Fagstoff

Skråavstandsberegning basert på tidsforsinkelse

Publisert: 11.08.2010, Oppdatert: 03.03.2017
  • Innbygg
  • Enkel visning
  • Lytt til tekst
  • Skriv ut

Skråavstandsberegning basert på tidsforsinkelse er en annen metode for bruk av telemetridata til avstandsberegning. Den krever mer komplisert signalbehandling enn metoden med telling av fasegjennomganger, men gjør baneberegningene mindre sårbare for perioder uten mottak av signaler under flukten. Omregningen fra måleverdi til skråavstand er også enklere. Grunnlaget for denne metoden er identisk med metoden basert på fasemåling, og bygger altså på observert dopplerforskyving av det mottatte telemetrisignalet.

Ulempe ved telling av fasegjennomganger

Metoden beskrevet i Skråavstandsberegning ved hjelp av fasemåling ga veldig enkel signalbehandling, men om vi mistet signalet i deler av flukten ville vi ikke lengre ha et sikkert avstandsmål når vi igjen mottok signaler. Mistet vi for eksempel signalet like etter start ved avlesing 200° på fasemetret og fikk avlesing 300° når vi igjen mottok signalet, ville vi ikke vite sikkert om signalet hadde forskjøvet seg 100°, 460°, 820° eller en annen verdi lik 100° + n·360°, hvor n er 0 eller et positvt heltall. Dette skyldes at frekvensen på signalet vi målte faseforskyvningen til – klokkepulsen – var så høy at vi fikk mange fullstendige fasegjennomganger i løpet av en rakettflukt. Problemet blir ikke mindre av at den delen av flukten hvor det er størst sjanse for å miste signalet er under brenntiden til motoren.


Løsningen er lavere frekvens

Om signalet vi måler faseforskyvingen på har så lav frekvens at vi ikke kommer over 360 grader faseforskyving i løpet av hele flukten unngår vi dette problemet. Mister vi signalet ved en avlesing på 100º faseforskyving og vi har en avlesing på 110º når signalet kommer tilbake vet vi med sikkerhet at det er faseforskjøvet 10º i mellomtiden.
For at frekvensen skal være lav nok til å unngå mer enn 360º faseforskyvning må den tilsvare en bølgelengde som er større enn maksimal skråavstand. For en typisk studentrakett vil det si mer enn 10 km, altså en frekvens under 30 kHz. De største rakettene som skytes opp fra Andøya går opp mot 1500 km høyde og lander nord for Svalbard. Det gir oss en maksimal skråavstand som er mer enn 1600 km. Dette tilsvarer en frekvens godt under 200 Hz.


Mer komplisert signalbehandlig

Signaler med så lave frekvenser kan vi ikke like lett hente fra telemetristrømmen som vi kunne med klokkepulsene. Vi må ha en puls i telemetriformatet som gjentas regelmessig og tilstrekkelig sjelden, og denne må vi kunne skille ut. Til dette trenger vi en dekoder med mulighet til å skille ut ett enkelt bit i riktig ord i formatet.
Dekoder for skråavstandsmålinger ved Andøya Rakettskytefelt.  
Dekoder ytviklet ved Andøya Rakettskytefelt.  

Bildene over viser dekoder utviklet ved Andøya Space Center. Den må settes opp med beskrivelse av formatet, synkroniseringsord og hvilket bit i hvilket ord som skal trekkes ut.
Dekoderen tilføres NRZ-signal og klokkepuls fra bitsynkronisator og referansesignal fra stasjonær oscillator. Referansesignalet pulstilpasses og sendes ut igjen på utgang A. Pulser med samme frekvens og fase som det valgte bitet i formatet sendes ut på utgang B. Disse signalene sendes til tidsintervallteller for sammenlikning.


Valg av egnet bit i PCM-formatet

Om vi har mulighet for å definere formatet selv, vil ikke valg av bit være noe problem. Da kan vi legge inn et dedikert bit for skråavstandsmåling i tekniske data. Men ofte er formatet gitt på forhånd uten slike hensyn. Vi må da se etter andre bit som skifter helt regelmessig, og format- og rammeteller inneholder slike bit. Minst signifikante bit i rammeteller skifter mellom høy og lav verdi fra ramme til ramme, og gir en puls med frekvens lik halve rammefrekvensen. Nest minst signifikante bit gir en puls med frekvens lik en firedel av rammefrekvensen osv. Tilsvarende gir bitene i formattelleren pulser som har frekvens lik brøker av formatfrekvensen. Ramme- og formatrate vil ofte være oppgitt i dokumentasjonen til en nyttelast. Hvis ikke kan vi regne ut disse når vi kjenner bitraten og oppbyggingen av formatet.

 

 

Eksempel

Vi har oppgitt at et format har ordlengde 8 bit, 96 ord per ramme og 64 rammer per format. Bitraten er oppgitt til 833,333 kb/s. Hva blir ramme- og formatfrekvens?

 

Vis løsning

Vi har 96 ord á 8 bit per ramme, dvs. at rammefrekvensen er 833333 / (8·96) = 1085 Hz, og formatfrekvensen er 833333 / (8·96·64) = 16,95 Hz.

skjul

 

Maksimal skråavstand er forhåndsberegnet til omtrent 600 km. Er det ett bit i ramme- eller formatteller som er egnet til avstandsmåling?

 

Vis løsning

Bølgelengden til signalet vi skal bruke til avstandsmåling må være minimum lik maksimal skråavstand, altså 600 km. I tillegg vil vi gjerne ha en god sikkerhetsmargin.

Vi regner ut at en bølgelengde på 600 km tilsvarer en frekvens på 500 Hz.
λ=cff=cλ=3·108m/s600km=500Hz
Om vi ser på minst signifikante bit i rammetelleren gir den en frekvens på 1085 / 2 = 542,5 Hz. Dette gir altså for høy frekvens.

Neste bit i telleren gir 1085 / 4 = 271,25 Hz, altså en bølgelengde på 1106 km.
Dette er tilstrekkelig og gir en god sikkerhetsmargin.

Vi kan selvsagt bruke en enda lavere frekvens, men en veldig lav frekvens gjør det vanskeligere å se faseforskyvningen på et oscilloskop mens vi tester oppsett av dekoder og referanseoscillator.

skjul

 

 

Tidsintervall

Til nå har vi bare snakket om faseforskyving. Dette har vi gjort for å synliggjøre at den viktigste prinsipielle forskjellen på metodene ligger i frekvensen til signalet vi måler dopplerforskyvingen til. I praksis har det vist seg enklere å oppnå høy nøyaktighet i avlesingen av forskyvingen om vi måler tidsforsinkelse i stedet for faseforskyving. Valg av tid som måleenhet gjør også beregningen av avstand enklere, siden avlest tidsforsinkelse multiplisert med lyshastigheten gir oss avstanden direkte.
Fasemeter og tidsintervallteller.  

Instrumentet til venstre kan, i tillegg til andre funksjoner, brukes både som fasemeter og til å måle tidsintervall. Til avstandsmåling ved Andøya Space Center brukes instrumentet som tidsintervallteller. Måleverdiene leses ut fra instrumentet over GPIB og sendes til Space Center sitt baneberegningssystem.

For baneberegning må vi trekke fra tidsforsinkelsen t i vi målte i startøyeblikket for å få endringen i skråavstand, Δ R .

ΔR = (δt-δti)c 

Et stykke ut i flukten leser vi av en tidsforsinkelse δ t på 450 µs. Vi hadde notert at tidsforsinkelsen ved start, δ t i var 50 µs. Hvor mye har skråavstanden Δ R endret seg siden start?

løsning

Δ R = ( 450 1 0 -6 - 50 1 0 -6 ) 3 1 0 8 = 120 km
skjul
Relatert innhold