного синхронизатора в режиме мобильного коррелятора позволяет проводить обработку РСДБ и радиолокационных сигналов, наблюдений ИСЗ и космических аппаратов, создавать региональные центры обработки, проводить контроль взаимной когерентности сигналов РСДБ-комплекса и тестирование радиотехнических трактов. Возможна также организация РДСБ-наблюдений с быстрым получением отклика интерферометра на наблюдательном пункте. Наконец, возможно применение мобильного коррелятора в качестве универсального прецизионного прибора для измерений корреляционных и спектральных характеристик сигналов.
Неоспоримым преимуществом мобильного коррелятора являются его уникальные метрологические возможности и точность измерений, адекватная основной задаче высокоточных РСДБ-измерений и единая методическая основа корреляционных и спектральных измерений.
Разработанный синхронизатор, являющийся законченным многофункциональным устройством для корреляционной и спектральной обработки и готовый к серийному производству, обеспечивает корреляционную обработку в соответствии с современными требованиями.
Синхронизатор может работать с системой ввода данных на магнитных носителях, а также в режиме реального времени при приеме сигналов по оптическим линиям со скоростью данных до 1000 Мбит/с от каждой станции. Созданный синхронизатор может быть использован для создания современных контрольно-измерительных приборов спектрального анализа широкого класса детерминированных и случайных сигналов и процессов.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ СИСТЕМА РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ | 2005 |
|
RU2274953C1 |
| ГЛОБАЛЬНАЯ ВЫСОКОСКОРОСТНАЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННАЯ СИСТЕМА | 2000 |
|
RU2166234C1 |
| СПОСОБ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЗАИМНЫХ ВРЕМЕННЫХ ЗАДЕРЖЕК | 1991 |
|
RU2013789C1 |
| Станция колокации средств космической геодезии | 2020 |
|
RU2760829C1 |
| СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ВНЕЗЕМНЫХ ОБЪЕКТОВ РАДИОИНТЕРФЕРОМЕТРАМИ СО СВЕРХДЛИННЫМИ БАЗАМИ | 2016 |
|
RU2624638C1 |
| РАДИОИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ БЛИЖНЕГО И ДАЛЬНЕГО КОСМОСА И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ | 2016 |
|
RU2624912C1 |
| СПОСОБ СИНХРОНИЗАЦИИ ЧАСОВ | 1993 |
|
RU2040035C1 |
| СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЛАНЕТ | 2014 |
|
RU2554086C2 |
| МОДЕМ СИГНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ВРЕМЕНИ ПО ДУПЛЕКСНОМУ КАНАЛУ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ | 2016 |
|
RU2623718C1 |
| СПОСОБ ПОДАВЛЕНИЯ АКТИВНОЙ ПОМЕХИ И КОМПЛЕКС ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ | 2013 |
|
RU2549375C1 |
Изобретение относится к области радиоизмерительных систем и способов синхронизации пространственно-временных систем реального времени. Технический результат - повышение точности измерений. Данный способ работы синхронизатора, обрабатывающего сигналы многоэлементных синтезированных антенных решеток, позволяет проводить РСДБ-наблюдения для всех баз, образованных парами "синтезированная фазированная опорная РСДБ-сеть - малая антенна". Особенностью данного способа является то, что суммарный цифровой поток сигналов РСДБ-сети передается по оптическим и радиоканалам связи параллельно для всех РСДБ-станций с антеннами малого диаметра. Принципиально важным является то, что суммарный сигнал РСДБ-станций является сигналом не корреляционной, а фазированной антенной решетки, образованной опорной сетью РСДБ-станций. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.
| УСТРОЙСТВО ФАЗОВОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ ПРОСТРАНСТВЕННО РАЗНЕСЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ КОЛЕБАНИЙ | 1989 |
|
RU2024191C1 |
| СПОСОБ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЗАИМНЫХ ВРЕМЕННЫХ ЗАДЕРЖЕК | 1991 |
|
RU2013789C1 |
| ГЛОБАЛЬНАЯ ВЫСОКОСКОРОСТНАЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННАЯ СИСТЕМА | 2000 |
|
RU2166234C1 |
| ИВАНКИН В.Г., САЛЬНИКОВ А.И., Система телекоммуникационного обеспечения радиоинтерферометрического комплекса «КВАЗАР», интегрированная в глобальную сеть Internet., 1995, Сообщения ИПА РАН, №79, с.1-33. | |||
