RU2181527C1

RU2181527C1 - Method and system for serial data transmission and reception

Info

Publication number: RU2181527C1
Application number: RU2000124976A
Authority: RU
Inventors: Н.С. Тархов; А.Я. Паринский; О.А. Боровых
Original assignee: Тульский государственный университет
Priority date: 2000-10-02
Filing date: 2000-10-02
Publication date: 2002-04-20

Abstract

FIELD: radio engineering; space engineering. SUBSTANCE: proposed invention may be used for duplex data transmission with time division of channels between low-orbit nonstabilized space vehicles and ground station. System implementing proposed method is characterized in that it provides for recording initial moment and time space for transmitting and receiving information within one period of revolution of low-orbit space vehicle and for transmitting and receiving information during next period within preceding memorized time space. To this end system is provided, in addition, with units for digital polarization change-over and control; polarization plane and signal-to-noise ratio meters; microprocessor; antenna assembly. Provision is made for adaptive coordination between polarization angle of receiving antenna and that of signal received from space vehicle. EFFECT: improved reliability of data received and enhanced signal-to-noise ratio. 2 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для дуплексной передачи информации с временным разделением каналов между низкоорбитальными нестабилизированными космическими аппаратами (КА) и земной станцией (ЗС). The invention relates to radio engineering and can be used for duplex transmission of information with time division of channels between low-orbit unstabilized spacecraft (SC) and an earth station (AP).

Известен способ передачи дискретной информации, где в зависимости от помеховой обстановки автоматически осуществляется оптимально организованная "временная перекачка" пропускной способности и помехоустойчивости, гарантируя достижения максимально возможного значения средней реализованной скорости передачи информации в условиях воздействия наихудших помех, т.е. при низком среднем уровне помех радиолиния работает с максимальной из заданных скоростью передачи информации без переключении, не реагируя на возможные единичные кратковременные всплески текущего уровня мощности помех, и тем самым реализует максимально достижимую с точки зрения выделенного ресурса значений информационных скоростей пропускную способность. При возрастании уровня помех пропускная способность радиолиний падает, однако возрастает ее помехоустойчивость, т. е. радиолиния переходит на работу с меньшими скоростями. Диапазон возможного изменения информационной скорости (набор скоростей) в адаптивной радиолинии заранее определен (Патент РФ 2010430, МКИ 5 Н 04 В 7/005, 30.03.94). There is a known method of transmitting discrete information, where, depending on the noise situation, an optimally organized “temporary transfer” of bandwidth and noise immunity is automatically carried out, guaranteeing the achievement of the maximum possible value of the average realized information transfer rate under the influence of the worst interference, i.e. at a low average level of interference, the radio link operates at the maximum of the specified information transfer rates without switching, without responding to possible single short-term bursts of the current interference power level, and thereby realizes the maximum throughput achievable from the point of view of the allocated resource of information speeds. With an increase in the level of interference, the throughput of radio links decreases, however, its noise immunity increases, i.e., the radio line switches to work at lower speeds. The range of possible changes in the information speed (speed set) in an adaptive radio link is predetermined (RF Patent 2010430, MKI 5 N 04 V 7/005, 03/30/94).

Недостатком данного способа является повышенное значение энергетического потенциала за счет увеличения длительности информационных импульсов. The disadvantage of this method is the increased value of the energy potential due to the increase in the duration of information pulses.

Известен способ передачи информации с временным разделением каналов, реализованный в системе передачи-приема информации между низкоорбитальными КА и ЗС, который выбран в качестве прототипа для заявляемого способа. A known method of transmitting information with a time division of channels, implemented in a system of transmission-reception of information between low-orbit spacecraft and AP, which is selected as a prototype for the proposed method.

Данный способ заключается в автоматическом поиске направления связи путем последовательного подключения к входу радиопеленгатора сигналов, поступающих от различных антенных элементов с непересекающимися диаграммами направленности, где принятые по каждому направлению сигналы оцениваются по структуре, и, если последнее соответствует ожидаемой, то далее производится оценка принятого сигнала по уровню мощности с последующим запоминанием. По окончании цикла анализа уровней сигналов выявляется номер антенного элемента, на котором уровень сигнала наибольший. Затем осуществляется переход в режим дуплексного обмена информации по каналу с антенным элементом, имеющим в предшествующем цикле анализа наибольший уровень мощности сигнала. Параллельно производится опрос всех оставшихся антенных элементов, а также отслеживается изменение уровня основного сигнала (Патент РФ 2047908, МКИ 6 G 08 С 15/06, 19/22, 10.11.95). This method consists in automatically searching for the direction of communication by sequentially connecting to the input of the direction finder signals coming from various antenna elements with disjoint radiation patterns, where the signals received in each direction are evaluated according to the structure, and if the latter corresponds to the expected one, then the received signal is evaluated further power level with subsequent memorization. At the end of the cycle of analysis of signal levels, the number of the antenna element is detected at which the signal level is greatest. Then, a transition to the duplex mode of information exchange via the channel with the antenna element, which has the highest signal power level in the previous analysis cycle, is performed. In parallel, a survey of all the remaining antenna elements is performed, and the change in the level of the main signal is also monitored (RF Patent 2047908, MKI 6 G 08 C 15/06, 19/22, 10.11.95).

Недостатком этого способа является то, что в нем не учитываются фактическое отношение сигнал/шум, которое определяет достоверность передачи информации и поворот плоскости поляризации, в результате чего происходит потеря мощности полезного сигнала, что требует увеличения мощности передатчика. The disadvantage of this method is that it does not take into account the actual signal-to-noise ratio, which determines the reliability of information transmission and rotation of the plane of polarization, resulting in a loss of useful signal power, which requires an increase in transmitter power.

Известна адаптивная радиолиния передачи дискретной информации, которая содержит на передающей стороне манипулятор информационного сигнала, блок приема обратного канала, блок управления и формирователь информационного сигнала, приемная сторона содержит блок передачи обратного канала, демодулятор информационного сигнала, блок выделения кода Брюижна, измеритель дальности, формирователь символов информации, измеритель отношения сигнал/шум, генератор кода Брюижна, блок управления, блок рандомизированного выбора информационной скорости, вычислитель среднего значения отношения сигнал/шум, датчик случайных чисел и генератор тактовых импульсов (Патент РФ 2010430, МКИ 5 Н 04 В 7/005, 30.03.94). Known adaptive radio transmission line of discrete information, which contains on the transmitting side the manipulator of the information signal, the receiving unit of the return channel, the control unit and the driver of the information signal, the receiving side contains the transmission unit of the return channel, the demodulator of the information signal, the code extraction unit Bryuzhn, range meter, character generator information, signal-to-noise ratio meter, Bryuzhn code generator, control unit, randomized information speed selection block and, an average signal-to-noise ratio calculator, a random number sensor, and a clock pulse generator (RF Patent 2010430, MKI 5 N 04 V 7/005, 03/30/94).

Недостатком данной радиолинии является повышенное значение энергетического потенциала, обусловленное тем, что для повышения отношения сигнал/шум изменяется длительность отрезка передачи информации, которая увеличивается при снижении отношения сигнал/шум. The disadvantage of this radio line is the increased value of the energy potential, due to the fact that to increase the signal-to-noise ratio, the duration of the information transmission segment changes, which increases as the signal-to-noise ratio decreases.

Известна система для приема и передачи информации, которая взята в качестве прототипа. Данная система дуплексного обмена сообщениями содержит генераторы тактовых импульсов и псевдослучайной последовательности, синтезаторы частот, блоки переключения, передающие и приемные групповые и абонентские блоки, кодер и декодер группового сигнала, устройства относительной фазовой манипуляции и деманипуляции сигнала, радиопередатчик, радиоприемник, генераторы несущей и опорной частот, дешифраторы команд, устройство слежения за задержкой псевдослучайной последовательности, радиопеленгатор, антенно-фидерное устройство (Патент РФ 2047908, МКИ 6 G 08 С 15/06, 19/22, 10.11.95). A known system for receiving and transmitting information, which is taken as a prototype. This duplex messaging system contains clock and pseudo-random sequence generators, frequency synthesizers, switching blocks, transmitting and receiving group and subscriber units, a group signal encoder and decoder, relative phase shift keying and signal demanipulation devices, a radio transmitter, a radio receiver, carrier and reference frequency generators , command decoders, pseudo-random sequence delay tracking device, direction finder, antenna-feeder device (Patent R Ф 2047908, MKI 6 G 08 С 15/06, 19/22, 10.11.95).

Недостатком данной системы является сравнительно низкая достоверность передачи информации, обусловленная тем, что при циклическом вращении КА вокруг какой-либо оси снижается отношение сигнал/шум в каждом периоде вращения КА и не учитывается поворот плоскости поляризации. The disadvantage of this system is the relatively low reliability of information transfer, due to the fact that when the spacecraft rotates around any axis, the signal-to-noise ratio decreases in each spacecraft rotation period and the rotation of the polarization plane is not taken into account.

Задачей настоящего изобретения является повышение достоверности принимаемой информации и увеличение отношения сигнал/шум путем адаптивного согласования угла поляризации приемной антенны ЗС с углом поляризации принимаемого сигнала с КА. The objective of the present invention is to increase the reliability of the received information and increase the signal-to-noise ratio by adaptively matching the polarization angle of the receiving antenna ZS with the polarization angle of the received signal from the spacecraft.

Данная задача решается тем, что в способе передачи информации с временным разделением каналов, при котором осуществляют автоматический поиск направления связи ЗС с низкоорбитальным КА путем циклического анализа сигналов по структуре и мощности по всем возможным направлениям, выбор направления связи в цикле по максимальному по мощности уровню сигнала при соответствии структуры сигнала ожидаемой, в одном из периодов вращения низкоорбитального КА фиксируют начало и временной интервал, при котором отношение сигнал/шум входного сигнала превышает пороговое значение, и одновременно с этим определяют и запоминают угол поляризации входного сигнала при максимальном значении отношения сигнал/шум. В следующем периоде вращения низкоорбитального КА осуществляют прием-передачу информации с углом поляризации, запомненным в предыдущем периоде и в определенном предыдущем интервале времени превышения отношения сигнал/шум над пороговым. This problem is solved by the fact that in the method of transmitting information with a time division of channels, in which an automatic search is made for the direction of communication between the ES and low-orbit spacecraft by cyclic analysis of signals in structure and power in all possible directions, the choice of the direction of communication in the cycle according to the maximum signal level in power when the signal structure is expected, in one of the periods of rotation of the low-orbit spacecraft, the beginning and time interval are fixed at which the signal-to-noise ratio of the input signal p increases the threshold value, and at the same time, the polarization angle of the input signal is determined and stored at the maximum signal-to-noise ratio. In the next rotation period of the low-orbit spacecraft, information is received-transmitted with a polarization angle stored in the previous period and in a certain previous time interval when the signal-to-noise ratio exceeds the threshold.

Данный способ может быть использован в низкоорбитальных спутниковых системах связи с пакетным режимом работы. This method can be used in low-orbit satellite communication systems with a batch mode of operation.

Предлагаемый способ реализуется в системе для передачи и приема информации, содержащей генераторы тактовых импульсов и псевдослучайной последовательности, синтезаторы частот, блоки переключения, передающие и приемные групповые и абонентские блоки, кодер и декодер группового сигнала, устройства относительной фазовой манипуляции и деманипуляции сигнала, радиопередатчик, радиоприемник, генераторы несущей и опорной частот, дешифраторы команд, устройство слежения за задержкой псевдослучайной последовательности, радиопеленгатор, антенно-фидерное устройство. В данную систему дополнительно введены блоки дискретного переключения поляризации и управления поляризацией, измерители плоскости поляризации и отношения сигнал/шум, микропроцессор и антенная система. The proposed method is implemented in a system for transmitting and receiving information containing clock and pseudo-random sequence generators, frequency synthesizers, switching units, transmitting and receiving group and subscriber units, group signal encoder and decoder, relative phase shift keying and signal demanipulation devices, radio transmitter, radio receiver , carrier and reference frequency generators, command decoders, pseudo-random sequence delay tracking device, direction finder, antenna o-feeder device. In addition to this system, discrete polarization switching and polarization control units, polarization plane meters and signal-to-noise ratios, microprocessor and antenna system are introduced.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена структурная схема, реализующая способ последовательной передачи и приема информации; на фиг. 2 -электрическая схема синтезатора частот, подключенного к блоку переключения; на фиг. 3 - электрические схемы устройств для относительной фазовой манипуляции (а) и деманипуляции (б); на фиг. 4 - электрическая схема распределителя группового сигнала; на фиг. 5 - структурная схема антенно-фидерного устройства; на фиг. 6 - зависимость отношения сигнал/шум на входе приемника от времени движения низкоорбитального КА, где T_В - период вращения КА, Т_СИ=Т_СС - интервал времени превышения отношения сигнал/шум при измерении и обмене информацией; на фиг. 7 - изменение амплитуды сигнала с характерными замираниями, где Т_С - время сеанса связи, T_В - период вращения КА.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 is a structural diagram that implements a method of sequential transmission and reception of information; in FIG. 2-electric circuit of a frequency synthesizer connected to a switching unit; in FIG. 3 - electrical diagrams of devices for relative phase manipulation (a) and demanipulation (b); in FIG. 4 is an electrical diagram of a group signal distributor; in FIG. 5 is a structural diagram of an antenna-feeder device; in FIG. 6 - dependence of the signal-to-noise ratio at the input of the receiver on the motion time of the low-orbit spacecraft, where T _B is the spacecraft rotation period, T _SI = T _CC is the time interval for exceeding the signal-to-noise ratio during measurement and information exchange; in FIG. 7 - change in the amplitude of the signal with characteristic fading, where T _C is the communication session time, T _B is the spacecraft rotation period.

Система для передачи и приема информации (фиг. 1) содержит генераторы 1 и 2 тактовых импульсов, генераторы 3 и 4 псевдослучайной последовательности, синтезаторы 5 и б частот, блоки 7 и 8 переключения, передающие и приемные 9 и 10 групповые блоки, распределитель 11 импульсов, формирователь 12 циклового синхросигнала, сумматор 13, устройство 14 цикловой синхронизации, распределитель 15 группового сигнала, группу источников информации 16, группу приемников информации 17, кодер 18 и декодер 19 группового сигнала, устройства относительной фазовой манипуляции 20 и деманипуляции 21 сигнала, радиопередатчик 22, радиоприемник 23, генераторы несущей 24 и опорной 25 частот, дешифратор 26 команд, усилитель 27 мощности, устройство 28 слежения за задержкой псевдослучайной последовательности, дешифратор 29 команд, радиопеленгатор 30, антенно-фидерное устройство 31, блоки дискретного переключения поляризации 54.1...54.n, антенные системы 55.1...55.n, измерители плоскости поляризации 56 и отношения сигнал/шум 57, микропроцессор 58, блок управления поляризацией 59. The system for transmitting and receiving information (Fig. 1) contains generators 1 and 2 clock pulses, generators 3 and 4 of a pseudo-random sequence, synthesizers 5 and 6 frequencies, blocks 7 and 8 switching, transmitting and receiving 9 and 10 group blocks, distributor 11 pulses , cyclic clock generator 12, adder 13, cyclic synchronization device 14, group signal distributor 15, group of information sources 16, group of information receivers 17, encoder 18 and group signal decoder 19, relative phase manipulation devices 20 and de-manipulation 21 of the signal, the radio transmitter 22, the radio receiver 23, the carriers 24 and the reference 25 frequencies, a command decoder 26, a power amplifier 27, a pseudo-random sequence delay tracking device 28, a command decoder 29, a direction finder 30, an antenna-feeder device 31, blocks discrete switching of polarization 54.1 ... 54.n, antenna systems 55.1 ... 55.n, meters of the plane of polarization 56 and signal-to-noise ratio 57, microprocessor 58, polarization control unit 59.

Синтезатор частот (фиг. 2) содержит триггер 32, соединенный выходом через элемент ИЛИ-НЕ 33 с тактовым входом счетчика 34, выходы счетчика 34 подключены к адресным входам постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 35, выходы которого соединены с информационными входами блока 7 переключения. The frequency synthesizer (Fig. 2) contains a trigger 32 connected by the output through the OR-NOT 33 element to the clock input of the counter 34, the outputs of the counter 34 are connected to the address inputs of a read-only memory (ROM) 35, the outputs of which are connected to the information inputs of the switching unit 7.

Устройство для относительной фазовой манипуляции (фиг. 3,а) содержит триггер 36, инвертор 37, триггер 38, сумматор 39 по модулю 2, преобразователь 40 уровня сигнала, усилитель 41. A device for relative phase manipulation (Fig. 3, a) contains a trigger 36, an inverter 37, a trigger 38, an adder 39 modulo 2, a signal level converter 40, an amplifier 41.

Устройство для относительной фазовой деманипуляции (фиг. 3,б) содержит инвертор 42, триггеры 43, 44, сумматор 45 по модулю 2. A device for relative phase demanipulation (Fig. 3, b) contains an inverter 42, triggers 43, 44, an adder 45 modulo 2.

Распределитель группового сигнала (фиг. 4) содержит счетчик 46, ПЗУ 47, демультиплексоры 48 и 49. The group signal distributor (Fig. 4) contains a counter 46, ROM 47, demultiplexers 48 and 49.

Антенно-фидерное устройство (фиг. 5) содержит делитель 50, развязывающий фильтр 51, переключатель 52 и мультиплексор 53, один вывод мультиплексора 53 подключен к входу переключателя 52, а другой вывод соединен с развязывающим фильтром 51. Выход разделительного фильтра 51 через делитель 50 соединен со вторым входом переключателя 52. The antenna-feeder device (Fig. 5) contains a divider 50, an isolation filter 51, a switch 52 and a multiplexer 53, one output of the multiplexer 53 is connected to the input of the switch 52, and the other output is connected to the isolation filter 51. The output of the separation filter 51 through the divider 50 is connected with the second input of switch 52.

Блоки дискретного переключения поляризации 54.1...54.n выполнены на дискретных фазовращателях на p-i-n диодах, обеспечивающих получение фиксированных фазовых сдвигов (Твердотельные устройства СВЧ в технике связи/ Л.Г. Гассанов, А. А. Липатов, В.В. Марков, Н.А. Могильченко. -М.: Радио и связь, 1988.-288с.). Blocks of discrete switching of polarization 54.1 ... 54.n are made on discrete phase shifters on pin diodes, providing fixed phase shifts (Solid-state microwave devices in communication technology / L.G. Gassanov, A.A. Lipatov, V.V. Markov, N.A. Mogilchenko. -M.: Radio and Communications, 1988.-288p.).

Антенная система 55.1...55.n состоит из N антенн типа "волновой канал" с крестообразно расположенными излучающими элементами. Количество антенн обусловлено их диаграммами направленности (Антенны и устройства СВЧ/Д.И. Воскресенский, Р.А. Грановская, В.Л. Гостюхин и др. Под ред. Д.И. Воскресенского. -М.: Сов. радио, 1972.-320с.). The antenna system 55.1 ... 55.n consists of N antennas of the "wave channel" type with cross-shaped radiating elements. The number of antennas is determined by their radiation patterns (Antennas and microwave devices / D.I. Voskresensky, R.A. Granovskaya, V.L. Gostyukhin, etc. Edited by D.I. Voskresensky. -M .: Sov. Radio, 1972 .-320s.).

Измеритель плоскости поляризации 56 реализован на основе компенсационного метода поляризационных измерений. (Методы измерения характеристик антенн СВЧ/Л.Н. Захарьев, А.А. Леманский и др. Под ред. Н.М. Цейтлина. -М.: Радио и связь, 1985.-368с.). The polarization plane meter 56 is implemented based on the polarization compensation method. (Methods for measuring the characteristics of microwave antennas / L.N. Zakharyev, A.A. Lemansky and others. Edited by N.M. Zeitlin. -M.: Radio and Communications, 1985.-368с.).

В качестве измерителя отношения сигнал/шум 57 может быть использован микропроцессорный измеритель коэффициента шума Х5-29 (Зайцев А.Н., Иващенко П. А. , Мыльников А.В. Измерения на сверхвысоких частотах и их метрологическое обеспечение.-М.:Издательство стандартов, 1989.-238с.). As a signal-to-noise ratio meter 57, a microprocessor-based noise factor meter X5-29 can be used (Zaitsev A.N., Ivashchenko P.A., Mylnikov A.V. Measurements at microwave frequencies and their metrological support.-M.: Publishing House standards, 1989.-238c.).

В качестве микропроцессора (МП) управления 58 может быть использован микропроцессорный комплект типа К 1800 или KM 1810 (Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем; В 2т./В.-Б.Б. Айрайтис, Н.Н. Аверьянов и др. Под ред. В.А. Шахнова. -М.:Радио и связь, 1988.-Т.1.368с, т. 2.368с). As a microprocessor (MP) of control 58, a microprocessor set of type K 1800 or KM 1810 (Microprocessors and microprocessor sets of integrated circuits; B 2t. / B.-B. B. Araitis, NN Averyanov, etc. can be used. Ed. V.A. Shakhnova. -M.: Radio and Communications, 1988.-Т.1.368с, т. 2.368с).

Блок управления поляризации 59 представляет собой ЦАП, который преобразует управляющие цифровые сигналы МП в аналоговые для управления блоком 54 (Цифровые радиоприемные системы: Справочник/М.И. Жодзишский, Р.Б. Мазепа и др./Под ред М.И. Жодзишского.-М.:Радио и связь, 1990.-208с). The polarization control unit 59 is a DAC that converts the control digital MP signals to analog ones for controlling the block 54 (Digital Radio Receiving Systems: Reference Book / M.I. Zhodzishsky, RB Mazepa et al. / Edited by M.I. Zhodzishsky. -M.: Radio and Communications, 1990.-208c).

Основными режимами работы системы для передачи и приема информации являются режим автоматического поиска направления связи и режим дуплексного обмена информацией. The main modes of operation of the system for transmitting and receiving information are the automatic search direction of communication and the duplex mode of information exchange.

В режиме автоматического поиска направления связи радиопеленгатор 30 последовательно подключает к своему входу сигналы с выхода устройства 31, поступающие на его входы от различных антенных элементов с непересекающимися диаграммами направленности приема. В радиопеленгаторе 30 принятый по каждому из направлений сигнал оценивается по структуре и, если последняя соответствует ожидаемой, то далее производится оценка принятого сигнала по уровню мощности с последующим запоминанием. Наглядно представить структуру сигнала можно при разложении сложного сигнала по более простым функциям или элементарным сигналам (элементам), число которых может быть конечным. Наиболее часто используются частотные элементы, временные (или дискретные) и частотно-временные (или дискретные частотные) элементы. Термин "структура сигнала" достаточно полно изложен в литературе:
1. Варакин Л.Е. Теория систем сигналов. -М.: Сов. радио, 1978. -с.13-18.In the automatic search direction of communication, the direction finder 30 sequentially connects to its input the signals from the output of the device 31 received at its inputs from various antenna elements with disjoint reception patterns. In the direction finder 30, the signal received in each direction is evaluated according to the structure and, if the latter corresponds to the expected one, then the received signal is evaluated based on the power level with subsequent storing. It is possible to visualize the signal structure when decomposing a complex signal into simpler functions or elementary signals (elements), the number of which can be finite. The most commonly used frequency elements are temporary (or discrete) and time-frequency (or discrete frequency) elements. The term "signal structure" is quite fully stated in the literature:
1. Varakin L.E. Theory of signal systems. -M .: Sov. Radio, 1978.-pp. 13-18.

2. Тепляков И.М. и др. Радиолинии космических систем передачи информации/ И.М. Тепляков, И.Д. Калашников, Б.В. Рощин. Под ред. И.М. Теплякова. -М.: Сов. Радио, 1975. -с. 10-14. 2. Teplyakov I.M. and other Radio lines of space systems for the transmission of information / I.М. Teplyakov, I.D. Kalashnikov, B.V. Roshchin. Ed. THEM. Teplyakova. -M .: Sov. Radio, 1975. 10-14.

Таким образом, по окончании цикла анализа уровней сигналов, принимаемых антенными элементами, в радиопеленгаторе 30 выявляется номер антенного элемента, на котором уровень мощности сигнала наибольший. Это значение уровня мощности запоминается в радиопеленгаторе 30, который переключает выход устройства 31 на вход приемного тракта системы. Thus, at the end of the analysis cycle of signal levels received by the antenna elements, the number of the antenna element at which the signal power level is the highest is detected in the direction finder 30. This value of the power level is stored in the direction finder 30, which switches the output of the device 31 to the input of the receiving path of the system.

После подключения выхода устройства 31 на вход приемного тракта системы радиопеленгатор 30 продолжает циклический опрос всех антенных элементов за исключением подключенного к приемнику системы. Для оценки уровня мощности сигнала на основном (подключенном к входу радиоприемника) антенном элементе радиопеленгатор 30 подключает к своему входу сигнал приемного тракта через непропорциональный делитель 50 (фиг.4) и отслеживает относительные изменения этого уровня. По окончании режима автоматического поиска направления связи система переходит в режим дуплексного обмена информацией. After connecting the output of the device 31 to the input of the receiving path of the system, the radio direction finder 30 continues cyclic polling of all antenna elements except for the system connected to the receiver. To assess the signal power level at the main (connected to the input of the radio receiver) antenna element, the direction finder 30 connects the signal of the receiving path to its input through the disproportionate divider 50 (Fig. 4) and monitors the relative changes in this level. At the end of the automatic search for the direction of communication, the system switches to the duplex mode of information exchange.

Генераторы 1 и 2 формируют последовательности тактовых импульсов, которые поступают на входы генераторов 3 и 4 и на входы синтезаторов 5 и 6 соответственно, синтезаторы 5 и 6 формируют наборы последовательностей тактовых импульсов, соответствующих набору возможных скоростей передачи группового сигнала, значения которых устанавливаются кодом с выходом дешифратора 26. На выходе блока 7 присутствует частота последовательности тактовых импульсов, соответствующая выбранной скорости передачи, которая поступает на входы распределителя 11 импульсов блока 9. На управляющие входы распределителя тактовых импульсов поступает код, определяющий соотношения скоростей передачи источников информации индивидуальных передающих блоков 16. Таким образом, на передающей стороне имеется возможность задания не только скоростей передачи в каждом из временных каналов, но и возможность варьирования скоростей передачи группового сигнала. Generators 1 and 2 form a sequence of clock pulses that are fed to the inputs of generators 3 and 4 and to the inputs of synthesizers 5 and 6, respectively, synthesizers 5 and 6 form sets of sequences of clock pulses corresponding to the set of possible transmission rates of a group signal, the values of which are set by the output code decoder 26. At the output of block 7 there is a frequency of a sequence of clock pulses corresponding to the selected transmission speed, which is fed to the inputs of the distributor 11 pulses block 9. The control inputs of the clock distributor receive a code that determines the ratio of the transmission speeds of the information sources of the individual transmitting units 16. Thus, on the transmitting side, it is possible to specify not only the transmission speeds in each of the time channels, but also the ability to vary the transmission speeds of the group signal.

Последовательности цифровых информационных сигналов поступают по соединительным линиям на информационные входы передающих индивидуальных блоков 16, в которых сигналы задерживаются на определенное время и восстанавливается их форма. Сигналы со всех передающих индивидуальных блоков 16 поступают в передающий групповой блок 9, который обеспечивает их временное объединение, распределение по циклам и передачу на выход. The sequence of digital information signals are fed through the connecting lines to the information inputs of the transmitting individual units 16, in which the signals are delayed for a certain time and their shape is restored. The signals from all the transmitting individual blocks 16 are received in the transmitting group block 9, which ensures their temporary integration, distribution in cycles and transmission to the output.

Сформированный информационный групповой сигнал поступает на вход кодера 12 группового сигнала (например, сверточного кода), на выходе которого образуется кодированная последовательность импульсов. Кодированный групповой сигнал подвергается относительной фазовой манипуляции в устройстве 20 и там же суммируется по мод. 2 с поднесущей частотой (это повышает помехоустойчивость цифрового потока и создает наиболее оптимальные условия для приема сигнала). The generated group information signal is fed to the input of the group signal encoder 12 (for example, a convolutional code), at the output of which a coded pulse sequence is generated. The encoded group signal undergoes relative phase shift keying in device 20 and is summed mod. 2 with a subcarrier frequency (this increases the noise immunity of the digital stream and creates the most optimal conditions for signal reception).

С выхода устройства 20 групповой сигнал поступает на вход радиопередатчика 22. В радиопередатчике 22 несущая частота, поступающая на генератор 24, сначала модулируется групповым сигналом с выхода устройства 20, а затем модулируется с выхода генератора 3, что обеспечивает равномерное распределение сигнала в спектральной области и снижение плотности потока мощности. Промодулированный сигнал с выхода радиопередатчика 22 усиливается в усилителе 27 и излучается (передается) по каналу связи. From the output of the device 20, the group signal is fed to the input of the radio transmitter 22. In the radio transmitter 22, the carrier frequency supplied to the generator 24 is first modulated by a group signal from the output of the device 20, and then modulated from the output of the generator 3, which ensures uniform distribution of the signal in the spectral region and reduces power flux density. The modulated signal from the output of the radio transmitter 22 is amplified in the amplifier 27 and is emitted (transmitted) through the communication channel.

Сигналом, соответствующим началу работы и поступающим с выхода генератора 3, синхронизируется работа синтезатора 5 частоты. За счет этого обеспечивается "привязка" начала импульса тактовой последовательности к началу работы, что позволяет при приеме сигнала синхронизировать работу синтезатора 6 с работой синтезатора 5 с точностью до задержки между синхросигналом с выхода генератора 3 и фронтом импульса выхода синтезатора 5, которая в общем случае определяется задержкой срабатывания элементов и может составлять сравнительно малую величину. The signal corresponding to the beginning of work and coming from the output of the generator 3 synchronizes the operation of the frequency synthesizer 5. This ensures that the beginning of the pulse of the clock sequence is “linked” to the start of operation, which makes it possible to synchronize the operation of the synthesizer 6 with the operation of the synthesizer 5, up to a delay between the clock signal from the output of the generator 3 and the front of the output pulse of the synthesizer 5, which is generally determined delayed response of the elements and can be a relatively small value.

Принятый сигнал двукратно демодулируется в радиоприемнике 23, причем с первого выхода радиоприемника 23 поступает последовательность информационных импульсов, а на втором выходе радиоприемника 23 присутствует сигнал, пропорциональный величине рассогласования по задержке между переданной последовательностью и опорной, поступающей с выхода генератора 4, т.е. пропорциональный величине корреляции двух последовательностей. Ориентируясь по величине корреляции, устройство 28 автоматически устраняет рассогласование между принятой и опорной последовательностями, используя принцип экстремального регулирования и поддерживая величину взаимной корреляции двух последовательностей на максимальном уровне. Началом опорной последовательности, которая однозначно совпадает с началом принятой, синхронизируется работа синтезатора 6, что, как уже отмечалось выше, позволяет синхронизировать тактовые импульсы приемной и передающей сторон. The received signal is demodulated twice in the radio receiver 23, and a sequence of information pulses is received from the first output of the radio receiver 23, and a signal proportional to the delay mismatch between the transmitted sequence and the reference signal coming from the output of the generator 4 is present at the second output of the radio receiver 23, i.e. proportional to the correlation value of the two sequences. Based on the magnitude of the correlation, the device 28 automatically eliminates the mismatch between the received and reference sequences, using the principle of extreme regulation and maintaining the value of the cross-correlation of the two sequences at the maximum level. The beginning of the reference sequence, which unambiguously coincides with the beginning of the adopted one, synchronizes the operation of the synthesizer 6, which, as noted above, allows you to synchronize the clock pulses of the receiving and transmitting sides.

Поступающий групповой сигнал с выхода радиоприемника 23 подвергается относительной фазовой деманипуляции в устройстве 21 и декодированию в декодере 19 группового сигнала, после чего поступает на вход приемного группового блока 10. Кроме этого, сигнал с выхода радиоприемника 23 поступает на информационный вход дешифратора 29 команд для выделения управляющего кода. Дешифратор 29 на своих выходах формирует двоичный код, который поступает на управляющие входы блока 10 и блока 8. На выходе блока 8 образуется последовательность тактовых импульсов, равная частоте передачи группового сигнала, которая поступает на тактовый вход блока 10. The incoming group signal from the output of the radio receiver 23 is subjected to relative phase demanipulation in the device 21 and decoded in the decoder 19 of the group signal, after which it is fed to the input of the receiving group unit 10. In addition, the signal from the output of the radio receiver 23 is fed to the information input of the command decoder 29 to select the control code. The decoder 29 generates a binary code at its outputs, which is fed to the control inputs of block 10 and block 8. At the output of block 8, a sequence of clock pulses is formed equal to the transmission frequency of the group signal, which is fed to the clock input of block 10.

В блоке 10 устройство 14 устанавливает и поддерживает цикловую синхронизацию. По сигналам синхронизации с выхода устройства 14 распределитель 15 распределяет входной поток цифровой информации по соответствующим каналам. In block 10, the device 14 establishes and supports cyclic synchronization. According to the synchronization signals from the output of the device 14, the distributor 15 distributes the input stream of digital information through the corresponding channels.

В распределителе 11 группового сигнала (фиг. 4) происходят процессы, аналогичные работе синтезатора 5 частоты. Перераспределение группового сигнала здесь осуществляется в зависимости от кода управления, т.е. от области памяти используемого ПЗУ. In the distributor 11 of the group signal (Fig. 4), processes similar to the operation of the frequency synthesizer 5 occur. The redistribution of the group signal here is carried out depending on the control code, i.e. from the memory area of the used ROM.

В многоканальной цифровой системе передачи и приема информации содержатся технические средства, обеспечивающие поддержание тактовой синхронизации при изменении частот задающих генераторов 1 и 2 от температуры или от старения элементов, а также при значительном удалении приемной части системы от передающей, что имеет место, например, при работе через спутник ретранслятор. Априори известный вид последовательности и ее начала, а также синхронизация работы синтезаторов 5 и 6 с началом последовательности обеспечивают однозначное выделение начала импульса тактовой последовательности на приемной стороне, что позволяет синхронизировать работу синтезаторов 5 и 6 с точностью до разницы в задержках срабатывания дискретных элементов. The multichannel digital system for transmitting and receiving information contains technical means that ensure clock synchronization when the frequencies of the master oscillators 1 and 2 change from temperature or from aging of the elements, as well as when the receiving part of the system is significantly removed from the transmitting one, which occurs, for example, during operation via satellite repeater. A priori, the known form of the sequence and its beginning, as well as the synchronization of the work of synthesizers 5 and 6 with the beginning of the sequence, provide an unambiguous allocation of the beginning of the pulse of the clock sequence on the receiving side, which allows you to synchronize the work of synthesizers 5 and 6 with an accuracy of up to the difference in the delays of operation of discrete elements.

При движении КА угол поворота плоскости поляризации меняется как за счет флюктуаций электронной плотности ионосферы, так и за счет циклического вращения КА. Это приводит к появлению поляризационных замираний при приеме на антенну с линейной поляризацией (фиг. 7). Быстрые колебания вызваны вращением плоскости поляризации, медленные - вращением КА (Грудинская Г.П. Распространение радиоволн. -М.:Высшая школа, 1975.-280с.). During spacecraft motion, the angle of rotation of the plane of polarization changes both due to fluctuations in the electron density of the ionosphere and due to the cyclic rotation of the spacecraft. This leads to the appearance of polarization fading when receiving an antenna with linear polarization (Fig. 7). Fast oscillations are caused by rotation of the plane of polarization, slow oscillations are caused by rotation of the spacecraft (Grudinskaya G.P. Propagation of radio waves. -M.: Higher school, 1975.-280s.).

Медленное вращение вектора поляризации, обусловленное поворотом КА, носит детерминированный характер, то есть в каждый момент времени или дискретно можно согласовывать поляризационную диаграмму направленности приемной антенны с поляризацией полезного сигнала. Управление осуществляется микропроцессором 58 через блок управления поляризацией 59. The slow rotation of the polarization vector due to the rotation of the spacecraft is deterministic, that is, at each moment of time or discretely, you can coordinate the polarization radiation pattern of the receiving antenna with the polarization of the useful signal. The control is carried out by the microprocessor 58 through the polarization control unit 59.

Система для передачи и приема информации функционирует следующим образом. A system for transmitting and receiving information operates as follows.

Измеритель отношения сигнал/шум 57 определяет начало и конец, при котором отношение сигнал/шум входного сигнала превышает пороговое значение (фиг. 6). В МП фиксируется и запоминается начало t₀ и временной интервал Т_СИ превышения отношения сигнал/шум над пороговым. Одновременно с этим измеритель плоскости поляризации 56 определяет угол поляризации входного сигнала при максимальном отношении сигнал/шум. Это значение также запоминается в МП 58.The signal-to-noise ratio meter 57 determines the beginning and the end at which the signal-to-noise ratio of the input signal exceeds a threshold value (Fig. 6). In MP, the beginning t ₀ and the time interval T _{SI of} exceeding the signal-to-noise ratio over the threshold are recorded and stored. At the same time, the plane of polarization 56 determines the angle of polarization of the input signal at the maximum signal to noise ratio. This value is also stored in MP 58.

По результатам измерений МП вырабатывает управляющий цифровой сигнал, который в блоке управления поляризацией 59 преобразуется и подается на управляемые входы блоков дискретного переключения поляризацией 54.1...54.n, где происходит согласование угла поляризации антенной системы 55.1..55.n с определенным ранее углом поляризации входного сигнала. В следующем периоде через интервал Т_В вращения КА осуществляется обмен информации в определенном в предыдущем периоде интервале времени Т_СС=Т_СИ превышения отношения сигнал/шум над пороговым и в запомненном угле поляризации по команде с МП 58 на управляемый вход передатчика 22. Максимальное число пакетов при приеме-передаче должно быть равно половине отношения времени сеанса связи Т_С к числу периодов T_В вращения КА. Для низкоорбитальных КА время сеанса связи определяется зоной гарантированного уровня сигнала и составляет в зависимости от высоты орбит порядка 10-20 мин и при периоде вращения КА порядка 5-10 с (фиг. 7), количество пакетов при приеме-передаче составит порядка 50-100, так как половина периодов вращения КА используется для измерения отношения сигнал/шум, интервала превышения отношения сигнал/шум и угла поляризации входного сигнала.According to the measurement results, the MP generates a control digital signal, which in the polarization control unit 59 is converted and fed to the controlled inputs of the discrete switching units with polarization 54.1 ... 54.n, where the polarization angle of the antenna system 55.1..55.n is matched with the angle determined earlier polarization of the input signal. In the next period, through the spacecraft rotation interval T _{B, the} spacecraft exchanges information in the time interval T _CC = T _SI defined in the previous period for the excess of the signal-to-noise ratio over the threshold and in the stored polarization angle by command from MP 58 to the controlled input of transmitter 22. The maximum number of packets when receiving and transmitting, it should be equal to half the ratio of the communication session time T _C to the number of rotation periods T _B of the spacecraft. For low-orbit spacecraft, the communication session time is determined by the zone of the guaranteed signal level and, depending on the orbit height, is about 10-20 minutes and with a spacecraft rotation period of about 5-10 s (Fig. 7), the number of packets during transmission will be about 50-100 , since half the rotation periods of the spacecraft are used to measure the signal-to-noise ratio, the interval of exceeding the signal-to-noise ratio, and the polarization angle of the input signal.

Нормированный коэффициент передачи энергии между двумя антеннами η_n при линейной поляризации при рассогласовании векторов поляризации приемной и передающей антенн ψ определяется по выражению (Справочник по спутниковой связи и вещанию/Под ред. Л.Я. Кантора.-М.: Радио и связь, 1983.-288с.):

Например, при ψ = 0; η_n = 1(0дБ); при ψ = 90^°; η_n = 0,5(-3дБ);
Для случая приемной и передающей антенн с линейной и круговой поляризациями η_n = 0,5.
Предлагаемый способ последовательной передачи и приема информации и система для его осуществления позволяют при организации пакетной радиосвязи обеспечить коллинеарность векторов поляризации обеих антенн и получить выигрыш в отношении сигнал/шум 3 дБ.The normalized coefficient of energy transfer between two antennas η _n with linear polarization with a mismatch in the polarization vectors of the receiving and transmitting antennas ψ is determined by the expression (Handbook of satellite communications and broadcasting / Edited by L.Ya. Kantora.-M .: Radio and communications, 1983 .-288s.):

For example, when ψ = 0; η _n = 1 (0dB); at ψ = 90 ^° ; η _n = 0.5 (-3dB);
For the case of receiving and transmitting antennas with linear and circular polarizations η _n = 0.5.
The proposed method of sequential transmission and reception of information and a system for its implementation allow, when organizing packet radio communications, to ensure the collinearity of the polarization vectors of both antennas and to obtain a 3 dB signal-to-noise gain.

Claims

1. The method of sequential transmission and reception of information, which consists in the automatic search of the direction of communication of the earth station with the low-orbit spacecraft by cyclically analyzing the signals according to the structure and power in all possible directions, choosing the direction of communication in the cycle according to the maximum signal strength in accordance with the expected signal structure and information transfer session, characterized in that after selecting in the cycle the direction of information transfer in one of the periods of rotation of the low-orbit of the spacecraft, the beginning and the time interval at which the signal-to-noise ratio of the input signal exceeds the threshold value are recorded, and at the same time, the polarization angle of the input signal from the low-orbit spacecraft is determined and stored at the maximum signal-to-noise ratio, and in the next rotation period of the low-orbit spacecraft transmit and receive information with a polarization angle stored in the previous period and in a certain previous time interval exceeding the signal-to-noise ratio over the threshold.

2. A system for transmitting and receiving information between a low-orbit spacecraft and an earth station, containing clock and pseudo-random sequence generators, frequency synthesizers, switching blocks, transmitting and receiving group and subscriber units, a group signal encoder and decoder, relative phase manipulation and demanipulation devices signal, radio transmitter, radio receiver, carrier and reference frequency generators, command decoders, pseudo-random delay tracking device In this case, a direction finder, an antenna-feeder device, the output of the first clock generator is connected to the input of the first frequency synthesizer and to the clock input of the first pseudo-random sequence generator connected by the first output to the clock input of the first frequency synthesizer, the outputs of which are connected to the corresponding clock inputs of the first switching unit, the first input of which is combined with the clock input of the relative phase shift keying device, the output of which is connected to the first input of the radio transmitter a sensor, the second and third inputs of which are connected respectively to the second output of the first pseudo-random sequence generator and to the output of the carrier frequency generator, the output through a power amplifier is connected to the first input of the antenna-feeder device, connected by the first output to the first input of the radio receiver, the second input of which is connected to the first the output of the second pseudo-random sequence generator, the first and second outputs are connected respectively to the inputs of the relative phase demanipulation device and a pseudo-random sequence delay tracking device connected by an output to a control input of a second pseudo-random sequence generator connected by a second output to a first input of a second frequency synthesizer, a second input of which is connected to a second clock generator output and combined with a second input of a pseudo-random signal delay tracking device, outputs the second frequency synthesizer is connected to the clock inputs of the second switching unit, the first output is connected to the second input the relative phase demanipulation device, connected by an output to a decoder input, connected by an output to the inputs of the first and second command decoders and to the information input of the receiving group block, connected by information outputs to the inputs of the corresponding group information receivers, the control inputs of the second switching block and the receiving group block are connected to the control the outputs of the second command decoder, the output of which is connected to the clock inputs of the decoder, the receiving group unit, the first and second horn of command decoders, the receiving group unit with its first and second synchronizing outputs is connected respectively to the synchronizing inputs of the second and first command decoders, the outputs of the first command decoder are connected to the control inputs of the transmitting group unit and the first switching unit, connected by the output to the first input of the encoder and to the clock input transmitting group block connected by a group of information inputs and a group of clock outputs with corresponding outputs and inputs of inform sources group, the input of the transmitting group unit is connected to the second input of the encoder connected by the output to the input of the relative phase shift device, the direction finder is connected by the input, output and group of control outputs to the second output, second input and control input, respectively, of the antenna-feeder device, characterized in that additional discrete polarization switching and polarization control units, polarization plane meters and signal-to-noise ratios, microprocessor, antenna system , the first and second inputs, the first and second outputs of the antenna systems are connected respectively to the first and second outputs and the first and second inputs of discrete polarization switching units, which are connected by their control inputs to the outputs of the polarization control unit, and the third inputs and outputs are connected to the corresponding outputs and the inputs of the antenna-feeder device, the output of the antenna-feeder device is connected to the inputs of the meters of the plane of polarization and signal-to-noise ratio, the outputs of which are connected to the inputs of the micro a processor whose control output is connected to the inputs of a polarization control unit, a direction finder, and a radio transmitter.