Навигационный терминал связи
Полезная модель относится к телекоммуникационным устройствам, а именно к навигационному терминалу связи, который может найти широкое применение для пользователей спутниковой глобальной системы определения местоположения GPS (Global Positioning System). Техническим результатом является повышение точности позиционирования при экономичном энергопотреблении за счет перераспределения функций между элементами заявленного терминала связи. Этот результат достигается за счет того, что навигационный терминал связи содержит порт ввода-вывода, GPS микропроцессор, устройство радиочастотного тракта GPS, фильтр, малошумящий усилитель, флэш-память и спиральную GPS-антенну.
Полезная модель относится к телекоммуникационным устройствам, а именно к навигационному терминалу связи, который может найти широкое применение для пользователей спутниковой глобальной системы определения местоположения GPS (Global Positioning System).
Как правило, типовой приемник сигналов GPS состоит из четырех функциональных частей: GPS антенны; радиочастотной части; цифрового блока корреляционной обработки; навигационного процессора.
Известны GPS микрополосковые антенны, недостатки таких антенн: микрополосковые антенны более узкополосные, по сравнению со спиральными; микрополосковые антенны легко реализуют круговую поляризацию, по сравнению с преимущественно вертикальной поляризацией у спиральных антенн; микрополосковые антенны имеют более неравномерную диаграмму излучения в азимутальной плоскости, чем спиральные и вибраторные, в силу своей несимметричности относительно вертикальной оси.
Известна GPS антенна, описанная в патенте США №6552693 В1, 22.04.2003. Эта антенна используется для сетей мобильной связи и приема GPS, Bluetooth сигналов и состоит из следующих компонентов: цилиндрического основания из керамики и антенного элемента размещенного на поверхности цилиндрического основания (спиральная антенна).
Недостатком этого устройства является отсутствие GPS приемника необходимого для обработки GPS сигналов.
Известен навигационный терминал связи, представляющий собой GPS антенну, фильтр, GPS приемник и GPS цифровой сигнальный процессор, микропроцессор, дисплей и клавиатуру, описанный в патенте США №6356602 В1, 12.03.2002. Этот терминал используется для приема GPS сигналов.
Недостатком этого устройства является низкая производительность при приеме GPS сигналов. Низкая производительность в устройстве объясняется тем, что GPS антенна не имеет малошумящего усилителя, что влияет на реальную избирательность GPS приемника. Известно, что общий коэффициент шума GPS приемника зависит от коэффициента усиления мощности первого каскада, т.е. для повышения чувствительности GPS приемника необходимо применить малошумящий усилитель на входе GPS приемника.
Известно GPS устройство с антенной, описанное в патенте США №6853338 В2, 08.02.2005. Это устройство используется для сетей мобильной связи и приема GPS сигналов и состоит из следующих компонентов: антенны, усилителя и GPS приемника.
Недостатком этого устройства является низкая точность позиционирования, так как диаграмма направленности для приема GPS сигналов антенной составляет менее 45 градусов.
Таким образом, техническим результатом данной полезной модели является повышение точности позиционирования при экономичном энергопотреблении за счет перераспределения функций между элементами заявленного терминала связи.
Технический результат достигается за счет того, что, навигационный терминал связи, содержащий устройство радиочастотного тракта для приема данных со спутниковой глобальной системы определения местоположения (GPS), GPS микропроцессор, флэш-память и порт ввода-вывода, дополнительно содержит два генератора тактовой частоты, малошумящий
усилитель, фильтр и спиральную GPS-антенну, предназначенную для приема GPS сигналов, при этом выход GPS-антенны соединен с входом малошумящего усилителя, выход которого соединен с входом фильтра, выход которого соединен с входом устройства радиочастотного тракта GPS, выход-выход которого соединен с первым входом-выходом GPS микропроцессора, второй вход-выход которого соединен с входом-выходом флэш-памяти, третий вход-выход GPS микропроцессора соединен с входом-выходом порта ввода-вывода, тактовый выход GPS процессора соединен с входом первого генератора тактовой частоты, выход которого соединен с тактовым входом GPS микропроцессора, тактовый выход устройства радиочастотного тракта GPS соединен с входом второго генератора тактовой частоты, выход которого соединен с тактовым входом устройства радиочастотного тракта GPS.
В частном варианте спиральная GPS-антенна выполнена с возможностью приема GPS сигналов от спутников глобальной системы определения местоположения.
В частном варианте выполнения первый и второй генераторы тактовой частоты являются кварцевыми генераторами.
В другом частном варианте в устройство радиочастотного тракта GPS встроены усилитель, частотный синтезатор, частотные делители, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, память, коррелятор, таймер и устройство электропитания, при этом вход таймера, является тактовым входом устройства радиочастотного тракта GPS, а выход таймера является тактовым выходом устройства радиочастотного тракта GPS.
Еще в одном частном варианте GPS микропроцессор дополнительно содержит кнопку сброса.
Заявленная полезная модель иллюстрируется следующими чертежами: фиг.1, на которой показана структурная схема навигационного
терминала связи по первому варианту; фиг.2, на которой показан пример исполнения навигационного терминала связи; фиг.3, на которой показана диаграмма направленности в горизонтальной плоскости; фиг.4, на которой показана диаграмма направленности в вертикальной плоскости.
Рассмотрим структуру и работу терминала связи 1.
Как видно из чертежа фиг.1, терминал связи 1 содержит устройство радиочастотного тракта GPS 5, подключенный к GPS микропроцессору 7, флэш-память (FLASH память) 9, подключенную к GPS микропроцессору 7, фильтр 4, малошумящий усилитель 3 и спиральную GPS-антенну 2, предназначенную для приема GPS сигналов, при этом устройство радиочастотного тракта GPS 5 связано с фильтром 4, который связан с малошумящим усилителем 3, который связан со спиральной GPS-антенной 2, порт ввода-вывода 10, соединенный с GPS микропроцессором. Кроме того, тактовый выход упомянутого устройства радиочастотного тракта GPS 5 соединен с входом второго генератора тактовой частоты 6, выход которого соединен с тактовым входом устройства радиочастотного тракта GPS 5, тактовый выход GPS микропроцессора 7 сединен с входом первого генератора тактовой частоты 8, выход которого соединен с тактовым входом GPS микропроцессора.
Здесь необходимо отметить, что спиральная GPS-антенна 2 является GPS антенной и предназначена для приема сигналов от спутников глобальной системы определения местоположения GPS 11.
Упомянутые генераторы тактовой частоты 6, 8 являются кварцевыми генераторами, а GPS микропроцессор 7 может содержать кнопку "сброс", предназначенную для перезапуска микропроцессора 7, выход кнопки сброс соединен со вторым входом микропроцессор 7 при этом другой выход кнопки "сброс" соединен с шиной земля (на чертежах не показано).
Кроме того, в устройство GPS 5 встроены усилитель, частотный синтезатор, частотные делители, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, память, коррелятор, таймер и устройство электропитания, при этом вход таймера, является тактовым входом GPS приемника, а выход таймера является тактовым выходом GPS приемника (на чертежах не показано).
На чертеже фиг.2 показан пример исполнения терминала связи 1 с фильтром 4, малошумящим усилителем 3, спиральной антенной GPS 2, устройством GSP 5, GPS микропроцессором 7 и портом ввода-вывода 10.
На фиг.3 и 4 показаны диаграммы направленности спиральной антенны 2 терминала связи 1.
Заявленный антенный терминал связи 1 работает следующим образом.
Навигационный терминал связи 1 предназначен для определения пространственных координат, вектора скорости, текущего времени и других навигационных параметров, полученных в результате приема и обработки радиосигналов от навигационных спутников GPS 11.
На вход спиральной GPS-антенны 2 терминала 1 поступают радиосигналы от спутников GPS 11, находящихся в зоне радиовидимости потребителя. Так как для решения навигационной задачи необходимо измерить псевдодальность и псевдоскорость относительно минимум 4-х спутников GPS 11, то навигационный терминал связи 1 имеет 12 каналов. Устройство GPS 5 имеет 12-каналов приема, в основе которого заложена технология SiRFXtrac2 низкого энергопотребления, встроенная компенсация температуры (temperature compensated crystal oscillators, TCXO) и поддержка стандарта NMEA-0183.
Данные от GPS спутников 11 на частоте 1,575 ГГц поступают на спиральную GPS-антенну 2 и далее поступают на малошумящий усилитель
3 и фильтр 4, где фильтруются и поступают на устройство GPS 5 и микропроцессор 7 терминала связи 1.
В качестве GPS антенны 2 используется спиральная антенна, обладающая малой массой, габаритными размерами и простотой изготовления, описанная в патенте США №6552693 В1, 22.04.2003. Спиральная GPS антенна 2 состоит из параллельных проводящих слоев, разделенных диэлектриком. По форме излучатель антенны 2 - спираль на цилиндрической поверхности. Спиральная GPS антенна 2 обеспечивает всенаправленный прием сигналов. Важнейшей характеристикой GPS антенны является диаграмма направленности (ДН), особенно в азимутальной плоскости, показанная на фиг.3 и 4.
Для антенны 2 имеются диаграммы направленности (ДН) в двух взаимно перпендикулярных плоскостях: азимутальной и угломестной. Азимутальная ДН определяет способность антенны 2 излучать в горизонтальной плоскости (Фиг.3), угломестная ДН - в вертикальной плоскости (Фиг.4). И та и другая ДН важны для терминала связи 1, но первая определяет всенаправленность, и она более характерна для оценки излучения в условиях эксплуатации.
Как уже отмечалось, керамическая антенна 2 - спиральная структура, на поверхности каждой стороны которой нанесены металлические проводники определенной формы. Данная конструкция может иметь одну или несколько точек возбуждения. В эти точки на антенну 2 подается возбуждающее напряжение, которое наводит в структуре токи излучения. Кроме точек возбуждения, на антенне 2 есть точки заземления (присоединения к заземляющей плоскости). Токи, наведенные в этой сложной конструкции, формируют диаграмму направленности и реализуют другие характеристики антенны 2, необходимые для установления связи с малошумящим усилителем 3.
Входное сопротивление антенны 2, близкое к 50 Ом, поскольку в этом случае можно будет с меньшими потерями согласовать антенну с малошумящим усилителем 3. Например, если величина возвратных потерь антенны (параметр 20 log |S11|), порядка -20 дБ, это говорит о том, что в рабочем диапазоне частот антенна будет работать с хорошим согласованием с окружающим пространством. Величина -20 дБ показывает, что мощность генератора будет почти без отражения поглощаться антенной 2, которая в свою очередь нагружена свободным пространством. Антенна 2 есть трансформатор между входом малошумящего усилителя 3 и свободным пространством, волновое сопротивление которого для плоской волны в дальней зоне можно считать равным 377 Ом.
Далее сигнал поступает в малошумящий усилитель 3, который предназначен для усиления сигнала до такого уровня, чтобы при передаче по кабелю (20-40 м) до входа в устройство радиочастотного тракта GPS 5 сигнал был достаточно мощным. Усилитель 3 обеспечивает в рабочем диапазоне частот коэффициент усиления Ку ˜30-40 дБ и коэффициент шума К ш J 2,5.
Устройство радиочастотного тракта GPS 5 на микросхеме GRF2i/LP компании SiRF - это полностью законченный радиочастотный блок для приемника системы GPS для частоты L1. Устройство радиочастотного тракта GPS 5 содержит преобразователь частоты (на чертеже не показано), на выходе которого получаем сигнал промежуточной частоты ˜20,46 или 18,94 МГц. В состав устройства радиочастотного тракта GPS 5 входит гетеродин (управляемый генератор, построенный на основе контура ФАП), УПЧ (усилитель промежуточной частоты), контур АРУ (автоматической регулировки усиления сигнала, AGC) и 2-бит АЦП (аналого-цифровой преобразователь) (на чертеже устройства не показаны).
Принятый высокочастотный сигнал в устройстве радиочастотного тракта GPS 5 гетеродинируют - переносят на промежуточную частоту, дискретизируют, и в цифровом виде сигнал поступает в коррелятор (на чертеже не показано). В корреляторе (на чертеже не показано) в цифровой форме формируются отсчеты синфазных I(k) и квадратурных Q(k) компонент сигнала, которые являются основой для работы алгоритмов поиска сигнала по частоте и задержке, слежения за фазой сигнала и выделения навигационного сообщения. Отсчеты I(k) и Q(k) из устройства радиочастотного тракта GPS 5 поступают в GPS микропроцессор 7, который, обрабатывая их, формирует значения псевдодальности и псевдофазы, решает навигационную задачу, формирует управляющий сигнал для ФАП каждого канала для замыкания петли и управляет периферией. Помимо этого, коррелятор (на чертеже не показано) может формировать измерительную информацию, которая затем будет использована для вычисления псевдодальности и псевдофазы.
Порт ввода-вывода 10 предназначен для ввода-вывода данных в/из терминал связи 1.
Благодаря применению программного обеспечения технологии SiRFXtrac2 записанных во FLASH память 9 достигается более быстрое получение первой координаты (Time-To-First-Fix, TTFF), а также более высокой чувствительности к слабым сигналам спутников GPS 11 (до 16 dBHz), что позволяет определять координаты в местах ранее не доступных с помощью иных моделей навигационных терминалов связи (GPS приемников.
Таким образом, за счет спиральной GPS антенны 2, маломощного усилителя 3 и фильтра 4 решается задача полезной модели: прием сигналов от спутниковой глобальной системы определения местоположения
GPS и повышается точность позиционирования при экономичном энергопотреблении терминала связи 1.
Изготовление терминала связи 1, изображенного на фиг.1-2, осуществляют из типовых элементов, например, устройство радиочастотного тракта GPS 5 на основе микросборки типа GRF2i/LP компании SiRF. GPS микропроцессор 7 на основе микросборки типа GSP2e/LP компании SiRF. FLASH память Am29LV400 или Am29LV800 компании AMD, антенна 2 компании Sarantel, фильтр 4 может быть использован, например, марки TA1575GG компании Golledge или марки 856134 компании Sawtek. Малошумящий усилитель 3 - типовой.
Опытные образцы терминала связи 1 изготовлены. Испытания показали, что они соответствует тем требованиям, которые предъявляются к активным GPS антеннам (нормативные документы: ARINC-743a, ГОСТ Р 50860-96, КТ-34-01 и ГОСТ РВ 39.304-98) и приемникам стандарта технологии GPS.
1. Навигационный терминал связи, содержащий устройство радиочастотного тракта для приема данных со спутниковой глобальной системы определения местоположения (GPS), GPS микропроцессор, флэш-память и порт ввода-вывода, отличающийся тем, что дополнительно содержит два генератора тактовой частоты, малошумящий усилитель, фильтр и спиральную GPS-антенну, предназначенную для приема GPS сигналов, при этом выход GPS-антенны соединен с входом малошумящего усилителя, выход которого соединен с входом фильтра, выход которого соединен с входом устройства радиочастотного тракта GPS, вход-выход которого соединен с первым входом-выходом GPS микропроцессора, второй вход-выход которого соединен с входом-выходом флэш-памяти, третий вход-выход GPS микропроцессора соединен с входом-выходом порта ввода-вывода, тактовый выход GPS процессора соединен с входом первого генератора тактовой частоты, выход которого соединен с тактовым входом GPS микропроцессора, тактовый выход устройства радиочастотного тракта GPS соединен с входом второго генератора тактовой частоты, выход которого соединен с тактовым входом устройства радиочастотного тракта GPS.
2. Терминал связи по п.1, отличающийся тем, что спиральная GPS-антенна выполнена с возможностью приема GPS сигналов от спутников глобальной системы определения местоположения.
3. Терминал связи по п.2, отличающийся тем, что первый и второй генераторы тактовой частоты являются кварцевыми генераторами.
4. Терминал связи по п.3, отличающийся тем, что в устройство радиочастотного тракта GPS встроены усилитель, частотный синтезатор, частотные делители, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, память, коррелятор, таймер и устройство электропитания, при этом вход таймера является тактовым входом устройства радиочастотного тракта GPS, а выход таймера является тактовым выходом устройства радиочастотного тракта GPS.
5. Терминал связи по п.4, отличающийся тем, что GPS микропроцессор дополнительно содержит кнопку сброса.
