КОГЕРЕНТНЫЙ ПРИЕМООТВЕТЧИК ФАЗОВОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ Российский патент 2008 года по МПК G01C21/24 

Изобретение относится к области астрономических и астрофизических исследований и может быть использовано при исследованиях дальнего и ближнего космоса, например, в космических аппаратах, являющихся составной частью наземно-космических интерферометров.

Из авторского свидетельства SU 1768979 известна интерферометрическая система для определения относительных координат космических аппаратов. Система включает два пространственно разнесенных приемных канала. Каждый из двух приемных каналов включает совокупность оборудования, образующего устройство приема и обработки информации. Устройство приема и обработки информации включает приемоответчик фазовой синхронизации, содержащий приемник, ограничитель амплитуды, совокупность блоков фильтрации и блоков обработки сигналов, кроме того, устройство приема и обработки информации включает подключенный к приемоответчику фазовой синхронизации стандарт частоты. При работе интерферометрической системы сигналы, излученные двумя космическими аппаратами, принимаются приемной антенной и поступают в приемоответчик фазовой синхронизации каждого из двух приемных каналов. Помимо сигналов от космических аппаратов в приемоответчик поступает сигнал от стандарта частоты. Обработанные в приемоответчике сигналы поступают в центр обработки для получения информации об относительном положении космических аппаратов. Устройство приема и обработки, входящее в состав известной из авторского свидетельства SU 1768979 интерферометрической системы, выбрано в качестве ближайшего аналога предлагаемого изобретения.

Устройство, известное из авторского свидетельства SU 1768979, не позволит получать изображения и сведения об угловых перемещениях астрономических объектов, кроме того, известное устройство не обеспечит требуемой точности определения координат при экстрабольшой базе между космическим аппаратом и наземными станциями слежения и управления.

Предлагаемое изобретение должно обеспечить получение сигнала на выходе бортового термостатированного управляемого напряжением кварцевого генератора (УГ2) когерентного входному запросному сигналу, формируемому от наземного водородного стандарта частоты - Н-мазера.

Дело в том, что в процессе работы бортовой аппаратуры частота сигнала бортового термостатированного управляемого напряжением кварцевого генератора (УГ2) изменяется относительно номинального значения частоты 2 (частота не стабильна, (f_ном) - номинальная частота). Система фазовой автоматической подстройки частоты (ФАЛ), входящая в состав радиоприемного устройства когерентного приемоответчика фазовой синхронизации, подстраивает частоту бортового термостатированного управляемого напряжением кварцевого генератора (УГ2) до номинального значения частоты 2.

Предложенное устройство (когерентный приемоответчик фазовой синхронизации) обеспечит фазовую синхронизацию бортовой научной аппаратуры космического аппарата наземно-космического интерферометра от наземного водородного стандарта частоты и определение радиальной скорости космического аппарата по доплеровскому сдвигу частоты.

Использование предложенного устройства в составе наземно-космического интерферометра:

обеспечит высокую чувствительность приемного тракта высокоинформативного радиоканала, в состав которого входит когерентный приемоответчик фазовой синхронизации;

позволит проводить наземные измерения фазы и доплеровского смещения частоты с различной длиной и ориентацией базы наземно-космического радиоинтерферометра по слабому сигналу.

В результате могут быть решены следующие практические задачи:

возможность фазовой синхронизации бортовой научной аппаратуры космического аппарата наземно-космического интерферометра от наземного водородного стандарта частоты по слабому сигналу (до минус 160 дБВт) на всей протяженности высокоапогейной орбиты полета космического аппарата (КА), радиус перигея 1600 км, радиус апогея до 350000 км;

определение радиальной скорости космического аппарата по доплеровскому сдвигу частоты.

Предложенный технический результат достигается тем, что предложено высокочувствительное радиоприемное устройство, входящее в состав приемоответчика фазовой синхронизации, и внешний бортовой водородный стандарт частоты (Н-мазер).

Когерентный приемоответчик фазовой синхронизации входит в состав высокоинформативного радиоканала (ВИРК) и расположен на борту космического аппарата. Он включает в себя радиоприемное устройство для приема запросного сигнала частотой 961 с наземной станции слежения и радиопередающее устройство для передачи ответного сигнала частотой 1120 с космического аппарата на наземную станцию слежения, где (f_ном) - номинальная частота.

В качестве стандарта частоты используется наземный водородный стандарт частоты (Н-мазер) и может быть использован высокостабильный Н-мазер, расположенный на борту космического аппарата, используемый вместо управляемого от наземного Н-мазера генератора (УГ2). Приемоответчик фазовой синхронизации включает радиоприемное устройство, включающее в себя радиоприемный модуль УВЧ (усилителя сверхвысокой частоты) с малой шумовой температурой, предварительный усилитель промежуточных частот (ПУПЧ), усилитель промежуточных частот (УПЧ), устройство фазовой автоматической подстройки частоты (ФАЛ) (включает в себя фазовый детектор (ФД2) (находится в составе блока УПЧ), петлю ФАЛ (PLL2), счетчики (СЧ1 и СЧ2), цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), делитель частоты на два, сумматор (∑), усилитель (УС9)), усилитель опорного сигнала 2, в состав которого входит бортовой термостатированный управляемый напряжением кварцевый генератор (УГ2); радиопередающее устройство.

Выход радиоприемного модуля УВЧ (усилителя высокой частоты) соединен с входом предварительного усилителя промежуточных частот (ПУПЧ).

Выход предварительного усилителя промежуточных частот (ПУПЧ) соединен с входом усилителя промежуточных частот (УПЧ).

Выходы усилителя промежуточных частот (УПЧ) соединены с устройством фазовой автоматической подстройки частоты (ФАЛ). А именно: первый выход УПЧ (выход компаратора (КОМП 2)) соединен с входом делителя частоты на 2; второй выход УПЧ (выход усилителя (УС7)) соединен с входом цифроаналогового преобразователя (ЦАП); третий выход УПЧ (выход фазового детектора (ФД2)) соединен с входом PLL (петля ФАЛ), по сути представляющей собой интегратор. Также с выходов усилителя промежуточных частот (УПЧ) снимают показания телеметрии выходной мощности (Р_вх) (на выходе усилителя, телеметрии захвата, а так же осуществляют контроль когерентного детектора захвата).

Первый выход устройства фазовой автоматической подстройки частоты (ФАЛ) соединен с первым входом усилителя опорного сигнала 2, а именно с первым входом бортового термостатированного управляемого напряжением кварцевого генератора (УГ2). Со второго выхода блока фазовой автоматической подстройки частоты (ФАЛ), а именно с выхода усилителя (УС9), снимают показания телеметрии расстройки сигнала по частоте.

Второй вход управляемого генератора (УГ2) (входящего в состав усилителя опорного сигнала 2) соединен с выходом вторичного источника питания (ВИП) блока ПФС (приемоответчика фазовой синхронизации). Выход управляемого генератора (УГ2) соединен с первым входом ключа переключения режимов. Второй вход ключа переключения режимов соединен с выходом водородного стандарта частоты (Н-мазера), расположенного на борту космического аппарата (КА). Выход ключа переключения режимов соединен с входом усилителя (УС 10), первый выход которого соединен с входом усилителя (УС 11) через ключ. Второй выход усилителя (УС10) соединен с компараторами (КОМП1 и КОМП2) предварительного усилителя промежуточных частот (ПУПЧ) и усилителя промежуточных частот (УПЧ) соответственно. Третий выход усилителя (УС10) соединен с входом радиопередающего устройства передачи ответного сигнала с космического аппарата на наземную станцию слежения, а именно с фазовым детектором (ФД3).

Радиопередающее устройство передачи ответного сигнала с космического аппарата на наземную станцию слежения соединено с радиоприемным модулем УВЧ (усилителя сверхвысокой частоты), т.к. блок формирования частоты передатчика на 1120 используется в качестве гетеродина радиоприемного модуля УВЧ. Радиопередающее устройство передачи ответного сигнала с космического аппарата на наземную станцию слежения соединено с входом антенного переключателя (АП), осуществляющего переключение полукомплектов радиопередающего устройства (всего два полукомплекта). Так же с радиопередающего устройства передачи ответного сигнала с космического аппарата на наземную станцию слежения, а именно с выхода амплитудного детектора (АД2), снимается телеметрия выходной мощности (Р_вых).

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена структурная схема устройства.

Когерентный приемоответчик фазовой синхронизации включает в себя радиоприемное устройство 1 для приема запросного сигнала с наземной станции слежения, радиопередающее устройство 2 для передачи ответного сигнала с космического аппарата на наземную станцию слежения. Структурная схема когерентного приемоответчика фазовой синхронизации построена по принципу полного совмещения трактов умножения передающего устройства и гетеродинов приемного устройства.

Когерентный приемоответчик фазовой синхронизации преобразует входной сигнал в диапазоне 961 в ответный выходной сигнал в диапазоне 1120, используемый для синхронизации бортового термостатированного управляемого напряжением кварцевого генератора частоты (УТ2) 47 с наземным водородным стандартом частоты (Н-мазером), а также используется для проведения измерений баллистических параметров космического аппарата (скорость, ускорение, координаты (с точностью до 1 см)). Для уменьшения дрейфа фазы ответного сигнала частотой 1120 схема частотных преобразований когерентного приемоответчика фазовой синхронизации выполнена с последовательно соединенными тремя преобразователями частоты (радиоприемным модулем УВЧ (усилителя сверхвысокой частоты) 3 и предварительным усилителем промежуточных частот 4, усилителем промежуточных частот 5) и устройством (схемой) фазовой автоматической подстройки несущей частоты (ФАЛ) 6 по принципу полного совмещения трактов умножения радиопередающего устройства и гетеродина радиоприемного устройства.

Радиоприемный модуль УВЧ (усилителя сверхвысокой частоты) 3 включает в себя волноводный переключатель полукомплектов 8, малошумящий усилитель (МШУ) 9, полосовой фильтр (Ф1) 10, смеситель (СМ1) 11, полосовой фильтр (Ф2) 12, усилитель (УС1) 13.

Вход радиоприемного модуля УВЧ 3 соединен с приемо-передающей антенной космического аппарата (КА). На входе радиоприемного модуля УВЧ 3 расположен волноводный переключатель полукомплектов 8, с выходом которого соединен малошумящий усилитель (МШУ) 9. Волноводный переключатель полукомплектов 8 также соединен с блоком логики и коммутации (БЛИК), с которого подается функциональная команда на переключение полукомплектов. Выход малошумящего усилителя (МШУ) 9 соединен с входом полосового фильтра (Ф1) 10. Выход полосового фильтра (Ф1) 10 соединен со смесителем (СМ1) 11, выход которого соединен с входом полосового фильтра (Ф2) 12. Выход полосового фильтра (Ф2) 12 соединен с первым входом усилителя (УС1) 13. Второй вход смесителя (СМ1) 11 соединен с первым выходом датчика мощности (ДМ2) 66 радиопередающего устройства 2. С первого выхода датчика мощности (ДМ2) 66 на смеситель (СМ1) 11 подается опорный сигнал частотой 1120.

Предварительный усилитель промежуточных частот (ПУПЧ) 4 включает в себя смеситель (СМ2) 14, усилитель (УС3) 18, полосовой фильтр (ПФ1) 21, усилитель (УС4) 24, компаратор (КОМП 1) 25, фазовый детектор (ФД1) 23, программируемый делитель частоты (:75) 20, пик-контроллер (Pic С) 17, петлю ФАЛ (PLL1) 22, управляемый генератор (УГ1) 19, резистивный делитель мощности (R ДМ) 16, усилитель (УС2) 15.

Первый вход смесителя (СМ2) 14 соединен с выходом усилителя (УС1) 13 из состава радиоприемного модуля УВЧ 3. Второй вход смесителя (СМ2) 14 соединен с выходом усилителем (УС2) 15, вход которого соединен с первым выходом резистивного делителя мощности (R ДМ) 16. Второй выход резистивного делителя мощности (R ДМ) 16 соединен с первым входом программируемого делителя частоты (:75) 20. Вход резистивного делителя мощности (R ДМ) 16 соединен с выходом управляемого генератора (УГ1) 19. Вход управляемого генератора (УГ1) 19 соединен с выходом петли ФАЛ (PLL1) 22. Вход петли ФАЛ (PLL1) 22 соединен с выходом фазового детектора (ФД1) 23, первый вход которого соединен с выходом компаратора (КОМП 1) 25, а второй - с выходом программируемого делителя частоты (:75) 20. Вход компаратора (КОМП 1) 25 соединен со вторым выходом усилителя (УС10), входящего в состав усилителя опорного сигнала 2 7. Второй вход делителя частоты (:75) 20 соединен с выходом пик-контроллера (Pie С) 17.

Усилитель промежуточных частот (УПЧ) 5 включает в себя смеситель (СМЗ) 26, усилитель (УС5) 28, полосовой фильтр (ФЗ) 29, усилитель (УС6) 31, фазовый детектор (ФД2) 34, делитель частоты на два 35, компаратор (КОМП 2) 30, компаратор (КОМП 3) 36, полосовой фильтр (ПФ2) 27, усилитель (УС7) 37, усилитель (УС8) 38, усилитель постоянного тока (УПТ) 33, амплитудный детектор (АД1) 32.

Первый вход смесителя (СМ3) 26 соединен с выходом усилителя (УС4) 24 из состава предварительного усилителя промежуточных частот 4. Второй вход смесителя (СМ3) 26 соединен с выходом полосового фильтра (ПФ2) 27, вход которого соединен с первым выходом компаратора (КОМП 2) 30. Второй выход компаратора (КОМП 2) 30 соединен с входом делителя частоты на два 35 и с входом делителя частоты на два 39 (из состава блока ФАП 6). Вход компаратора (КОМП 2) 30 соединен со вторым выходом усилителя (УС10) 49, входящего в состав усилителя опорного сигнала 2.

Выход смесителя (СМ3) 26 соединен с первым входом усилителя (УС5) 28. Со вторым входом усилителя (УС5) 28 соединен выход амплитудного детектора (АД1) 32. Выход усилителя (УС5) 28 соединен с входом полосового фильтра (Ф3) 29. Выход полосового фильтра (Ф3) 29 соединен с первым входом усилителя, регулирующего напряжение схемы АРУ (УС6) 31. Второй вход усилителя, регулирующего напряжение схемы АРУ (УС6) 31 соединен с выходом амплитудного детектора (АД1) 32, вход которого соединен с выходом усилителя, регулирующего напряжение схемы АРУ (УС6) 31. Выход амплитудного детектора (АД1) 32 соединен со вторым входом усилителя (УС5) 28, а также со вторым входом усилителя, регулирующего напряжение схемы АРУ (УС6) 31, и с входом усилителя постоянного тока (УПТ) 33. С выхода усилителя постоянного тока (УПТ) 33 снимается телеметрия входной мощности (ТМ Р_вх). Выход усилителя, регулирующего напряжение АРУ (УС6) 31 также соединен с первым входом фазового детектора (ФД2) 34. Второй вход фазового детектора (ФД2) соединен с выходом делителя частоты на два 35. Первый выход фазового детектора (ФД2) 34 соединен с входом петли ФАП (PLL2) 44, входящей в состав блока фазовой автоматической подстройки частоты (ФАП) 6, а второй выход фазового детектора (ФД2) 34 соединен с входом компаратора (КОМП 3) 36 и с входом усилителя (УС8) 38. На выходе усилителя (УС8) 38 осуществляется контроль режима "захват" (контроль когерентного детектора захвата). Выход компаратора (КОМП 3) 36 соединен с входом усилителя (УС7) 37, с первого выхода которого снимают показания телеметрии захвата. Второй выход усилителя (УС7) 37 соединен с первым входом цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 43 и с ключом 40, входящими в состав блока 0 фазовой автоматической подстройки частоты (ФАП) 6.

Блок фазовой автоматической подстройки частоты (ФАЛ) 6 включает в себя делитель частоты на два 39, ключ (КЛ) 40, счетчики (СЧ1 41 и СЧ2 42), цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 43, сумматор (Σ) 45, петлю ФАП (PLL2) 44, усилитель (УС9) 46.

Вход делителя частоты на два 39 соединен со вторым выходом компаратора (КОМП 2) 30, входящего в состав усилителя промежуточных частот (УПЧ) 5. Выход делителя частоты на два 39 соединен с первым входом ключа 40. Второй вход ключа 40 соединен с вторичным источником питания блока приемоответчика фазовой синхронизации (ПФС) 52. Выход ключа 40 соединен с входом счетчика (СЧ1) 41, первый выход которого соединен с входом счетчика (СЧ2) 42, а второй выход соединен со вторым входом цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 43. Выход цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 43 соединен со вторым входом сумматора (Σ) 45. Первый вход сумматора (Σ) 45 соединен с выходом петли ФАП (PLL2) 44, вход которой соединен с первым выходом фазового детектора (ФД2) 34, входящего в состав усилителя промежуточных частот (УПТ) 5. Выход сумматора (Σ) 45 соединен с входом усилителя (УС9) 46 и с входом бортового управляемого напряжением генератора (УГ2) 47, входящего в состав усилителя опорного сигнала 2 7. С выхода усилителя (УС9) 46 снимается телеметрия расстройки по частоте.

Усилитель опорного сигнала 2 7 включает в себя бортовой термостатированный управляемый напряжением кварцевый генератор (УГ2) 47, ключ переключения режимов 48, усилитель (УС10) 49, ключ 50, усилитель (УС11)51.

Первый вход бортового термостатированного управляемого напряжением кварцевого генератора (УГ2) 47 соединен с выходом сумматора (Σ) 45, входящего в состав блока фазовой автоматической подстройки частоты (ФАП) 6. Второй вход бортового термостатированного управляемого напряжением кварцевого генератора (УГ2) 47 соединен с выходом вторичного источника питания блока ПФС (приемоответчика фазовой синхронизации) 52. Выход бортового термостатированного управляемого напряжением кварцевого генератора (УГ2) 47 соединен с первым входом ключа переключения режимов 48. Второй вход ключа переключения режимов 48 соединен с выходом водородного стандарта частоты (Н-мазера) 53, расположенного на борту космического аппарата (КА). Выход ключа переключения режимов 48 соединен с входом усилителя (УС10) 49, первый выход которого соединен с первым входом ключа 50. Второй выход усилителя (УС10) 49 соединен с компаратором (КОМП1) 25 предварительного усилителя промежуточных частот (ПУПЧ) 4 и компаратором (КОМП2) 30 усилителя промежуточных частот (УПЧ) 5. Третий выход усилителя (УС10) 49 соединен с входом радиопередающего устройства приемоответчика фазовой синхронизации (ПФС), предназначенного для передачи ответного сигнала с космического аппарата на наземную станцию слежения, а именно с входом фазового детектора (ФД3) 54. Второй вход ключа 50 соединен с выходом вторичного источника питания блока ПФС (приемоответчика фазовой синхронизации) 52. Выход ключа 50 соединен с входом усилителя (УС11) 51. Первый выход усилителя (УС11) 51 соединен со вторым полукомплектом приемоответчика фазовой синхронизации (ПФС), а второй выход соединен с системой.

Радиопередающее устройство блока ПФС (приемоответчика фазовой синхронизации) 2, предназначенное для передачи ответного сигнала с космического аппарата на наземную станцию слежения, включает в себя фазовый детектор (ФД3) 54, петли ФАЛ (PLL3) 55, управляемый генератор (УГ3) 56, резистивный делитель мощности (R ДМ) 57, программируемый делитель частоты (:280), пик-контроллер (Pic С) 59, усилитель (УС12) 58, умножитель частоты на два 61, полосовой фильтр (Ф4) 62, усилитель (УС13) 63, датчик мощности (ДМ1) 64, усилитель мощности (УМ) 65, датчик мощности (ДМ2) 66, амплитудный детектор (АД2) 67, вторичный источник питания (ВИП) 68.

Первый вход фазового детектора (ФД3) 54 соединен с третьим выходом усилителя (УС10) 49, входящего в состав усилителя опорного сигнала 2 7. Второй вход фазового детектора (ФД3) 54 соединен с выходом программируемого делителя частоты (:280) 60. Выход фазового детектора (ФД3) 54 соединен с входом петли ФАП (PLL3) 55. Выход петли ФАП (PLL3) 55 соединен с входом управляемого генератора (УГ3) 56. Выход управляемого генератора (УГ3) 56 соединен с входом резистивного делителя мощности (R ДМ) 57. Первый выход резистивного делителя мощности (R ДМ) 57 соединен с первым входом программируемого делителя частоты (:280) 60. Второй выход резистивного делителя мощности (R ДМ) 57 соединен с входом усилителя (УС12) 58. Второй вход программируемого делителя частоты (:280) 60 соединен с выходом пик-контроллера (Pic С) 59. Выход усилителя (УС12) 58 соединен с входом умножителя частоты на два 61. Выход умножителя частоты на два 61 соединен с входом полосового фильтра (Ф4) 62. Выход полосового фильтра (Ф4) 62 соединен с входом усилителя (УС 13) 63, выход которого соединен с входом датчика мощности (ДМ1) 64. Первый выход датчика мощности (ДМ1) 64 соединен с входом усилителя мощности (УМ) 65, а второй выход датчика мощности (ДМ1) 64 соединен с входом датчика мощности (ДМ2) 66. Выход усилителя мощности (УМ) 65 соединен с антенным переключателем (АП) 69, с которым соединен второй полукомплект радиопередающего устройства блока ПФС. На антенный переключатель (АП) 69 подается функциональная команда на переключение полукомплектов радиопередающего устройства от БЛИК (блока логики и коммутации). Первый выход датчика мощности (ДМ2) 66 соединен со вторым входом смесителя (СМ1) 11, входящего в состав радиоприемного модуля УВЧ. С выхода датчика мощности (ДМ2) 66 на смеситель (СМ1) 11 подается опорный сигнал частотой 1120. Второй выход датчика мощности (ДМ2) 66 соединен с входом амплитудного детектора (АД2) 67, с выхода которого снимается телеметрия выходной мощности (Р_вых). Питание на узлы радиопередающего устройства подается с вторичного источника питания (ВИЛ) 68.

Блок логики и коммутации (БЛИК) осуществляет подачу напряжения бортсети (БС), подачу функциональных команд (ФК) на узлы когерентного приемоответчика фазовой синхронизации (ПФС), а также снятие показаний телеметрии и необходим для последующей передачи телеметрии с борта космического аппарата на наземную станцию слежения.

Когерентный приемоответчик фазовой синхронизации (ПФС) работает следующим образом.

Выходной сигнал радиопередающего устройства 2 может быть сформирован от бортового термостатированного управляемого напряжением кварцевого генератора (УГ2) 47, входящего в состав радиоприемного устройства 1 когерентного приемоответчика фазовой синхронизации (ПФС), синхронизированного с наземной станцией слежения посредством наземного водородного стандарта частоты (Н-мазера). При этом сигнал от передающего устройства 2 представляет собой чистую несущую. Для переключения режимов работы когерентного приемоответчика фазовой синхронизации предназначен ключ переключения режимов 48, входящий в состав радиоприемного устройства 2, а именно в состав цепи фазовой синхронизации (конкретно, в состав усилителя опорного сигнала 2 7).

При использовании наземного водородного стандарта частоты (Н-мазера) сигнал от наземного Н-мазера поступает на вход передатчика наземной станции слежения. В наземном передатчике формируется запросный сигнал. Запросный сигнал поступает на наземную приемо-передающую антенну, которая передает данный сигнал на борт космического аппарата на частоте 961. Сигнал принимается бортовой приемо-передающей антенной. С бортовой приемо-передающей антенны сигнал поступает в бортовое радиоприемное устройство 2, а именно в радиоприемный модуль УВЧ (усилитель сверхвысокой частоты) 3.

Фактически сигнал с бортовой приемо-передающей антенны поступает на вход волноводного переключателя полукомплектов 8, посредством которого осуществляется переключение полукомплектов радиоприемного устройства. Далее, сигнал поступает на вход малошумящего усилителя (МШУ) 9, выполняющий функцию усиления частоты входного радиосигнала. С выхода малошумящего усилителя (МШУ) 9 сигнал поступает на вход полосового фильтра (Ф1) 10, в котором происходит обработка радиосигнала. С выхода полосового фильтра (ПФ1) 10 радиосигнал поступает на первый вход смесителя (СМ1) 11, который входит в состав преобразователя частоты радиоприемного модуля УВЧ 3. В состав преобразователя частоты помимо смесителя входит генератор опорной частоты (гетеродин). Роль генератора опорной частоты в преобразователе частоты радиоприемного модуля УВЧ 3 выполняет блок формирования частоты (БФЧ) передающего устройства 2 когерентного приемоответчика фазовой синхронизации. В данном случае опорный сигнал формируется на выходе управляемого генератора (УГ3) радиопередающего устройства 2 и подается на второй вход смесителя (СМ1) 11, входящего в состав радиоприемного модуля УВЧ 3, с выхода датчика мощности (ДМ2) 66, входящего в состав радиопередающего устройства 2, после ряда преобразований в радиопередающем устройстве блока ПФС. В преобразователе частоты, на выходе смесителя (СМ1) 11, выполняется функция переноса входного радиосигнала из диапазона несущей частоты в диапазон промежуточной частоты. Причем для обеспечения синхронизации бортовой аппаратуры от наземного стандарта частоты (Н-мазера) частота опорного сигнала в радиоприемном устройстве 1 (в преобразователе частоты) когерентного приемоответчика фазовой синхронизации должна быть кратна частоте несущего (запросного) сигнала. Особо стоит отметить, что опорная частота гетеродина кратна четному коэффициенту (1120), а частота входного сигнала кратна нечетному коэффициенту (961). Это необходимо для того, чтобы избежать наводок от гетеродина (УГ3) 56 на радиоприемный модуль УВЧ 3, так как данные наводки могут вызвать смещение сигнала по фазе, что недопустимо. Аналогично устроены и остальные два преобразователя частоты. С выхода смесителя (СМ1) 11 сигнал поступает на вход полосового фильтра (Ф2) 12, который выделяет сигнал кратный по частоте коэффициенту 159 (159). С выхода полосового фильтра (Ф2) 12 сигнал поступает на вход усилителя (УС1) 13, усиливающего сигнал по напряжению.

Далее, с выхода усилителя (УС1) 13 сигнал частотой 159 поступает в предварительный усилитель промежуточных частот (ПУПЧ) 4, который усиливает частоту входного сигнала на промежуточной частоте, а именно на первый вход смесителя (СМ2) 14. На второй вход смеситель (СМ2) 14 с выхода усилителя (УС2) 15 поступает опорный сигнал частотой 150. Данный опорный сигнал формируется следующим образом. На второй вход предварительного усилителя промежуточных частот (ПУПЧ) 4, а именно на вход компаратора (КОМП 1) 25, поступает аналоговый сигнал частотой 2 со второго выхода усилителя (УС 10) 49, входящего в состав усилителя опорного сигнала 2 7.

С выхода компаратора (КОМП 1) 25 сигнал частотой 2 поступает на первый вход фазового детектора (ФД1) 23. На второй вход фазового детектора (ФД1) 23 поступает сигнал частотой 2 с выхода программируемого делителя (:75) 20. С выхода фазового детектора (ФД1) 23 сигнал частотой 2 поступает на вход петли ФАЛ (PLL1) 22, представляющей собой интегратор, с выхода которого управляющий сигнал поступает на вход управляемого напряжением генератора (УГ1) 19, вырабатывающего сигнал частотой 150. С выхода управляемого напряжением генератора (УГ1) 19 сигнал частотой 150 поступает на вход резистивного делителя мощности (R ДМ) 16, который делит сигнал на два потока (частота каждого из которых 150), один из которых поступает на вход усилителя (УС2) 15, а другой - на первый вход программируемого делителя частоты (:75) 20. На второй вход программируемого делителя частоты (:75) 20 поступает сигнал от пик-контроллер (Pic С) 17, который устанавливает коэффициент деления частоты на программируемом делителе частоты (:75) 20. Дело в том, что фазовый детектор (ФД1) 23 сравнивает фазы сигналов от управляемого напряжением генератора (УГ2) и управляемого напряжением генератора (УГ1) на частоте 2. С выхода усилителя (УС2) опорный сигнал частотой 150 поступает на второй вход смесителя (СМ2) 14. Здесь опорная частота кратна четному коэффициенту (150), а частота входного сигнала кратна нечетному коэффициенту (159). Это необходимо, как было отмечено выше, для того, чтобы избежать наводок от гетеродина на усилитель промежуточных частот (УПЧ) 5, так как данные наводки могут вызвать смещение сигнала по фазе. С выхода смесителя (СМ2) 14 сигнал через усилитель (УС3) 18 поступает на вход полосового фильтра (ПФ1) 21, который преобразует входной сигнал в сигнал частотой 9. С выхода полосового фильтра (ПФ1) 21 сигнал частотой 9 через усилитель (УС4) 24 поступает на вход усилителя промежуточных частот (УПЧ) 5, усиливающего частоту входного сигнала на промежуточной частоте, а именно на первый вход смесителя (СМ3) 26.

На второй вход смесителя (СМ3) 26 подается опорный сигнал частотой 10 с выхода полосового фильтра (ПФ2) 27, на вход которого поступает сигнал частотой 2 с первого выхода компаратора (КОМП 2) 30. Сигнал гетеродина на втором входе смесителя формируется как пятая гармоника опорной частоты 2, выделенная в полосовом фильтре (ПФ2) 27 на частоте 10. На вход фильтра поступает сигнал типа «меандр» с первого выхода компаратора (КОМП 2) 30 с достаточным уровнем 5-й гармоники. Компаратор (КОМП 2) 30 формирует сигнал типа «меандр» и преобразует аналоговый сигнал в цифровой сигнал в формате ТТЛ. Аналоговый сигнал частотой 2 поступает на вход компаратора (КОМП 2) 30 со второго выхода усилителя (УС10) 49, входящего в состав усилителя опорного сигнала 2 7. Со второго выхода компаратора (КОМП 2) 30 цифровой сигнал частотой 2 поступает на вход делителя частоты на два 35 и на вход делителя частоты на два 39, входящего в состав блока фазовой автоматической подстройки частоты (ФАЛ) 6. С выхода смесителя (СМ3) 26 преобразованный сигнал поступает на вход усилителя (УС5) 28, на второй вход которого подается сигнал с выхода амплитудного детектора (АД1) 32, а далее на вход полосового фильтра (Ф3) 29, где он преобразуется в сигнал частотой 1. С выхода полосового фильтра (ФЗ) 29 сигнал частотой 1 поступает на вход усилителя (УС6) 31, регулирующего напряжение схемы автоматической регулировки усиления (АРУ), на второй вход которого поступает сигнал с выхода амплитудного детектора (АД1) 32. Усилитель (УС5) 28, полосовой фильтр (Ф3) 29, усилитель (УС6) 31, амплитудный детектор (АД1) 32 и усилитель постоянного тока (УПТ) 33 образуют схему автоматической регулировки усиления (АРУ). Дело в том, что на входе радиоприемного устройства 1 когерентного приемоответчика фазовой синхронизации (ПФС) мощность входного сигнала мала (-60...-130 дБм), а на входе фазового детектора (ФД2) 34 должен быть достаточный уровень сигнала. Схема АРУ должна обеспечить на входе фазового детектора (ФД2) 34 необходимое значение уровня входного сигнала. Соответственно, динамический диапазон АРУ должен быть приблизительно равен 70 дБ. Выходное напряжение схемы АРУ используется как контроль уровня входного сигнала. Телеметрия входной мощности (ТМ Р_вх) поступает на блок логики и коммутации (БЛИК) после усилителя постоянного тока (УПТ) 33. Напряжение телеметрии ТМ Р_вх пропорционально напряжению схемы АРУ (автоматической регулировки усиления) и, соответственно, уровню входного сигнала. По сути, на выходе усилителя промежуточных частот (УПЧ) 5 проверяют: есть сигнал или нет сигнала на выходе схемы АРУ (автоматической регулировки усиления), и если сигнал есть, то какой уровень входного сигнала.

Несущий сигнал частотой 1 с выхода усилителя (УС6) 31 поступает на первый вход фазового детектора (ФД2) 34 (по сути, перемножителя сигналов), состоящего из двух фазовых детекторов, сдвинутых относительно друг друга на 90°. На второй вход фазового детектора (ФД2) 34, по сути квадратурного фазового детектора, поступает опорный сигнал частотой 1, сформированный бортовым термостатированным управляемым напряжением кварцевым генератором (УГ2) 47 и переданный на вход фазового детектора (ФД2) 34 посредством усилителя (УС10) 49, компаратора (КОМП 2) 30 и делителя частоты на два 35. Два входных сигнала частотой 1 сравниваются по фазе. Фактически частота бортового термостатированного управляемого напряжением кварцевого генератора (УГ2) 47 сравнивается с частотой наземного водородного стандарта частоты (Н-мазера) и при несоответствии частотных параметров выполняется подстройка бортового термостатированного управляемого напряжением кварцевого генератора (УГ2) (УГ2) 47. Так как фазовый детектор (ФД2) 34 состоит из двух фазовых детекторов, смещенных по фазе на 90° относительно друг друга, то и выходов у него два. С первого выхода фазового (ФД2) 34 сигнал поступает на вход петли ФАП (PLL2) 44, входящего в состав блока фазовой автоматической подстройки частоты (ФАП) и представляющего собой интегратор. Второй выход фазового детектора (ФД2) 34 соединен с входом компаратора (КОМП 3) 36, представляющего собой схему сравнения постоянных уровней входных сигналов в режиме "захват", и с входом усилителя (УС8) 38, на выходе которого осуществляется контроль режима "захват". По сути, схемой сравнения постоянных уровней (КОМП 3) 36 осуществляется остановка поиска по частоте несущего сигнала. Как только несущий сигнал найден, поиск останавливается. С выхода компаратора (КОМП 3) 36 через усилитель (УС7) 37 поступает на вход цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 43, входящего в состав блока фазовой автоматической подстройки частоты (ФАЛ) 6. С выхода усилителя (УС7) 37 снимается телеметрия захвата несущего сигнала (ТМ захвата). Если входного сигнала нет, то показатель - ноль (0), если входной сигнал захвачен, то показатель - единица (1). Данные телеметрии поступают в блок логики и коммутации (БЛИК), посредством которого через бортовую приемо-передающую антенну КА (космического аппарата) поступают на приемо-передающую антенну наземной станции слежения.

Получение на выходе бортового термостатированного управляемого напряжением кварцевого генератора (УГ2) 47 сигнала когерентного входному запросному сигналу, формируемому от наземного водородного стандарта частоты - Н-мазера, обеспечивается устройством фазовой автоматической подстройки частоты (ФАП) 6.

Выходное напряжение квадратурного фазового детектора (ФД2) 34 определяется разностью фаз сигналов наземного водородного стандарта частоты (Н-мазера) и бортового термостатированного управляемого напряжением кварцевого генератора (УГ2) 47. Чем выше разность фаз входных сигналов, тем выше значение постоянного напряжения, вырабатываемого фазовым детектором (ФД2) 34.

Со второго выхода компаратора (КОМП 2), представляющего собой аналого-цифровой преобразователь, цифровой сигнал частотой 2 поступает на вход делителя частоты на два 39, входящего в состав блока фазовой автоматической подстройки частоты (ФАЛ) 6. А с выхода делителя частоты на два 39 сигнал частотой 1 поступает через ключ 40 на счетчики СЧ1 41 и СЧ2 42, задача которых поделить сигнал до низкой частоты (НЧ), так как период пилообразного напряжения на выходе ЦАП Т=2...3 секунды. Здесь счетчики требуются для формирования периода пилообразного напряжения на выходе ЦАП и для обеспечения плавности пилообразного напряжения на выходе ЦАП. С выходов счетчиков сигнал поступает на вход цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 43. На другой вход ЦАП 43 с выхода компаратора (КОМП 3) 36, входящего в состав усилителя промежуточных частот (УПЧ) 5, через усилитель (УС7) 37 подается сигнал "захват". Когда на вход ЦАП 43 поступает сигнал "захват" - работа ЦАП останавливается. Одновременно с этим сигнал "захват" поступает на ключ (КЛ) 40, который при этом закрывается. Таким образом сигнал частотой 1 не подается на счетчики СЧ1 и СЧ2.

Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 43 преобразует цифровой сигнал в аналоговый сигнал и передает его на второй вход сумматора (Σ) 45. Выходное напряжение фазового детектора (ФД2) 34, снятое с первого выхода, через петлю ФАЛ (фазовой автоматической подстройки частоты) (PLL2) 44 воздействует на сумматор (Σ) 45. Сумматор (Σ) 45 формирует управляющий сигнал (управляющее напряжение). С выхода сумматора (Σ) 45 управляющий сигнал поступает на первый вход бортового термостатированного управляемого напряжением кварцевого генератора (УГ2) 47, входящего в состав усилителя опорного сигнала 2 7. Этот управляющий сигнал изменяет реактивность, вносимую в контур управляемого генератора (УГ2) 47, а следовательно, и частоту управляемого генератора (УГ2) 47, приближая его к частоте наземного стандарта частоты (Н-мазера).

С выхода сумматора (Σ) 45 сигнал поступает на вход усилителя (УС9) 46, с выхода которого снимают показания телеметрии расстройки по частоте, по сути снимают значение уровня управляющего напряжения, подаваемого на бортовой термостатированный управляемый напряжением кварцевый генератор (УГ2) 47.

Бортовой термостатированный управляемый напряжением кварцевый генератор (УГ2) 47 формирует сигнал частотой 2, который через ключ переключения режимов 48 подается на вход усилителя (УС10) 49. С первого выхода усилителя УС (УС10) 49 через ключ 50 и усилитель (УС11)51 сигнал частотой 2 поступает на второй полукомплект когерентного приемоответчика фазовой синхронизации (УФС) 7 и на систему КА в целом. Со второго выхода усилителя (УС10) 49 сигнал частотой 2 подается на радиоприемное устройство 1, а именно на предварительный усилитель промежуточных частот (ПУПЧ) 4 и на усилитель промежуточных частот (УПЧ) 5. С третьего выхода усилителя (УС10) 49 сигнал частотой 2 подается на радиопередающее устройство 2.

Ответный сигнал, сформированный в когерентном приемоответчике фазовой синхронизации, через радиопередающее устройство 2 (посредством бортовой приемо-передающей антенны) передается на приемо-передающую антенну наземной станции слежения.

Сигнал частотой 2 с выхода усилителя (УС10) 49 подается на первый вход фазового детектора (ФД3) 54, на второй вход которого подается сигнал частотой 2 с выхода программируемого делителя частоты (:280) 60. Фазовый детектор (ФД3) 54 вырабатывает постоянное напряжение, которое подается на вход петли ФАЛ (PLL3) 55, посредством которой осуществляется воздействие на управляемый напряжением генератор (УГ3) 56, а именно подстройка данного генератора от бортового термостатированного управляемого напряжением кварцевого генератора (УГ2) 47 (либо от высокостабильного водородного стандарта частоты (Н-мазера) 53, расположенного на борту космического аппарата). Питание на бортовой термостатированный управляемый напряжением кварцевый генератор (УГ2) 47 подается с выхода вторичного источника питания блока ПФС 52.

Управляемый напряжением генератор (УГ3) 56 вырабатывает сигнал частотой 560, который поступает на вход резистивного делителя мощности (R ДМ) 57, который делит мощность входного сигнала. Сигнал частотой 560 с первого выхода резистивного делителя мощности (R ДМ) 57 поступает на вход программируемого делителя (:280) 60, где делится до сигнала частотой 2, так как именно на этой частоте происходит сравнение входных сигналов фазовым детектором (ФД3) 54. Пик-контроллер (Pic С) 59 устанавливает коэффициент деления программируемого делителя частоты (:280) 60. Со второго выхода резистивного делителя мощности (R ДМ) 57 сигнал частотой 560 поступает через усилитель (УС12) 58 на вход умножителя частоты умножителя частоты на два (Х2) 61. Сигнал частотой 1120 с выхода умножителя частоты на два (Х2) 61 поступает на вход усилителя мощности (УМ) 65 через фильтр (Ф4) 62, усилитель (УС13) 63 и датчик мощности (ДМ1) 64. Датчик мощности (ДМ1) 64 детектирует мощность сигнала на входе усилителя мощности (УМ) 65. Второй выход датчика мощности (ДМ1) 66 соединен с датчиком мощности (ДМ2) 66, один выход которого соединен с амплитудным детектором (АД2) 67, а другой с входом смесителя (СМ1) 11, входящего в состав радиоприемного модуля УВЧ 3. С выхода датчика мощности (ДМ2) 66 на вход смесителя (СМ1) 11 подается сигнал частотой 1120 в качестве опорного сигнала. С выхода амплитудного детектора (АД2) 67 снимается телеметрия мощности выходного сигнала (ТМ Р_вых), по сути проверяется уровень сигнала на выходе радиопередающего устройства. Вторичный источник питания (ВИП) 68 подает питание на узлы радиопередающего устройства.

С выхода усилителя мощности (УМ) 65 сигнал частотой 1120 поступает на вход антенного переключателя (АП) 69, выход которого соединен с бортовой приемо-передающей антенной. Антенный переключатель полукомплектов 8 соединен со вторым полукомплектом радиопередающего устройства 2, а также с блоком логики и коммутации (БЛИК), с которого подается функциональная команда на переключение полукомплектов.

По сути, в радиопередающем устройстве 2 осуществляется преобразование частоты опорного сигнала 2 в сигнал с заданной частотой 1120.

При использовании водородного стандарта частоты (Н-мазера) 53, расположенного на борту космического аппарата, радиоприемное устройство 1 когерентного приемоответчика фазовой синхронизации не задействовано, так как нет необходимости и возможности управления бортовым водородным стандартом частоты (Н-мазером) 53, работает только радиопередающее устройство 2. В этом случае водородный стандарт частоты (Н-мазера) 53 задает сигнал, который через ключ переключения режимов 49 поступает на усилитель (УС10) 49, с третьего выхода которого сигнал частотой 2 поступает на вход фазового детектора (ФД3) 54, входящего в состав радиопередающего устройства 2. Одновременно ключ переключения режимов 49 отключает бортовой управляемый напряжением генератор (УГ2) 47.

Ответный сигнал частотой 1120, сформированный от термостатированного управляемого напряжением кварцевого генератора (УГ2) 47 или высокостабильного водородного стандарта частоты (Н-мазера) 53, расположенных на борту космического аппарата (бортового УГ2 или бортового Н-мазера), передается на наземную станцию слежения (потребителю) по каналу "борт-Земля". Для окончательной обработки сигнала канала фазовой синхронизации в аппаратуру потребителя поступают три вида сигналов: код прогнозируемого доплеровского смещения частоты запросной радиолинии, код прогнозируемого доплеровского смещения частоты приемной радиолинии и код остаточного доплеровского смещения частоты. Запросные сигналы выдаются в течение всего сеанса связи с интервалом в 10 мс.

На наземной станции формируется запросный сигнал. Запросный сигнал поступает на наземную приемо-передающую антенну, которая передает данный сигнал на борт космического аппарата на частоте 961. Сигнал принимается бортовой приемо-передающей антенной. Далее этот сигнал проходит полный цикл обработки, описанный выше, после чего формируется ответный сигнал, который передается на наземную станцию слежения (потребителю). Данный цикл обработки сигнала повторяется в течение всего сеанса связи.

Таким образом, при работе предложенного когерентного приемоответчика фазовой синхронизации будут обеспечены два варианта синхронизации опорных сигналов гетеродинов космического радиотелескопа: синхронизация по сигналам наземной станции и синхронизация по сигналам высокостабильного бортового водородного стандарта частоты (Н-мазера) 53. Но основным режимом работы будет синхронизация опорных сигналов гетеродинов космического радиотелескопа по сигналам наземной станции, то есть работа аппаратуры от бортового термостатированного управляемого напряжением кварцевого генератора (УГ2) 47.

Изобретение относится к области астрономических и астрофизических исследований. Когерентный приемоответчик фазовой синхронизации включает в себя радиоприемное устройство, радиопередающее устройство, бортовой стандарт частоты (Н-мазер), а также блок логики и коммутации. Как радиопередающее устройство, так и радиоприемное устройство состоят из двух полукомплектов. Радиоприемное устройство включает радиоприемный модуль усилителя сверхвысокой частоты, предварительный усилитель промежуточных частот, усилитель промежуточных частот, блок фазовой автоматической подстройки частоты, усилитель опорного сигнала 2▾ и вторичный источник питания. ▾ - номинальная частота. Когерентный приемоответчик фазовой синхронизации обеспечивает преобразование входного сигнала в диапазоне 961▾ в ответный сигнал в диапазоне 1120▾, используемый для синхронизации бортового термостатированного управляемого напряжением кварцевого генератора. В качестве стандарта частоты используется наземный водородный стандарт частоты (Н-мазер), посредством которого формируется запросный сигнал, причем ответный сигнал формируется от бортового термостатированного управляемого генератора. Для уменьшения дрейфа фазы ответного сигнала схема частотных преобразований построена по принципу полного совмещения трактов умножения радиопередающего устройства и гетеродинов радиоприемного устройства. Технический результат: фазовая синхронизация бортовой научной аппаратуры космического аппарата по слабому сигналу на всей протяженности высоко-апогейной орбиты полета. 1 ил.

Когерентный приемоответчик фазовой синхронизации расположен на борту космического аппарата и включает в себя радиоприемное устройство для приема запросного сигнала с наземной станции слежения, радиопередающее устройство для передачи ответного сигнала с космического аппарата на наземную станцию слежения, бортовой стандарт частоты (Н-мазер), а также блок логики и коммутации, причем как радиопередающее устройство, так и радиоприемное устройство состоят из двух полукомплектов, при этом радиоприемное устройство включает радиоприемный модуль усилителя сверхвысокой частоты, предварительный усилитель промежуточных частот, усилитель промежуточных частот, блок фазовой автоматической подстройки частоты, усилитель опорного сигнала 2 и вторичный источник питания, здесь - номинальная частота, вход радиоприемного модуля усилителя сверхвысокой частоты подключен к бортовой приемо-передающей антенне космического аппарата посредством волноводного переключателя полукомплектов радиоприемного устройства, первый выход радиоприемного модуля усилителя сверхвысокой частоты соединен с первым входом предварительного усилителя промежуточных частот, второй выход радиоприемного модуля усилителя сверхвысокой частоты соединен со вторым полукомплектом радиоприемного устройства, выход предварительного усилителя промежуточных частот соединен с первым входом усилителя промежуточных частот, выходы усилителя промежуточных частот соединены с входами устройства фазовой автоматической подстройки частоты, выход устройства фазовой автоматической подстройки частоты соединен с первым входом усилителя опорного сигнала 2, при этом первый вход усилителя опорного сигнала 2 является входом бортового термостатированного управляемого напряжением кварцевого генератора, выход которого соединен с первым входом ключа переключения режимов, второй вход усилителя опорного сигнала 2 является вторым входом ключа переключения режимов и соединен с выходом бортового водородного стандарта частоты (Н-мазера), причем бортовой термостатированный управляемый напряжением кварцевый генератор и ключ переключения режимов входят в состав усилителя опорного сигнала 2, третий вход усилителя опорного сигнала подключен к вторичному источнику питания, первый выход усилителя опорного сигнала 2 соединен с входом радиопередающего устройства, второй выход усилителя опорного сигнала 2 соединен со вторым входом предварительного усилителя промежуточных частот и со вторым входом усилителя промежуточных частот, в состав радиопередающего устройства входит блок формирования частоты, выполняющий функцию гетеродина радио-приемного модуля сверхвысокой частоты, выход радиопередающего устройства соединен с приемопередающей антенной космического аппарата посредством антенного переключателя полукомплектов радиопередающего устройства, при этом когерентный приемоответчик фазовой синхронизации обеспечивает преобразование входного сигнала в диапазоне 961 в ответный сигнал в диапазоне 1120, используемый для синхронизации бортового термостатированного управляемого напряжением кварцевого генератора, а в качестве стандарта частоты используется наземный водородный стандарт частоты (Н-мазер), посредством которого формируется запросный сигнал, причем ответный сигнал формируется от бортового термостатированного управляемого генератора, причем для уменьшения дрейфа фазы ответного сигнала схема частотных преобразований с тремя преобразователями частоты (радиочастотный модуль сверхвысокой частоты, предварительный усилитель промежуточной частоты, усилитель промежуточной частоты) и схемой фазовой автоматической подстройки частоты по несущей построена по принципу полного совмещения трактов умножения радиопередающего устройства и гетеродинов радиоприемного устройства.