Имитатор навигационных радиосигналов

Настоящее устройство (полезная модель) относится к области радионавигации и может быть использована для формирования радиосигналов навигационных космических аппаратов (НКА), соответствующих вектору состояния (пространственных координат, составляющих вектора скорости и времени) НКА, находящихся на геостационарной, высокоэллиптической или произвольной орбитах в составе спутниковых радионавигационных систем (СРНС) ГЛОНАСС и GPS, а также сигналов систем, функционально дополняющих СРНС. Целью полезной модели является упрощение конструкции, снижение массо-габаритных характеристик, расширение функциональных возможностей имитаторов (устройств формирования) радиосигналов, подобных реальным навигационным от СРНС ГЛОНАСС и GPS. Указанная цель достигается тем, что устройство формирования (имитатор) радиосигналов НКА включает формирователь навигационного сигнала, состоящий из последовательно соединенных блока цифрового формирования навигационного сигнала, с целью расширения функциональных возможностей которого вместо схемы управления формированием сигналов от встроенной ЭВМ применены самостоятельные узлы интерфейса обмена цифровой информацией, формирования сигналов псевдослучайной последовательности и синтеза модулированных сигналов, и преобразователя частоты вверх, выход которого последовательно соединен с аттенюатором и антенной излучателя или входом приемника навигационного сигнала. Причем вход блока цифрового формирования навигационного сигнала, являющийся входом формирователя навигационного сигнала имеет стандартный цифровой интерфейс для непосредственного ввода параметров навигационного сигнала с соответствующего устройства управления, а выход блока цифрового формирования навигационного сигнала является выходом требуемого навигационного сигнала заданной группировки НКА на промежуточной частоте. Выход преобразователя частоты, являющийся выходом формирователя навигационного сигнала, является выходом навигационного сигнала заданной группировки НКА на частоте излучения заданной СРНС. Выход аттенюатора является выходом навигационного сигнала заданной группировки НКА на частоте излучения заданной СРНС с требуемым уровнем излучения для антенны излучателя или входа приемника навигационного сигнала. Реализация данного технического решения позволяет создать устройство, обладающее минимальной аппаратной избыточностью, малыми габаритами, позволяющими легко встраивать его в любую аппаратуру, и обеспечивающее формирование набора сигналов спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС и GPS, соответствующих вектору состояния космического аппарата, движущегося по произвольной траектории во всем диапазоне скоростей, вплоть до второй космической скорости включительно, в том числе с учетом влияния дестабилизирующих факторов космического пространства.

Настоящее устройство (полезная модель) относится к области радионавигации и может быть использована для формирования радиосигналов навигационных космических аппаратов (НКА), соответствующих вектору состояния (пространственных координат, составляющих вектора скорости и времени) НКА, находящихся на геостационарной, высокоэллиптической или произвольной орбитах в составе спутниковых радионавигационных систем (СРНС) ГЛОНАСС и GPS, а также сигналов систем, функционально дополняющих СРНС.

Известен способ и устройство для проверки устройств, позволяющих определять местоположение с использованием вспомогательных данных, решающий задачу проверки устройств, позволяющих определять местоположение с использованием вспомогательных данных, которые включают использование имитатора объекта определения местоположения, связанного с имитатором базовой станции, и подключение проверяемого устройства, позволяющего определять местоположение с использованием вспомогательных данных, к имитатору базовой станции и к имитатору глобальной системы позиционирования (Патент РФ 2328016 MПK G01S 5/14 (2006.01)). Технический результат заключается в упрощении проверки рабочих характеристик мобильного модуля при захвате данных GPS для оценки местоположения мобильного модуля. Недостатком данного устройства является возможность работы по сигналам только одной навигационной системы - GPS.

Известен имитатор на основе векторного генератора сигналов R&S SMBV100A с программной опцией СРНС, обеспечивающий моделирование сигнала с профилями движения навигационного приемника, многолучевым распространением навигационного сигнала, динамическим управлением мощностью и моделированием атмосферных явлений, поддержку A-GPS, LTE, HSPA+, GSM/EDGE, HD radio^ТМ и FM стерео, с количеством сценариев реального времени GPS/Galileo до 12 (www.rohde-schwarz.com/ad/smbv-gnss). Недостатком данного устройства является невозможность работы по сигналам ГЛОНАСС.

Известен прибор ИМ-2 ОАО "МКБ "Компас", который активно используется при разработке навигационной аппаратуры. Имитатор формирует сигналы ГЛОНАСС стандартной точности (СТ-код) и высокой точности (ВТ-код) в частотных диапазонах L1 и L2, а также GPS С/А (L1) со скоростями объекта до 8 км/с, ускорением до 1000 м/с² и рывком до 500 м/с³ (Аэрокосмическое обозрение 4 2007 г.).

Недостатком данного устройства является невозможность формировать сигналы, подобные реальным навигационным от СРНС ГЛОНАСС и GPS, для космических аппаратов, находящихся на геостационарной или высокоэллиптической орбитах, т.к. они требуют больших динамических характеристик - например, моделируемой скорости до 12 км/с.

Указанный недостаток частично устранен в имитаторах спутниковых навигационных систем компании Spirent серии GSS8000, которые имеют динамические характеристики моделируемой скорости до 120 км/с, ускорением до 4450 м/с ² и рывком до 890000 м/с³ по 3-м частотам с поддержкой GPS (LI, L2 P(Y), L2C, L5, M-noise), SBAS (WAAS, EGNOS, MSAS), GLONASS (LI, L2) и Galileo (El, E5a/b, E6, OS, CS, SOL).

Недостатком данного устройства является невозможность формировать сигналы высокой точности (ВТ-кода) ГЛОНАСС.

Формирование радиочастотного сигнала эквивалентного полному совмещенному навигационному полю ГЛОНАСС (СТ-кода (L1) и ВТ-кода (L2), а также даль-номерного кода в частотном диапазоне L3), GPS, SBAS, Galileo обеспечивает СН-3803 (ТДЦК.464938.006) - имитатор сигналов спутниковых навигационных систем ЗАО «КБ НАВИС», способный имитировать сложные динамические движения наземных навигационных приемников в любом географическом районе Земли с высотами от минус 1 км до плюс 8000 км с динамическими характеристиками моделируемой скорости до 12 км/с, ускорением до 500 м/с² и рывком до 500 м/с³ (зарегистрирован в Государственном Реестре средств измерений под 20278-00 РФ; сертификата утверждения типа: RU.C.33.018.B 8743 от 27.01.2000 ГЦИ СИ «Воентест»). Имитатор включает от 2 до 6 синхронизированных частотой 10 МГц и меткой времени (1 с) блоков имитации (БИ) СН-3802 (ТДЦК.467877.003-01), выдающих навигационные сигналы на смеситель, имеющий общий выход с требуемым уровнем излучения для антенны излучателя или входа приемника навигационного сигнала. Управление БИ СН-3802 осуществляется по внутренней шине встроенной ЭВМ. Генерация сигналов производится в соответствии с записанными в память ЭВМ сценариями из среды специального программно-математического обеспечения (СПМО). Встроенная ЭВМ служит для формирования тестовых сценариев, управления БИ СН-3802 и обработки результатов измерений. Габаритные размеры - 460*190*500 мм (43,7 л). Масса- 15 кг.

Недостатками данного устройства является сложность конструкции, относительно высокие массогабаритные характеристики, ограниченные возможности воспроизведения навигационных сигналов произвольной группировки космических аппаратов при формировании единого навигационного поля СРНС: любая ситуация, не предусмотренная алгоритмами и программами СПМО, требует его доработки.

Целью полезной модели является упрощение конструкции, снижение массо-габаритных характеристик, расширение функциональных возможностей имитаторов (устройств формирования) радиосигналов, подобных реальным навигационным от СРНС ГЛОНАСС и GPS.

Указанная цель достигается тем, что устройство формирования (имитатор) радиосигналов НКА включает формирователь навигационного сигнала, состоящий из последовательно соединенных блока цифрового формирования навигационного сигнала, с целью расширения функциональных возможностей которого вместо схемы управления формированием сигналов от встроенной ЭВМ применены самостоятельные узлы интерфейса обмена цифровой информацией, формирования сигналов псевдослучайной последовательности (ПСП) и синтеза модулированных сигналов, и преобразователя частоты вверх, выход которого последовательно соединен с аттенюатором и антенной излучателя или входом приемника навигационного сигнала. Причем вход блока цифрового формирования навигационного сигнала, являющийся входом формирователя навигационного сигнала имеет стандартный цифровой интерфейс для непосредственного ввода параметров навигационного сигнала с соответствующего устройства управления, а выход блока цифрового формирования навигационного сигнала является выходом требуемого навигационного сигнала заданной группировки НКА на промежуточной частоте. Выход преобразователя частоты, являющийся выходом формирователя навигационного сигнала, является выходом навигационного сигнала заданной группировки НКА на частоте излучения заданной СРНС. Выход аттенюатора является выходом навигационного сигнала заданной группировки НКА на частоте излучения заданной СРНС с требуемым уровнем излучения для антенны излучателя или входа приемника навигационного сигнала.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, помимо у прощения устройства и уменьшения его размеров, является улучшение имитации навигационных радиосигналов для произвольной группировки НКА и произвольных траектории и скорости движения навигационного приемника. Указанный эффект достигается за счет структурного построения имитатора, при котором для синтезируемых навигационных радиосигналов обеспечивается непосредственное управление параметрами по данным цифровой информации, переданной в формирователь навигационного сигнала (в блок цифрового формирования навигационного сигнала) по стандартному цифровому интерфейсу от любого внешнего управляющего устройства, имеющего соответствующий интерфейс связи (например, ЭВМ, в которой они сформированы либо по фиксированной программе, либо по произвольной программе пользователя), что позволяет легко встраивать имитатор в любую испытательную или навигационную аппаратуру различного назначения. Данное обстоятельство отличает заявляемое устройство от аналогичных устройств (имитаторов), где применяется опосредованное управление параметрами формируемых навигационных радиосигналов путем задания в СПМО встроенных ЭВМ ограниченного набора параметров траектории движения объекта, условий распространения сигнала и возможностей связи с внешними устройствами.

Устройство поясняется схемами фиг.1 и фиг.2.

Имитатор навигационных радиосигналов (фиг.1) включает формирователь навигационного сигнала 1 в составе блока цифрового формирования навигационного сигнала 2 и преобразователя частоты вверх 3 с цифровым интерфейсом на входе. Выход блока цифрового формирования навигационного сигнала 2 является выходом реального навигационного сигнала заданной группировки НКА на промежуточной частоте. Выход преобразователя частоты вверх 3 является выходом требуемого навигационного сигнала заданной группировки НКА на частоте излучения заданной СРНС. Он подключен к входу аттенюатора 4, выход которого, являющийся выходом навигационного сигнала заданной группировки НКА на частоте излучения заданной СРНС с требуемым уровнем излучения, соединен с антенной излучателя (или входом приемника навигационного сигнала) 5.

Устройство работает следующим образом. Пользователь, исходя из требуемого типа спутниковой радионавигационной системы, состава и характера движения группировки НКА, характера движения навигационной аппаратуры потребителя и т.д., с помощью собственной программы формирует соответствующий массив цифровой информации с параметрами навигационного сигнала. Далее этот массив параметров по стандартному цифровому интерфейсу передается в формирователь навигационного сигнала 1, где путем цифрового синтеза в блоке цифрового формирования навигационного сигнала 2 происходит формирование навигационного сигнала с нормированной погрешностью в соответствии с полученными параметрами.

Блок цифрового формирования навигационного сигнала 2 служит для формирования доплеровского сдвига и навигационного сигнала на промежуточной частоте. Цифровая информация с параметрами требуемого сигнала поступает от внешнего устройства в узел интерфейса обмена 6, где преобразуется в данные для узла формирования сигналов ПСП 7 и параметры частоты и фазы сигналов НКА для узла синтеза модулированных сигналов 8. Созданные в узле формирования сигналов ПСП 7 промежуточные сигналы преобразуются в узле синтеза модулированных сигналов 8 в соответствие с поступающими из узла интерфейса обмена 6 параметрами частоты и фазы в модулированные сигналы НКА, частоту синхронизации сигналов ПСП F_Т и сигнал гетеродина F_{Г ВЧ} для переноса навигационного сигнала с промежуточной частоты на требуемую в преобразователе частоты вверх 3. Модулированные сигналы НКА складываются в сумматоре 9 в навигационный сигнал на промежуточной частоте.

Узел интерфейса обмена 6 может быть выполнен в виде контроллера стандартного интерфейса.

Узел формирования сигналов ПСП 7 может быть выполнен аналогично прототипу.

Узел синтеза модулированных сигналов 8 (фиг.2) может состоять из:

- опорного генератора 10 - ОГ;

- синтезатора частоты 11;

- делителей частоты 12 - Д 1, Д 2;

- однополосных смесителей 13 - CM n;

- цифровых синтезаторов с аналоговым выходом 14 - ЦС n;

- модуляторов ПСП 15 - М n,

где n - количество имитируемых сигналов НКА.

Используя в качестве опорной частоты сигнал внутреннего кварцевого ОГ 10, синтезатор частоты 11 формирует сигнал гетеродина F_{Г ВЧ} а на Д 1 (12) получается частота F_{Г ПЧ2} для CM lCM n (13), переносящих сигнал с выхода цифровых синтезаторов 14 на вторую промежуточную частоту, а также сигнал гетеродина F_{Г ВЧ} для переноса навигационных сигналов с промежуточной частоты па выходную. Из F_{Г ВЧ} F_{Г ПЧ2} на Д 2 (12) получаются тактовая частота для ЦС 1ЦС n (14) и частота синхронизации F_Т для формирования сигналов ПСП.

Управляющие коды для ЦС 14, реализуемых на накапливающем сумматоре и постоянном запоминающем устройстве выборок гармонического сигнала (например, м/с типа AD9854), задаются таким образом, чтобы формируемый на выходе ЦС гармонический сигнал по частоте соответствовал сигналу несущей частоты формируемого сигнала НКА с учетом вносимого доплеровского сдвига частоты, перенесенной на первую промежуточную частоту в диапазоне от 0 до 30 МГц. Аналоговый сигнал на первой промежуточной частоте ПЧ₁ подается на первый вход СМ 1 (13). На второй вход CM 1 (13) поступает частота F_{Г ПЧ2}. а на выходе получается сигнал на второй промежуточной частоте ПЧ₂ в диапазоне 135-165 МГц. С выхода СМ 1 (13) сигнал на ПЧ₂ поступает на первый вход фазового модулятора М 1 (15), на второй вход которого подается сигнал ПСП 1, что обеспечивает модуляцию фазы сигнала в соответствии дальномерным кодом сигнала выбранного НКА, формируя на выходе Ml (15) сигнал, модулированный дальномерным кодом на промежуточной частоте с учетом доплеровского сдвига частоты.

Аналогичная последовательность действий происходит во всех n каналах формирования сигналов НКА.

Так как цифровой синтез и формирование навигационных сигналов производится на относительно невысокой промежуточной частоте, то достигается высокая скорость формирования и низкая нормированная погрешность формирования требуемого навигационного сигнала произвольной группировки НКА при произвольном характере движения навигационного приемника.

Далее модулированные сигналы суммируются в сумматоре 9 в навигационный сигнал на промежуточной частоте.

Навигационный сигнал на промежуточной частоте с помощью сигнала гетеродина F_{Г ВЧ} переносится на частоту излучения заданной СРНС в преобразователе частоты вверх 3, который выдает навигационный сигнал, ослабляемый в аттенюаторе 4 до уровней реальных сигналов от НКА (или до любого другого требуемого уровня). После чего сигнал излучается излучателем 5, либо подается по высокочастотному кабелю непосредственно на антенный вход приемника навигационного сигнала.

Разделение общей схемы управления формированием сигналов на самостоятельные узлы интерфейса обмена цифровой информацией, формирования сигналов ПСП и синтеза модулированных сигналов позволяет отказаться от встроенной ЭВМ в имитаторе и задавать параметры требуемого навигационного сигнала во внешнем устройстве, что существенно сокращает массогабаритные характеристики схемной реализации устройства (например, в виде модуля в конструктиве «Евромеханика») и упрощает его использование в составе любой испытательной или навигационной аппаратуры различного назначения.

Реализация данного технического решения позволяет создать устройство, обладающее минимальной аппаратной избыточностью, малыми габаритами, позволяющими легко встраивать его в любую аппаратуру, и обеспечивающее формирование набора сигналов спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС и GPS, соответствующих вектору состояния космического аппарата, движущегося по произвольной траектории во всем диапазоне скоростей, вплоть до второй космической скорости включительно, в том числе с учетом влияния дестабилизирующих факторов космического пространства.

На основе данного технического решения разработан имитатор сигналов УЭ2.890.015 (МРК-30) для комплексной настройки аппаратуры спутниковой навигации по сигналам НКА глобальных навигационных спутниковых системы ГЛО-НАСС и GPS. Габаритные размеры - 227*324* 13 мм (0,956 л). Масса - 4 кг.

Имитатор навигационных радиосигналов навигационных космических аппаратов (НКА), содержащий формирователь навигационного сигнала, который состоит из блока цифрового формирования сигнала и преобразователя частоты вверх, выход которого последовательно соединен с аттенюатором и антенной излучателя или входом навигационного приемника, отличающийся тем, что блок цифрового формирования навигационного сигнала имеет на входе узел интерфейса обмена цифровой информацией для непосредственного ввода параметров навигационного сигнала, выходы которого соединены с входами узла формирования сигналов псевдослучайной последовательности (ПСП) и входами узла синтеза модулированных сигналов, при этом выходы узла формирования сигналов ПСП соединены с входами узла синтеза модулированных сигналов, выходы которого связаны с входом узла формирования сигналов ПСП, входом преобразователя частоты вверх и входами сумматора, выходом соединенного с входом фильтра, выходом связанного с входом преобразователя частоты вверх.